科学家推测，在这广袤的宇宙中，存在着一种神秘莫测的物质，它看不见也摸不着，却如同幽灵一样弥漫在宇宙的各个角落，对宇宙的演化起着至关重要的作用，它就是“暗物质”。
20世纪30年代，当时天文学家弗里茨·兹威基在研究后发座星系团时，发现星系团中星系的运动速度远远超过了它们应该具有的速度。这意味着星系团中应该有更多的质量来提供额外的引力，才可以保持星系的运动状态。兹威基推测，这些额外的质量可能是一种看不见的物质，他称之为“暗物质”，Dark matter。但是暗物质的研究从那之后一直处于停滞状态，直到 20 世纪 70 年代，美国天文学家维拉·鲁宾在研究旋涡星系的旋转曲线时，她发现旋涡星系的外围恒星的运动速度并不随着距离星系中心的距离增加而减小，这与牛顿的万有引力定律是不符的。那么有一种可能就是，星系中可能还存在着大量的暗物质，它们提供了额外的引力，使得外围恒星能够以如此高的速度运动。
暗物质之所以被称为 “暗” 物质，是因为它不与电磁力相互作用，无法发出、反射或吸收光，因此我们并没有办法用常规的光学望远镜观测到它，这也是暗物质至今还处在假说性质的理论阶段的原因。当光线经过一个大质量天体时，会被天体的引力弯曲，这种现象类似于通过一个凸透镜观察物体，因此得名“引力透镜”。如果在光线的路径上存在暗物质，那么暗物质的引力也会使光线发生弯曲。通过对这种扭曲的程度进行分析，科学家们可以计算出星系团中暗物质的质量和分布。
这样来看，暗物质可以说是非常神秘了，那么宇宙中有比暗物质还要神秘的东西吗？
科学家经过计算得出，宇宙中可观测的物质大约仅占整个宇宙的5%，而暗物质大约占整个宇宙的27%，人类通过它们的引力效应推测它是有质量的。但是除了质量之外，我们没有任何办法能观测和研究这种物质，但是这还算好，起码我们知道这27%它还是物质。那么，另外还有大约68%对我们来说就更是一团迷雾了，这68%被科学家称为“暗能量”。你可以想象它是一个非常庞大的存在，但是我们并不知道它到底是什么东西，既然不知道它是什么东西，我们为什么要把它叫暗能量呢？
科学家们发现，宇宙正在不断地膨胀，而且膨胀的速度还在不断加快。这个现象与现有的物理学理论是相悖的，因为按照理论来说，引力应该会让宇宙的膨胀速度逐渐变慢，甚至最终开始收缩。但实际情况却是，宇宙正在加速膨胀，所以天文学家认为，可能有一种神秘的力量正在把宇宙中所有的东西向外推，导致宇宙正在以越来越快的速度膨胀，我们把这种神秘力量就称为“暗能量”。
科学家们通过计算机模拟，可以从宇宙现在的状态回溯到大爆炸刚刚开始的时候，看一下需要多少暗物质和暗能量，才能使宇宙反过来变成我们现在看到的样子。如果在模拟中没有设定适当比例的暗物质，那么就不能得到现在所看见的星系形状。如果在模拟中把暗物质和暗能量混在一起，也就是说假设暗能量不存在，暗物质占95%，也是没办法在模拟中得到同样的答案。所以，宇宙中的常规物质、暗物质和暗能量的比例，大约就是5%、27%和68%。
那么我们应该怎样探测暗物质和暗能量呢？
其实最直接的就是我们前文提到的“引力透镜”效应，它可以通过观测光线在经过某些区域时的弯曲情况，勾勒出暗物质的分布。另外，我们还可以通过宇宙射线来探测，比如我国的“悟空号”暗物质粒子探测卫星，可以测量高能宇宙射线，如果它能发现超新星爆发以外的宇宙射线来源，或许也可间接探测到暗物质。除此之外，地下实验室探测是目前最直接的暗物质探测方法之一。由于暗物质与普通物质的相互作用非常微弱，所以需要在极其安静的环境中进行探测。地下实验室可以有效地屏蔽来自宇宙射线和地球表面的干扰，为暗物质探测提供了理想的环境。目前，世界上有多个地下实验室正在进行暗物质探测实验。比如我们国家的锦屏地下实验室，位于四川凉山州锦屏山地下 2400 米处，是世界上最深的地下实验室之一。在这里，科学家们正在进行一系列暗物质探测实验，希望能够找到暗物质存在的直接证据。
至于暗能量的探测，目前最主流的就是观测宇宙微波背景辐射，宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸遗留下来的微弱电磁辐射，它的分布和特性包含了宇宙早期状态的信息。通过对宇宙微波背景辐射的精确测量，可以了解宇宙的物质和能量分布，进而为暗能量的研究提供线索。
尽管科学家们已经对暗物质和暗能量进行了几十年的研究，但我们仍然对它们的“真实”本质细节知之甚少，比如暗物质是什么粒子？暗能量是否就是宇宙学常数？但至少我们知道，暗物质和暗能量是宇宙中最重要的组成部分之一，它们的存在直接影响着宇宙的结构和演化。也许，到我们真正解开暗物质和暗能量神秘面纱的那一天，我们才能更深入地了解宇宙的本质。或许，这涉及到我们人类哲学的终极问题，我们是谁？我们从哪来？又要到哪去？
作者：星众成光
审核：中国科学院国家空间科学中心 研究员 周炳红
出品：中国科协科普部
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