暗物质和暗能量是宇宙学中两个极为重要但仍未完全理解的概念,它们共同构成了宇宙能量密度的大部分。

尽管我们不能直接观测到它们,它们的存在和属性是通过它们对宇宙大尺度结构和演化的影响间接推断出来的。
具体如下:
1. 暗物质的本质
组成与性质:暗物质不发光也不吸收光线,因此不能通过传统的天文观测手段直接看到。
它主要通过引力与可见物质相互作用,对星系、星系团以及宇宙大尺度结构的形成和稳定起着关键作用。
理论模型:关于暗物质的本质,科学家提出了多种理论模型。
弱相互作用有质量粒子(WIMPs)是一种广受关注的暗物质候选粒子,此外还有轴子和惰性中微子等其他可能的候选者。
这些粒子被认为在宇宙早期大量存在,之后逐渐聚集形成了暗物质晕,影响星系的形成和演化。
2. 暗能量的本质
宇宙加速膨胀:暗能量最初被提出来解释宇宙加速膨胀的现象。

通过观测遥远的超新星,科学家发现宇宙的膨胀速度不仅没有减缓,反而在加快,这一现象无法仅用暗物质和普通物质的引力效应来解释。
物理本质探讨:暗能量的本质至今仍是一个谜。
目前广泛接受的理论将其归因于量子真空的零点能,即认为真空本身具有能量,这种能量导致宇宙的加速膨胀。
另一种可能是它是一种新的、尚未被理解的物理场,如精质(quintessence)。
3. 暗物质和暗能量的区分
引力作用差异:尽管暗物质和暗能量都不可见,它们在宇宙中的作用却截然不同。
暗物质通过引力聚集形成结构,而暗能量则推动宇宙加速膨胀,对抗物质间的引力作用,使得宇宙的结构形成变得缓慢。
密度变化:暗物质的密度随着宇宙膨胀而稀释,但其稀释速度要慢于暗能量。
这种差异导致在宇宙早期暗物质更为重要,而在当前和未来,暗能量将占据主导地位。
4. 科学意义和未来探索

宇宙学研究:暗物质和暗能量的研究对于理解宇宙的起源、演化和最终命运至关重要。
它们对宇宙大尺度结构的形成、星系的运动以及宇宙背景辐射的分布都有深远影响。
未解之谜:尽管已经取得了一些进展,暗物质和暗能量的本质仍然充满挑战。
未来的科学研究,包括更精确的天文观测、粒子物理实验和理论模型的发展,将进一步探索这些谜题,可能揭示宇宙最深刻的奥秘。
总结来说,暗物质和暗能量是现代宇宙学中最为神秘且引人入胜的组成部分。
它们虽然难以捉摸,但通过它们的引力效应和宇宙膨胀的影响,科学家能够间接探测到它们的存在,并继续探索它们的性质和作用。
随着科技的进步和理论的发展,未来可能会揭开更多关于暗物质和暗能量的秘密。
#暗物质与暗能量的本质又是什么?#
它说,一个系统的熵只会随时间增加,不会减少。
这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。
熵,说白了就是无序的程度:熵越低,结构越有序;熵越高,越散乱。
糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉,背后都是熵在增加。
人们相信,宇宙的演化也遵循这条定律。
宇宙早年处于低熵状态,一路演化到高熵。
可就在这个过程中,宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。
星系的熵很低,却是在一个高熵的环境里形成的。
这看起来像是在违反第二定律。
这个存在已久的矛盾,正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。
引力、熵与量子信息的交织,是比安科尼理论的视觉主题(图片来源:Physics World) 在爱因斯坦的广义相对论里,有个叫"度规"的数学对象,描述时空是怎么弯曲的;物质沿着这条弯曲走,就表现成了引力。
而在量子力学里,"算符"是对量子态做变换的数学工具。
比安科尼的关键一步,就是把这个"度规"当成量子算符来用,用量子化的方式描述时空的几何。
这样一来,会冒出两个"度规":一个是"真实"的时空度规,一个是由物质和能量诱导出来的度规。
两者之间"差多少",用量子信息论里的一个量来度量,叫量子相对熵。
正是这两个几何之间的量子相对熵,决定了时空怎么演化——换句话说,它给出的运动方程,就是引力。
在低曲率极限下,这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。
可一旦超出这个极限,方程就得被一个叫"G场"的对象修正。
G场生出一个暗能量项,而且是动态的。
暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西;在标准广义相对论里,它由静态的宇宙学常数驱动。
现在冒出一个动态的暗能量项,就有了被实验检验的机会。
比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克(FRW)宇宙模型上。
这是广义相对论对宇宙行为的一级近似,假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。
膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质,或辐射。
宇宙膨胀时,体积变大,总熵也跟着变大。
但正因为体积涨得更快,单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。
总熵在涨,局部熵密度却在降,这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。
那这算不算违反第二定律?比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵:要把熵密度在整个时空区域上积分,而因为体积随时间变大,总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。
所以对辐射主导和物质主导的宇宙,总熵依然随时间增加,第二定律照样成立,尽管局部熵密度在下降。
比安科尼强调,GfE 理论还很年轻,需要实验来验证。
但这项工作揭示了它内在的热力学本质,为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述,也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。
引力,也许并不是什么神秘的基本力,而只是信息与熵的必然结果。
若真如此,宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命,答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。
来源:S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究:G. Bianconi, Physical Review D.
每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。
这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀,并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。
左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图;右图外圈显示宇宙微波背景辐射,扇区分别展示视线速度(红/蓝)、物质密度(灰)和引力势(绿/蓝)。
图片来源: 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为,极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。
这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度,留下微小的密度差异;随后,引力把这些差异不断放大,最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。
然而,暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。
通过研究物质在宇宙中的分布,有望找到更多线索,探索宇宙最早期的秘密。
暗物质无法被望远镜直接看见,却凭借引力主导星系形成,并塑造更大尺度的宇宙结构。
在模拟中,暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”,团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。
标准宇宙暴胀模型预测,早期宇宙的密度涨落服从高斯分布,也就是最简单的一类随机模式。
科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差,即“原始非高斯性”。
一旦发现可测量的偏差,就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程,从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。
然而,这类信号极其微弱,还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积,统计不确定性难以完全消除。
因此,探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。
而如此规模的模拟对算力要求极高。
团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。
模拟及大部分数据分析约4天完成,目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。
这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目,包括美国能源部支持的暗能量光谱仪(DESI)和NASA的SPHEREx任务,两者目前均处于数据采集阶段。
模拟与前沿观测相互印证,将共同描绘出更为精细的宇宙图景,推动人类对宇宙起源与演化的探索。
来源:科技日报