首页 > 宇宙 > 暗物质

看得见的星空只占宇宙 5%,暗物质与暗能量,物理学跨世纪无解终极谜题

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-25

我们抬头看见的恒星、星云、地球、人类,一切由原子构成的普通物质,仅占宇宙总质能的 4.9%。

剩下 95.1%,被两种完全无法直接观测的神秘存在分割:26.8% 暗物质,68.3% 暗能量。

它们不发光、不反射光线,不会和我们熟悉的原子产生电磁接触,只能依靠引力、时空膨胀留下间接痕迹证明存在。

近百年全球顶尖望远镜、地下粒子探测器、太空卫星轮番上阵,只摸清了它们的外在影响,始终无法确定二者本质是什么。

这两大宇宙底层谜团,也是现代物理最大的两座大山。

暗物质:拉住星系不散架,看不见的宇宙引力骨架

暗物质最通俗的比喻,是包裹所有星系的隐形 “引力胶水”。

它拥有质量,会产生引力拉扯,但完全不参与光、热、电磁反应,任何望远镜都无法直接捕捉它的身影。

上世纪 30 年代天文学家观测星系团时就发现诡异矛盾:按照星系内所有恒星、气体的总质量计算,外围天体旋转速度过快,巨大离心力本该把恒星全部甩散,可星系稳定存在了百亿年。

唯一合理的解释,是星系外围笼罩着一层庞大、看不见的质量光晕,牢牢束缚住所有星体,暗物质的概念就此诞生。

后续几十年多重观测不断佐证它真实存在:星系碰撞形成的引力透镜扭曲星光、大爆炸残留微波辐射的温度起伏、早期宇宙快速成型的星系结构,全部只有加入暗物质才能自洽。

最经典的子弹星系团碰撞观测更直接实锤:两簇星系相撞时,看得见的高温气体互相减速,绝大部分质量却毫无阻碍穿透碰撞区域,对应区域没有任何发光物质,只能是暗物质集群。

用尽所有探测手段,始终抓不到暗物质本体

人类搭建了无数极端条件设备,试图直接捕获暗物质粒子,却全部收获空白,这是暗物质最核心的未解困境。

深埋地下数千米的液态氙探测器,隔绝宇宙射线干扰,等待暗物质粒子穿过液体产生闪光信号;

大型对撞机模拟宇宙初期高温环境,尝试碰撞生成暗物质粒子;

太空卫星扫描星系绘制暗物质引力分布图。

主流理论猜想它是弱相互作用大质量粒子(WIMP),也有轴子、惰性中微子等假说,但没有任何一种粒子被实验实锤。

更颠覆理论的反常观测接连出现:天文学家找到多个几乎不存在暗物质痕迹的矮星系,仅依靠可见物质引力就能维持结构;

同时韦伯望远镜拍到宇宙诞生仅几亿年就成型的成熟大星系,现有暗物质引力聚集模型,无法解释星系成型速度为何远超理论预期。

一边大量证据证明暗物质普遍存在,一边不断出现推翻模型的特例,科学家至今无法统一解释矛盾现象。

暗能量:反向引力,推着宇宙永久加速膨胀

如果说暗物质是向内拉扯的引力骨架,暗能量就是向外撕裂时空的神秘斥力,占据宇宙近七成质能,决定整个宇宙最终命运。

长久以来物理学家默认,大爆炸后的膨胀会在引力作用下持续减速。

直到上世纪 90 年代,科学家通过遥远超新星测距发现惊天反转:宇宙膨胀速度不仅没有变慢,反而越来越快,必须存在一种均匀分布在全空间、自带排斥力的能量抵消引力,暗能量的概念正式确立,相关发现拿下诺贝尔物理学奖。

普朗克卫星精准测绘宇宙微波背景后确认:宇宙空间整体平坦,能匹配数据的唯一方案,就是空间本身自带基础能量密度,也就是暗能量。

它有一个极度反常的特性:空间越空旷、体积越大,暗能量总量同步增加,不会随膨胀稀释,持续提供向外的推力,不断拉大星系之间的距离。

暗能量的核心悖论:理论计算与实际观测差百亿亿倍

关于暗能量最大的数学矛盾,至今没有合理解答,被学界称为 “宇宙常数灾难”。

量子场论推算,真空本身蕴藏的零点能量数值,比天文观测得到的暗能量密度高出 120 个数量级,差距大到无法想象。

简单来说,理论预测空间斥力会瞬间撕碎一切,但现实中宇宙只是缓慢加速扩张,两套体系完全无法兼容,意味着人类对真空、时空底层规律存在根本性认知盲区。

近年 DESI 全球巡天项目绘制 110 亿年宇宙演化三维图谱,又抛出新难题:观测数据显示暗能量密度并非恒定不变,会随宇宙演化缓慢波动,这直接冲击主流 “宇宙常数恒定” 标准模型。

如果暗能量持续变强,未来会出现 “大撕裂” 结局:星系、恒星、行星、原子逐一被空间斥力撕碎,宇宙归于彻底冰冷虚无;

若暗能量逐步衰减,引力会重新占据上风,宇宙收缩回溯到大爆炸起点,两种结局都无法下定论。

两种颠覆性猜想:暗物质、暗能量或许根本不存在

一部分物理学家提出全新思路,我们苦苦寻找的 “两暗”,可能只是人类引力理论的漏洞,而非真实存在的物质与能量。

修正引力理论(MOND)认为,广义相对论只在太阳系、恒星近距离尺度成立,在星系、宇宙超大尺度下引力规律会发生变化,星系转速异常、宇宙加速膨胀,都是引力公式不匹配造成的计算偏差,不需要凭空引入暗物质、暗能量两种未知事物。

这套理论能完美解释小型星系旋转曲线,但面对星系团、宇宙微波背景等大尺度观测,又会出现无法弥补的漏洞,无法完全取代标准宇宙模型。

还有学者提出多元宇宙、时空维度折叠等猜想,认为暗物质是其他平行宇宙引力渗透到我们宇宙的痕迹,暗能量是高维空间作用力,这类构想暂时没有任何可验证的观测证据,只能停留在理论推演阶段。

横亘人类文明的终极疑问,至今没有标准答案

梳理全部观测与理论,能确定的事实十分有限:

普通原子物质仅占宇宙不到 5%;

星系存在大量看不见的引力质量,统称暗物质;

宇宙空间存在反向斥力,推动加速膨胀,统称暗能量;

除此之外,全部都是悬而未决的谜题:

暗物质到底是哪种基础粒子?为何部分星系完全不含暗物质?早期星系为何成型速度突破模型上限?

暗能量是真空固有能量,还是动态可变的新型标量场?理论与观测巨大差值该如何弥补?引力在超大尺度是否需要重新改写?

人类现有的粒子物理、广义相对论两大基础理论,都无法完整解读这两种主宰宇宙的隐形力量。

可以说,只要暗物质与暗能量的本质一天无法破译,我们就不算真正理解宇宙运行的底层规则。

宇宙留给人类的漫长思考题

曾经物理学家以为物理学大厦即将完工,只剩两朵微小乌云;

如今暗物质与暗能量化作笼罩整个宇宙的巨大迷雾,提醒人类我们对世界的认知依旧浅薄。

我们能观测星光、拆解原子、登陆深空,却对占据宇宙 95% 的主体一无所知。

未来新一代空间望远镜、地下深度粒子实验室、超高能对撞机还会持续探索,或许某一次观测突破,就能推翻现有物理体系,揭开这两种隐形主宰的真实面目。

互动留言

你更倾向暗物质暗能量是真实存在的未知粒子与真空能量,还是引力理论存在缺陷?你觉得宇宙最终会走向大撕裂还是大收缩?评论区聊聊你的看法。

喜欢本篇宇宙科普解析,欢迎点赞转发收藏,持续分享深空观测与物理未解谜团。

量子信息+熵,能解释宇宙的演化吗

热力学第二定律,也许是物理里最根本的几条原理之一。

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.

追踪13.4万亿个暗物质!百亿亿次超算用4天完成这场模拟

科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称,该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机,完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。

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

相关内容