经常有人问我暗物质到底是什么暗能量是不是暗物质的一种每次被问到我都有点头大因为这两个词太容易让人往“玄学”上靠了。但后来我把相关科普和原始发现的过程捋了一遍发现一个很反直觉的事实这两个统治宇宙的“暗”家伙最初走进科学视野靠的并不是什么高深数学而是牛顿的两个基本公式再配上加减乘除。换句话说如果你会做简单的数字估算你就能手算出暗物质的证据也能理解暗能量为什么会被提出来。这篇文章我想带你做一次这样的“手算”让“暗物质是不可解释部分引力来源暗能量是宇宙膨胀的动力来源”这句话不再是一个背下来的结论而是你自己推出来的必然。1. 先搞清暗物质和暗能量在科学家眼里是什么样的存在1.1 两个“暗”字其实是两个完全不同的麻烦暗物质和暗能量名字里都带“暗”但这俩的“暗”指的都是“不发光、看不见”而不是“黑暗、邪恶”之类的意思。不过在物理学家眼里它们代表的是两个完全不同的问题。暗物质解决的问题是“引力多出来了一部分”。你拿望远镜去看一个星系把里面的恒星、气体、尘埃全部加起来算出这些可见物质能产生多大引力。结果发现按这个引力去推算星系外围恒星的运动恒星应该飞出去才对但它们没有飞出去说明实际引力比可见物质能提供的引力要大。多出来的引力来自哪只能假设那里还有看不见的物质——这就是暗物质。所以暗物质本质上是一个“引力来源”的问题你把它理解成“宇宙里有一些不发光的质量”方向就对了。暗能量则完全是另一码事。上世纪九十年代末天文学家观测遥远的超新星发现宇宙膨胀不像大家以为的那样在减速反而在加速。按理说所有物质之间都有万有引力引力是向内拉、让膨胀减速的。但观测结果却是“油门”被踩下去了星系之间的距离越拉越快。这说明宇宙中还存在着一种产生排斥性引力、或者说负压力的东西推动空间加速膨胀——这就是暗能量。你可以把它理解成“驱动宇宙膨胀的动力来源”。暗物质和暗能量的区别我用一句话概括暗物质是“多出来的引力”暗能量是“多出来的斥力”。一个让星系抱团一个让宇宙散开它们配合起来构成了今天宇宙的大尺度结构。1.2 “小学生能懂的计算原理”到底指什么很多人一听暗物质暗能量第一反应是“这得学了广义相对论和粒子物理才能讨论吧”。其实如果你只是想理解它们为什么存在需要的东西远没有那么吓人。我这次用的“小学生能懂的计算原理”核心就两个公式万有引力公式F GMm / r²圆周运动向心力公式F mv² / r第一个公式说的是两个物体之间的引力和它们的质量成正比和距离的平方成反比。第二个公式说的是一个物体做圆周运动需要一个维持转弯的力这个力的大小等于它的质量乘以速度的平方再除以轨道半径。这两个公式都是牛顿在几百年前总结的其中用到的数学运算不过是乘法、除法、平方和开平方。你完全可以用纸笔算出来。把两个公式联立在一起会发生一件很漂亮的事一个质量为 m 的天体绕着另一个质量为 M 的中心天体做圆周运动时引力提供了向心力于是GMm / r² mv² / r两边的 m 约掉再整理一下得到v² GM / r这个式子含义非常清晰一个绕行天体的轨道速度 v只和中心天体的质量 M、轨道半径 r 有关和绕行天体本身的质量无关。也就是说如果你知道某个恒星离星系中心的距离又能测出它的运动速度你就能反推出星系里有多少质量——这就是后面所有“暗”事的关键。整篇文章本质上都是围绕这一个式子做文章而它的推导过程只要你会约分就会了。2. 从太阳系的“转圈速度”到星系外面的异常2.1 行星绕太阳转圈速度由什么决定我们先拿太阳系练练手。在这个“小学生算法”里太阳是中心天体行星是绕行天体。根据 v² GM/r行星离太阳越远r 越大v 就应该越小。这是一个非常确定的预测越远的行星公转速度越慢。拿真实数据验证一下。地球到太阳的距离是一个天文单位AU地球公转速度大约是每秒 29.8 公里。海王星到太阳的距离大约是 30 个天文单位。如果按 v 与 r 的平方根成反比来算海王星的速度应该是地球速度的 1/√30 倍也就是 1/5.5 左右。29.8 除以 5.5大约是 5.4 公里每秒。而海王星实际公转速度大约是每秒 5.4 公里。你看预测和实测对得严丝合缝。我把太阳系几个主要行星的数据列出来你更能感受到这种规律行星轨道半径AU实测公转速度km/s水星0.38747.4金星0.72335.0地球1.00029.8火星1.52424.1木星5.20313.1土星9.5379.6海王星30.0705.4速度随着距离一路往下跌从水星的 47 公里每秒降到海王星的 5 公里每秒曲线非常顺滑。这说明只要中心天体质量集中绕行物体的速度曲线就应该是单调下降的。这个结论在太阳系里完全成立所以太阳系没有暗物质问题。2.2 把同样的算法搬到银河系却算出了“离谱”的结果现在把同样的逻辑搬到银河系。银河系可以近似看成一大团恒星绕着一个共同的中心旋转中心区域有致密的核球和超大质量黑洞但整体质量分布比太阳系复杂得多。不过基本的物理原则还在如果你走到离中心很远的地方大部分质量都在你内侧你感受到的中心天体质量大致固定那么你的轨道速度也应该随距离增大而下降。可天文学家用望远镜去测银河系恒星的轨道速度时发现了一个“离谱”的现象。银河系旋转曲线横轴是离银河系中心的距离纵轴是恒星轨道速度在靠近中心的地方速度确实上升但过了几万光年后速度不再下降而是保持在大约每秒 200 到 240 公里的水平一路平着延伸出去。也就是说半径从 3 万光年增加到 15 万光年恒星速度几乎不变。这跟在太阳系看到的情况完全相反。用 v² GM/r 一算如果 v 不变r 变大那么 M 就必须随 r 变大。什么意思意味着银河系里不只有我们看到的那点质量在很远的距离上仍然有大量看不见的质量把恒星“拉住”让它们保持高速旋转。这种肉眼看不见、望远镜也找不到发光对应物的质量就是暗物质。有人可能会问是不是银河系外围其实有很多暗弱的恒星或气体只是我们没看到这个思路当然合理但后续观测一个一个排除了。暗弱恒星会发出红外或射电信号气体会影响星系动力学这些都能被探测到。把这些可见的普通物质全加起来还是远远不够。到了这一步摆在科学家面前的答案就很明确了一定存在一种不属于普通物质的额外质量来源它就是星系旋转曲线里的“额外引力”。3. 暗物质藏在计算里多出来的那份“引力”3.1 把公式反着用反推星系质量既然 v² GM/r那我们可以把公式变形写成M v² r / G这个式子简直像一台“质量天平”只要测出某个半径以内的恒星平均轨道速度 v再知道半径 r就可以算出在这个半径以内一共需要多少质量。因为引力常数 G 是已知的所以整个过程就是代入数字、乘除运算。以太阳绕银河系中心运动为例。太阳的轨道速度大约是每秒 220 公里离银河系中心大约 8000 秒差距约 2.5 万亿亿公里。把这些数字代进公式算出来的“动态质量”大约在千亿太阳质量量级。但天文学家把银河系里能看到的恒星、气体、尘埃全部加起来估计可见物质只有动态质量的几分之一甚至只有十分之一。换句话说你“需要”的质量和“看到”的质量对不上。用一个类比帮你记住这个计算思路。想象一个操场上面有一群小朋友手拉手围成圈跑。你站在场边能看到每个小朋友的个头和体重长相也能测出他们跑的圈有多大、转得有多快。如果根据跑步速度和圆圈大小算出“总重量”是 1000 公斤但你目测那些小朋友加起来只有 200 公斤你会怎么想不可能看错这么多一定是操场里还有你看不见的东西在跟着一起跑或者有看不见的负重挂在每个人身上。星系就是这个操场那些看不见的“负重”就是暗物质。3.2 为什么不能怀疑是引力公式错了你可能会想会不会是牛顿的引力公式在星系尺度不适用了这个怀疑非常合理科学家当然也想过。但经过一百多年的检验答案倾向于公式没错而是质量没找全。首先牛顿的引力理论在强引力场下被爱因斯坦的广义相对论修正但广义相对论在星系尺度给出的旋转曲线预言和牛顿公式差别不大同样要求速度下降。其次广义相对论本身已经通过了无数观测验证包括引力波、黑洞阴影、光线偏折如果轻易说它在大尺度失效需要更大胆的证据。更重要的是暗物质不是孤立地出现在一个星系里而是有一整套相互独立的观测证据在支撑。第一个证据是引力透镜。按照广义相对论大质量物体会弯曲周围时空让背景星系的光线发生扭曲。天文学家观测到很多星系或星系团周围存在明显的引力透镜效应通过透镜的形状和强度可以反推出那个天体的总质量。结果还是同一个结论反推出来的总质量远大于发光物质的质量。第二个证据是子弹星系团。它是两个星系团碰撞后的遗迹。碰撞过程中星系团里的高温气体因为电磁相互作用被减速、滞后而星系团里的暗物质因为几乎不参与电磁作用可以直接穿过碰撞区继续向前飞。结果就是引力透镜显示质量中心在前方而发光气体却在后方。这两个位置错开了非常直观地说明星系团里的大部分质量不是发光气体而是一种能穿过彼此的“透明”物质。第三个证据来自宇宙微波背景辐射。早期宇宙中的声波振荡会在微波背景温度图上留下一圈一圈的纹理这些纹理的间距和高度暗物质对结构的演化有决定性影响。如果宇宙里只有普通物质形成的结构会比我们观测到的小得多。把全部数据放进去结论同样指向宇宙中有大量不参与电磁作用的冷暗物质。所以暗物质的存在性在宏观尺度上已经非常牢固了。它并不是一个用来“凑数”的假设而是被多个实验方向交叉验证的“不可解释部分引力来源”。3.3 多出来的质量可能是什么知道“有暗物质”和知道“暗物质是什么粒子”是两回事。目前主流物理学界倾向于认为暗物质由某种还不为人知的基本粒子组成候选者包括弱相互作用大质量粒子WIMP、轴子axion、惰性中微子等。这些粒子有一个共同特点它们几乎不吸收也不发射电磁波所以看不见它们和普通物质的相互作用非常微弱所以像是幽灵一样穿过你身边。寻找暗物质粒子的实验在全世界不少地方同时推进。有的在地下深处用超高灵敏度探测器等待暗物质粒子碰撞原子核的微小信号有的在南极冰川底下用中微子望远镜寻找暗物质在太阳中心湮灭产生的高能中微子有的在实验室里用强磁场去激发“轴子”这样的超轻粒子。此外大型强子对撞机也在试图通过高能碰撞“制造”出暗物质粒子。到现在为止所有直接探测都还没有取得决定性成果。但这不妨碍我们用引力方式确认它的分布。天文学家已经把银河系周围暗物质晕的形状、密度剖面画出来了我们能算出银晕半径、质量占比甚至连暗物质在星系团中的聚集方式都摸了个大概。可以说“引力来源”这个头衔已经实锤了只差最后一层“粒子身份”的窗户纸。4. 暗能量宇宙膨胀的“动力来源”是怎么用减法发现的4.1 先看宇宙怎样“膨胀”——哈勃定律暗能量的问题要从哈勃说起。1929年天文学家埃德温·哈勃发现绝大多数星系的光谱都向红端偏移红移而且越远的星系红移越大。红移意味着它们在远离我们。哈勃总结出一条线性规律后来被称为哈勃定律v H₀d其中 v 是星系退行速度d 是距离H₀ 叫哈勃常数目前约等于 70 km/s/Mpc。它的意思是每增加 100 万秒差距约 326 万光年星系远离我们的速度大约增加 70 公里每秒。这就像在烤箱里烤一个放了葡萄干的面包。面包膨胀起来每颗葡萄干都看到别的葡萄干在远离自己而且离得越远的葡萄干后退速度越快。星系不是自己在宇宙中乱跑而是星系之间的空间本身在膨胀带着星系一起远离。如果宇宙只有万有引力膨胀速度应该会因为物质之间的吸引而逐渐变慢就像你扔一个球上去它会慢慢减速甚至掉下来。所以到二十世纪末天文学家的默认预期是宇宙膨胀在减速。他们想通过观测超新星来测出这个减速到底有多“狠”结果却意外发现了一个枪都不知怎么开的局面。4.2 用标准烛光算距离再看速度有没有“超预期”怎么测出宇宙膨胀是否在减速你需要对不同距离也就是不同红移的星系同时测出两个量它们的退行速度和实际距离。退行速度可以通过红移直接得到但距离怎么测遥远的恒星太暗、太远很难精确测距。这时候就需要“标准烛光”。Ia 型超新星是天文学里最好的标准烛光之一。它是白矮星吸积伴星物质达到临界质量后发生的热核爆炸爆炸的峰值亮度几乎恒定。你可以把它想象成一种“标准电灯泡”如果你知道某个灯泡本身的瓦数又测到它在远处看起来的亮度就能根据“亮度随距离平方衰减”这个规律反推出它离你多远。观测的难度在于必须找到足够多、足够远的 Ia 型超新星然后记录它们的红移和视亮度。1998年两个独立团队一个由索尔·珀尔马特领导另一个由布莱恩·施密特和亚当·里斯领导几乎同时发布了结果。他们看到的情况是那些高红移的超新星比“宇宙减速膨胀模型”预期要暗得多。“暗”意味着距离更远。红移已经给了你退行速度按理说从红移就能推算距离但超新星亮度显示的距离比红移预示的距离更远。这只有一个解释这些超新星在光线传播的那段时间里被空间膨胀“多带走”了一段路。也就是说它们远离我们的速度不是恒定不变的而是越来越快。你可以想象一个场景一个人从你面前出发按 5 公里时速匀速走走 2 小时应该到 10 公里外。但你先派直升机去看发现他在 14 公里外。这说明他不可能从头到尾都匀速必然是在加速走。超新星就是这个“人”红移告诉你他大概走了几小时亮度告诉你他到了多远的地方。结果他比匀速更远所以宇宙膨胀在加速。4.3 用类比讲透“多出来的动力”——刹车还是油门把宇宙膨胀想象成一辆正在滑行的汽车。宇宙中的普通物质和暗物质都是引力也就是“刹车”——它们都在拉着空间往回收让膨胀减速。在宇宙早期物质密度很高刹车踩得很猛。但随着空间膨胀物质密度被稀释刹车力道应该越来越弱。这本来是一个很舒服的减速滑行图景。超新星观测却告诉你这个车不但没减速反而越开越快。这说明司机踩了油门而且油门力道已经压过了刹车。这个“油门”就是暗能量。暗能量之所以能产生排斥性引力是因为它和普通物质的性质完全不同。普通物质的能量密度会随着空间膨胀被稀释暗能量却很特殊它的密度在整个宇宙膨胀过程中几乎不变甚至可以被当成爱因斯坦广义相对论里的宇宙常数代表空间本身固有的能量。空间越涨越多暗能量的“总量”也越涨越多于是它对空间往外的推力也越来越大。等到暗能量占比超过物质油门就盖过了刹车宇宙进入加速膨胀阶段。4.4 用减法求出暗能量的市场份额你现在知道暗能量是“膨胀加速的动力来源”但它到底占宇宙总能量预算的多少这个问题也可以通过“减法”来回答宇宙中的能量密度总共是多少它可以由宇宙微波背景辐射的纹理精确给出。把普通物质、暗物质、光子、中微子等所有已知成分一项项加起来最后剩下来的缺口就是暗能量。目前公认的结果是成分占宇宙总能量密度比例普通物质恒星、气体等约 5%暗物质约 27%暗能量约 68%普通物质在整个宇宙里只占了 5%剩下的 95% 都是我们看不见也不完全理解的东西。暗能量是其中最大的一份约占三分之二还要多。这个比例也解释了你我手机上搜到的“宇宙加速膨胀”新闻——因为暗能量占大头它的排斥性作用在今天的宇宙里占绝对主导。5. 这套“小学生算法”到底解决了什么又解决不了什么5.1 真正解决的问题用算术把“玄学”拉回现实回顾一下我们做的“手算”核心操作就三步第一用 v² GM/r 预测天体速度第二实测天体速度测出来对不上第三把差额解释为额外引力暗物质或额外斥力暗能量。这三步里没有任何微积分没有张量没有粒子物理标准模型你只需要一台计算器和一点耐心。但这三步恰恰是当年科学家推开暗物质和暗能量这两扇门的原始动力。我特别想强调这个认知方式比记住一堆名词要重要得多。因为它把“暗物质”和“暗能量”从“不明觉厉”的玄学拉回到朴素的计算现实暗物质不是一个模糊的“黑暗阴影”它是你在旋转曲线里求出来的“质量缺口”暗能量不是某种神秘能量波它是超新星亮度与哈勃定律预期之间的“距离差”。一切重要的天文发现最初都藏在数字对不上的地方。5.2 算不出来的部分粒子本质与微观机制当然我也得诚实地泼一盆冷水这套小学生算法能帮你理解“为什么必须有暗物质和暗能量”但不能回答它俩“本质上到底是什么”。暗物质的粒子身份依然悬而未决。银河系中心也许正在发生暗物质粒子湮灭也许多数暗物质根本不和普通物质发生任何碰撞只是安静地参与引力。地下暗物质探测器已经把灵敏度推进到极小相互作用截面但目前没有确认信号。暗能量更是如此它可能是空间本身固有的“真空能”也可能是一种随时间缓慢变化的标量场还可能需要修改引力理论才能解释。这些问题的答案不是纸笔估算能搞定的需要下一代对撞机、下一代空间望远镜以及引力波观测站带来的新数据。所以标题里说“所谓世界难题”我理解成两层意思一层是调侃用小学生能懂的计算原理就能抓住问题的关键另一层是敬畏真正把难题“解决”到粒子尺度人类还有很长的路要走。5.3 一个值得带走的思维习惯用预期与观测的“差额”找突破口最后分享一个我个人从这套算法里提炼出的思维习惯当你发现“预期结果”和“实际结果”对不上时别急着糊弄过去那个差额往往藏着新东西。这个习惯在日常生活中也很管用。记账时预算和实际花的钱对不上说明有笔支出被你忽略了跑步时手表显示的距离和实际距离对不上说明路线或步频有问题。天文学也一样太阳系里速度曲线和预测吻合得很好于是一切平静银河系旋转曲线对不上了于是暗物质登场超新星亮度对不上了于是暗能量亮相。宇宙用这两个“对不上”给人类出了两道题。我们现在知道一道题的答案叫暗物质它贡献了星系里那股看不见的引力另一道题的答案叫暗能量它提供了让宇宙膨胀加速的动力来源。你能亲手算出这两个答案就已经比很多只记名词的人更接近科学的本质了。接下来的事就是保持这份对“差额”的好奇心等下一代实验给出更底层的答案。