揭开暗物质之谜的三个方面

直接观测目前，已经有人在利用地面上的高灵敏度探测器寻找暗物质的候选者，包括重中性粒子和轴子。

粒子物理学的进展如果我们能够更多地了解有哪些类型的粒子可以在超早期宇宙中存在，那么，我们就可以计算出在大爆炸的最初一微秒之后，有多少奇异粒子保留下来，它们对暗物质的贡献又有多大。

对星系的形成以及大尺度结构进行模拟星系是什么时候、以什么方式形成的？决定星系簇的形态的主要因素又是什么？我们可以先假设暗物质的组成，然后根据这种假设，在计算机上模拟星系的形成。如果根据某种假设，能模拟出与实际观测值十分接近的结果，那么，这至少可以说明，这种假设比别的假设更能反映实际情况。

宇宙学家把实际密度与临界密度的比值记为Ω。当然还应当存在足够的暗物质使Ω=0.2。直到最近，我们仍不能把处于星系簇之间的比这一数量多几倍的物质（对于临界密度，Ω=1）排除在外。但是现在看来，原子和暗物质对临界密度的总体贡献不会超过30%。

我们永远不能确定，我们观测不到的区域所遵循的新物理学是否有可能与我们能够看到的这部分宇宙所遵循的物理学不同。但是，附带着这些条件，如果两者之间存在着差别，那么宇宙将很有可能永远膨胀下去，星系将会慢慢地消散开来。当内部的恒星全部死亡，物质被古老的白矮星、中子星和黑洞吸收之后，它们也就消失了。

而且有证据表明，在宇宙的尺度上，还存在着克服引力的额外排斥力。对远处超新星的红移和亮度所进行的研究提示人们，星系消散的速度可能在加快。科学界把这一发现当作是1998年各个领域中的最重要发现（或许还嫌早了点）。如果这项工作得到了证实，那么可以断定宇宙的密度会比原先所认为的更小。在我们所在星系群之外的所有星系都将加速远离我们而去，当它们的红移呈指数式地接近无穷大时，它们就从我们的视野中完全消失了。

在宇宙的大尺度结构上存在着斥力，这一思想可以追溯到1917年。那时，爱因斯坦在他的场方程中引入了一个特殊的项，他称之为宇宙学常数。他引入这一项的目的，是要求出宇宙的一个静态解。在静态的宇宙中，斥力与引力相互抵消了。后来，哈勃发现宇宙实际上是在膨胀的，所以爱因斯坦放弃了这一思想，并认为这是他犯下的“最大错误”。然而，根据我们现在的看法，宇宙学常数可以被视为潜伏在真空中的暗能。它将导致一种排斥作用，因为根据爱因斯坦方程，引力不仅决定于物质的密度，它还跟压力有关，如果压力是负的，并且足够大，那么净效应就是排斥的。

宇宙学常数对应于真空能，它不随宇宙的膨胀而发生变化。宇宙学家近来暗示，可能还存在着其他形式的暗能，在那种形式下，负压可以逐渐衰减。

根据超新星的红移和亮度，我们可以推断宇宙中存在着某种暗能，它使得宇宙在加速膨胀。除此之外，还存在另外一个线索。大爆炸理论告诉我们，那些微波背景辐射发生微小起伏的方位对映着可见宇宙的最远距离处。但是，它的角度大小还取决于宇宙的几何性质。(www.xing528.com)

现在，实验工作者已经把这个多普勒峰的角度大小大致确定了下来，测量误差小于10%。测量的结果与“平坦”宇宙相一致。与此相反，如果除了重子和暗物质（它们对Ω的贡献在0.2到0.3之间）之外，没有其他质能，那么这个角度的大小将只有测量值的二分之一。但是倘若把暗能计算在内，两者之间的差别是完全可以消除的。既然宇宙是平坦的，我们就只能认为这种占主导地位的暗能是确实存在的，而且正是它驱使着宇宙在加速膨胀。从1998年到现在，仅仅经过两年的时间，人们就成功地对这几个从表面上看来并没有太大关系的观测结果进行了解释，并且还确定了一个描述我们宇宙的关键参数。看来我们的宇宙是平坦的，重子提供了4%的质能，暗物质提供了20%到30%，剩下的都是由暗能提供的，为66%到76%。宇宙的平坦性，证实了“暴涨理论”（后面将要讨论）的预言。宇宙加速膨胀的原因是，提供负压的暗能在宇宙中占据主要地位。但是，看来好像没有什么自然而然的机制能把这三种成分分开。

这些数字怎么解释呢？基于精确的均匀性和各向同性的简单宇宙学模型为什么会与观测结果符合得这么好呢？初看起来，宇宙更有可能是完全混乱和无序的。如果这些问题真的有答案的话，那么答案必定存在于宇宙历史的最初一瞬。

20年前，宇宙学家们就怀疑宇宙的这种均匀性来自于在宇宙极早期发生的一次不同寻常的事件。他们认为，那时发生了一次剧烈的宇宙排斥运动，它大大地加速了宇宙膨胀的进程。

在宇宙诞生之初的10-35秒内，宇宙由一个微小的时空点呈指数式地向外膨胀开来，在这个过程中，宇宙被抹匀了。

我们的宇宙是从一个极小的时空点膨胀而来的，这一思想格外吸引人。现在，我们不把膨胀看作是初始条件，而单从物理的角度来考察。初看起来，宇宙诞生的过程就像“无中生有”一样，但实际上并不是这样。因为，在某种程度上，我们可以认为宇宙的净能量为零。我们知道，每个原子都具有质量，所以它们都是有能量的（爱因斯坦的质能关系：E=mc2）。但是因为存在着引力，所以它还具有负能。比如，我们在地球表面上所具有的能量就比在太空中所具有的低。由于其他物体的作用，我们会带有负的势能。而且这部分势能会因抵消掉我们剩下的质能。因此，宇宙在膨胀过程中实际上并没有消耗任何东西来增加质量和能量。

1981年，阿兰·古斯（Alan Guth）在别人工作的基础上提出了暴涨的概念。虽然这个思想涉及到某些极端的没有经过检验的物理学，因而仍然缺少令人信服的物理基础，但是它并不只是形而上学。观测的结果证实了它的一个预言（即，宇宙将会被拉平）。况且在原则上，观测的结果可以加固它的理论基础。比如，我们知道宇宙早期的微小波纹是形成星系和星系簇的种子，它可能是一种量子涨落；当整个宇宙处在微观尺度的时候，还留有它的烙印，但是没过多久它就被暴涨给抹平了。在某种程度上可以断定，目前宇宙的不均匀性取决于暴涨的过程，所以，通过观测，我们将可以探测到这一极端的物理过程。或许，它还会帮助我们理解暴涨产生的原因。

根据暴涨宇宙的某些变量，可以认为，我们的宇宙大爆炸并不是唯一的。安德烈·林德（Andrei Linde）、埃里克斯·维林金（Alex Vilenkin）还有其他一些人都支持这样的观点。这个稀奇古怪的想法戏剧性地扩大了我们的本体概念。我们宇宙的整个历史可能不过是一段小插曲而已。现在炙手可热的超弦理论可能会向我们提供另外一些令人着迷的方案来。