暗物质（dark atter）详解

1 暗物质是什么？

暗物质是一种不可见、不发光、不与电磁波相互作用的物质，但它通过引力效应影响宇宙中的天体运动。科学家通过观测星系旋转曲线、引力透镜、宇宙大尺度结构等现象，推断其存在。

2 关键证据

星系旋转曲线异常（vera rub, 1970s）：

按照牛顿引力理论，星系外围恒星速度应随距离下降，但观测发现其速度几乎恒定，表明存在额外引力来源——暗物质晕。

引力透镜效应（如子弹星系团1e 0）：

光经过大质量天体（如星系团）时弯曲，但观测到的引力效应远超可见物质的总质量。

宇宙微波背景辐射（b）（wap/pnck卫星）：

b涨落模式显示，普通物质仅占宇宙总质能的约5，而暗物质约占27。

3 暗物质的可能组成

暗物质可能由尚未发现的非重子粒子（即不包含质子和中子）构成，主要候选理论包括：

wips（弱相互作用大质量粒子）：

如超对称理论预言的中性伴随子（neutralo），质量可能是质子的倍。

实验：地下探测器（如xenon1t、lz、中国锦屏实验室）试图捕捉wips与原子核的碰撞。

轴子（axion）：

极轻的假想粒子，为解决强cp问题提出，可能通过电磁场振荡被探测（如adx实验）。

其他可能：

原初黑洞、惰性中微子（sterile neutro）、奇异暗物质（如qball）等。

4 暗物质的作用

宇宙结构的“骨架”：

在早期宇宙中，暗物质通过引力率先聚集，形成“宇宙网”，普通物质随后落入其中形成星系。

维持星系稳定性：

暗物质晕防止星系因高速旋转而解体（如银河系）。

5 未解之谜与挑战

直接探测尚未成功：

目前所有地下实验（如xenonnt、pandax）均未发现wips的确切信号。

替代理论的可能性：

部分科学家提出修改引力理论（如ond），但无法解释所有观测现象（如子弹星系团）。

暗物质与标准模型的联系：

暗物质粒子是否属于超对称理论？还是需要全新物理？

6 未来研究方向

下一代探测器：

更高灵敏度的暗物质实验（如dar、supercds）。

对撞机探测：

大型强子对撞机（lhc）可能产生暗物质粒子。

天文观测：

总结

暗物质是宇宙中看不见的“胶水”，主导了星系和宇宙结构的形成，但其本质仍是物理学最大谜题之一。未来实验可能揭示它是某种新粒子，亦或指向更深刻的物理规律。

暗能量（dark energy）详解

1 暗能量是什么？

暗能量是一种充斥全宇宙、具有负压强的神秘能量，它导致宇宙膨胀速度不断加快。宙总质能约 68，是主导宇宙演化的关键成分。

2 关键发现与证据

超新星观测（1998年诺贝尔物理学奖）：

通过ia型超新星（标准烛光）发现，宇宙膨胀速度在约 50亿年前开始加速，而非如预期减速。

宇宙微波背景辐射（b）：

pnck卫星数据表明，宇宙平坦性要求存在暗能量（与普通物质、暗物质共同构成临界密度）。

大尺度结构：

星系分布和重子声波振荡（bao）测量支持暗能量的存在。

3 暗能量的可能本质

目前主流理论包括：

宇宙常数（Λ）（爱因斯坦的“最大失误”？）：

动态暗能量模型：

qutessence（精质）：一种随时间演化的标量场，能量密度可变化。

幽灵场（phanto energy）：能量密度随膨胀增长，可能导致“大撕裂”（big rip）结局。

认为广义相对论在宇宙尺度需修正，无需引入暗能量。

4 暗能量的作用

驱动宇宙加速膨胀：

暗能量的排斥性引力（负压强）对抗物质引力，导致膨胀越来越快。

决定宇宙终极命运：

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5 未解之谜与挑战

宇宙常数问题：

巧合性问题：

为什么暗能量密度 今天 才与物质密度相当？（否则早期宇宙结构无法形成。）

是否存在更复杂的动力学？

暗能量会随时间变化吗？（下一代观测或将揭示）

6 未来研究方向

更精确的超新星巡天（如lsst、wfirst望远镜）。

宇宙微波背景辐射极化测量（如bs4实验）。

暗能量光谱仪（desi）：绘制3d宇宙地图，研究膨胀历史。

对撞机与量子引力理论：

暗能量可能与量子真空或弦理论中的额外维度相关。

总结

暗能量是宇宙加速膨胀的“幕后推手”，但其本质仍是物理学最大谜题之一。它可能涉及真空能、未知场论，或更深刻的时空理论。未来观测和理论突破或将揭开它的真面目，甚至改写我们对引力与宇宙的认知。

以下是它们的核心概念、区别及研究现状：

1 暗物质（dark atter）

是什么：

暗物质是一种不发光、不与电磁波相互作用的物质，仅通过引力效应被探测到。其存在最早由星系旋转曲线（星系外围恒星速度异常）和引力透镜现象间接证实。

特性：

可能由未知粒子（如wips、轴子等）构成，但尚未被直接探测到。

主导了星系和星系团的结构形成，是宇宙结构的。

研究现状：

实验如x、xenon1t等试图捕捉暗物质粒子，但尚无确凿证据。

理论模型包括超对称粒子、额外维度理论等。

2 暗能量（dark energy）

是什么：

暗能量是一种充斥空间的能量形式，驱动宇宙加速膨胀。其存在由超新星观测（1998年诺贝尔物理学奖）和宇宙微波背景辐射证实。

特性：

具有负压强，导致时空本身膨胀。

可能是爱因斯坦广义相对论中的宇宙常数（真空能），或某种动态场（如第五种力）。

研究现状：

主流模型仍依赖宇宙常数，但无法解释其微小且巧合的数值（精细调节问题）。

替代理论如qutessence（动态标量场）仍在探索中。

3 核心区别

特性 暗物质 暗能量

作用 通过引力聚集物质 通过负压强推动空间膨胀

分布 集中在星系周围 均匀遍布全宇宙

时间效应 早期宇宙主导结构形成 近期宇宙（约50亿年前）开始主导膨胀

理论候选 冷暗物质粒子（如wips） 宇宙常数/动态场