中科院国家天文台陈学雷：宇宙还有95%是未知的

今年春节，科幻片《流浪地球2》火爆了所有人的朋友圈。身边无数看过这部电影的朋友都大呼过瘾、震撼！截至目前，其总票房已超过30亿。

优秀科幻巨制，破纪录的票房背后，是人们对灿烂星空、浩瀚宇宙的好奇与敬畏。

关于宇宙，我们究竟了解多少？

宇宙的主要构成是普通物质吗？

流浪地球计划真的可行吗？

第一个提出流浪地球设想的人是谁？

宇宙的终极命运是什么？

2023年1月，混沌文理院第四期第五模块“现代宇宙学与宇宙未知之谜”在古城长沙开课。中国科学院国家天文台研究员陈学雷老师带领同学们一起“仰望星空”，探究宇宙背后那鲜为人知的暗能量，解答了同学们对宇宙学问题的重重疑惑。

陈老师的课程分为以下两个部分

第1讲：现代宇宙学

第2讲：宇宙未知之谜

本文选取了课程中第2讲的前两个小节的小部分内容，回答了“什么是暗物质”和“什么是暗能量”这两个宇宙学中的核心问题。

混沌文理院为混沌旗下文理教育品牌，今年已经第五年。我们致力于邀请国内著名教授、学者，为学员提供涵盖哲学与世界、生物与宇宙、艺术与美学、认知与系统、政治与法律、思想与文化等板块的专业文理教育。文理院五期正在招生。

以下为陈老师的分享。

宇宙还有95%是未知的

我有一个天文学家的同事写了本书，这本书的书名很有意思，《一想到还有95%的问题留给人类，我就放心了》。

宇宙中70%多是一种东西叫做暗能量，20%多是另外一种东西叫暗物质，4.8%是我们熟悉的诸如原子、分子这些普通物质。

也就是说，宇宙中95%都是我们不知道的暗物质和暗能量。所以，你可以说我们很了解宇宙，也可以说我们很不了解宇宙，95%的宇宙是不知道的。

要是都已知的话，我们就要失业了，还有95%是未知的，还可以继续研究下去。

我们是如何知道有暗物质的？

宇宙中20%多是暗物质，我们是怎么知道有暗物质的？

关于这个问题，历史上有一个成功的先例，就是海王星的发现。牛顿提出了万有引力定律以后，天文学家进行观测，当时人们认为太阳系有六颗行星，就是水星、金星，地球、火星、木星、土星。有了望远镜以后，一位英国天文学家叫赫歇尔，他在观测当中意外地发现了一颗新的行星，也就是天王星。

在发现了天王星以后，大家继续观测它的运行，发现天王星运行的状态跟牛顿理论的预测是不一样的，那是不是牛顿理论错了？

当时有两位学者，一位是英国学者亚当斯，另一位是法国学者勒维耶，他们两个都是做数学研究的。他们认为并不是牛顿理论错了，而是还有一颗我们不知道的行星在它附近运行，这颗不知道的行星干扰了它的轨道，所以导致观测到的轨道和牛顿的理论不一致。

这两位都是数学方面很强的人，他们各自进行了计算，各自独立做了研究，预测有一颗未知的行星在那里。亚当斯预测完就给当时的英国皇家天文台台长写信，他说在什么地方应该有个东西，你去观测一下。英国皇家天文台的天文学家不太相信他说的，没有理睬他。勒维耶也给德国一个叫盖尔的写了信，他们相信了他，去观测了一下，结果真的就在那个预测的地方发现了一颗行星，这颗行星后来就被命名为海王星。

我们一开始不知道有海王星，但是海王星的引力被探测到了，科学家就预测那里有东西，结果真的成功了。所以海王星在当时来说就是一种暗物质，因为海王星其实有反光，但是它反光不太强，所以人们一开始并不知道。这是一个通过引力来发现未知物质的先例。

虽然我们还不知道暗物质在哪儿，但是我们可以根据它的引力效应推测它的存在。

地球可以去流浪。

暗物质的发现者，

也是第一个设想流浪地球的人。

现代暗物质最早的发现者是茨威基，他是一个有各种奇思妙想的人。最近很多人去电影院看了《流浪地球Ⅱ》，带着地球去流浪，大家都以为是刘慈欣脑洞大开，实际上最早想到地球可以流浪的是茨威基。他曾经想过，太阳变成红巨星的时候怎么办，他就想到了流浪，地球可以流浪，可以跑到别处去。

他在观测星系团以后测量出星系团里有很多星系，星系都在快速地运动，它为什么能够快速运动而不飞散？肯定是星系团当中有物质在吸引它，把它吸引住了，我们可以根据它运动的速度推算出有多少物质，如果物质太少引力不足以束缚它，它就跑散了。

星系团里有哪些星系，每一个星系有多亮，如果我们假定这些星系里的恒星都跟我们太阳系周围的恒星差不多的话，我们就可以推算出它们有多少质量。茨威基做了测量以后发现差得非常远，差了几十倍到几百倍，所以他认为星系团当中是存在着大量的不发光物质，他就给这种物质起了个名字叫暗物质。

当然，最早他是针对一个星系团来研究得到的结果，也就是说当时就测了这一个星系团，但是后来我们也看到很多星系团都是这个样子。

                   F.Zwicky                                                   星系团

虽然茨威基发现了这一点，但是在很长一段时间被忽略了，因为天文里头各种不好解释的现象很多，当时这只是一个孤例，说明不了什么问题。

引力透镜效应：暗物质存在的又一证据

一个更直接的证据是引力透镜效应，哈勃望远镜拍摄的一个星系团阿贝尔2218，在星系团里可以看到有很多星系，但是除了这些星系以外还有很多一道一道的光弧。

光弧的出现不是因为哈勃望远镜的透镜有问题，光弧的产生是因为离得很远的星系产生一个引力透镜效应，光在传播的过程中，星系团的引力作用发生了偏折，所以星系团的作用就像光学系统当中的一个透镜的效应，这样的话我们就能看到这些呈出来的多个像或者光弧。

根据这些光弧，我们可以推算星系团体的质量有多少，结果发现质量远远多于我们看到的物质。

暗物质是什么？谁都搞不清楚

根据现在的粒子物理，物质的组成成分有哪些？有一类叫夸克，像原子核里边，实际上是有一些叫夸克的东西组成的；还有一类叫做轻子，轻子里大家比较熟悉的是电子，除了电子以外还有u子和T子，然后每一个粒子还对应了一个中微子，就是e电子中微子、u子中微子和T子中微子，通常我们观测到的物质就是这些。

除了这些通常的物质以外，还有传递力的一些特殊的粒子，比如我们最熟悉的就是光子，光子是传递电磁相互作用力的，是规范波色子；传递夸克之间相互作用的叫交子；传递中微子和电子之间弱相互作用的叫做W玻色子和Z玻色子；大概10年前又发现了最后一种叫希格斯的粒子，希格斯玻色子。以上就是现在标准的粒子物理模型所知道的所有粒子。

暗物质是其中哪一种粒子？现在的结论是都不是，哪一种都不满足暗物质的性质。

首先我们看暗物质是不是不发光的普通物质。其实有很多普通物质在一些形态下是不发光的，比如煤袋星云，它是个暗云，衬在背景上，实际上是由一些尘埃组成的，它不发光。但是我们去找了很多也没找到，而且更关键的是根据大爆炸理论，如果有更多的普通物质的话，它形成的氢和氦的数量跟我们现在预测的就不一样了，这样就会导致它形成的氦的数量要更多，氢的同位素氘的数量要更少，所以跟观测图不一致。另外微波背景辐射那个功率谱也会跟现在测量到的不一致，所以基本可以把可能性排除了。

煤袋星云

在标准模型里，本来最有希望的是中微子。中微子是不带电的，只参与弱相互作用，所以很难探测，中微子可以轻松穿过太阳、穿过地球，我们都探测不到，从这个角度来说好像它可以作为暗物质。

早期确实有一位苏联科学家提出了这种设想，他也是苏联核弹的主要设计者之一，他提出暗物质是中微子。如果中微子是暗物质的话会发生什么？宇宙学家进行了预测：由于中微子质量比较小，它会快速地运转，在宇宙早期如果有大量中微子存在，形成物质，形成星系，会先形成一些叫热暗物质的东西。因为早期的时候运动得太快，所以管它叫热暗物质，它会把小尺度的这些涨落给抹平，最后形成的就是特别大质量的一些星系团，然后星系团再散裂成星系。反之，就是实际上我们看到的，正好与它相反的冷暗物质。冷暗物质就是物质运动得很慢，质量很大，会先形成小的星系，然后再形成大的星系。介于两者之间的是温暗物质。现在的观测就是冷暗物质和温暗物质还可以，热暗物质在1980年代的时候就被观测排除掉了。

所以我们不知道暗物质是什么，但是我们已经知道有些东西肯定不是，像普通物质和中微子，这样一来就把标准模型里稳定的物质都排除掉了。

有的科学家认为暗物质是一种我们未知的新的粒子。

宇宙的主要成分——暗能量

大家关心的一个更大的问题，就是占宇宙75%的暗能量，我们更不知道它是什么了。暗能量是在1998年才真正被发现的，之前大家不知道有这个东西。

暗能量的发现源于对超新星的观测。

通常来说，像太阳这样的恒星演化到最后就变成红巨星、白矮星、行星状星云，但质量较大的恒星最后不是这样，它最后会发生爆炸，变成超新星；还有一种超新星，像太阳这种小质量的恒星演化到最后会形成白矮星，如果单纯就是一颗白矮星，它就留在那儿了，也没有什么。但是实际上我们发现恒星往往是成对出现的，两颗恒星在一起形成一个双星，其中一颗会先变成白矮星，另一颗还没有，变成白矮星以后它会把另一颗星的物质给吸过来，吸过来以后物质就落到白矮星上堆积起来，堆积到一定数量压力增大到一定程度，白矮星吃不消了，就会发生爆炸，这是另一种超新星。

这个承受不了的程度叫做钱德拉塞卡极限，这是一个固定的量。

寻找超新星非常难，1998年有两个团队都在寻找超新星，他们的办法是对着一块天空盲拍，然后过一个月再拍一张照片。他们把一小块图片放大，对比三个星期前和三个星期后的图片，发现有的地方稍微变亮了一点。找到这种异常的现象以后，再用望远镜进一步观测，就能看到这颗超新星，他们当时找了40几颗超新星。观测的结果和预测产生了很大偏差，所以当时他们对得到的结果也不太相信，认为自己搞错了，他们也不知道对手得到什么结果，所以当时非常紧张，最后这两个团队都一点一点公布了结果，这导致人们无法判断到底是谁先公布的结论，最后诺贝尔奖就颁给了他们两个团队，承认他们都做了贡献。他们的观测结果是一致的，就是发现确实宇宙当中有这种暗能量。

为什么叫暗能量？

暗能量其实也是一种物质，只是它的特点和普通的物质不一样，普通物质或暗物质，都是产生万有引力的，也可以说普通物质是使时空朝一个方向奔去的，暗能量是使时空朝另一个方向奔去，抵消万有引力的，也可以说是反引力或者斥力。

爱因斯坦当年引入了一个叫宇宙学常数的东西，如果普通的东西是使时空朝一个方向弯曲，假如有一个东西能够把它给拽平了，往上拉起来，跟普通的东西是正好反着的，那宇宙不就可以静止了吗？所以爱因斯坦引入了宇宙学常数。

暗能量其实正好跟宇宙学常数的性质差不多，也是使它朝反方向弯曲，这样的话宇宙的膨胀本来是减速的，有了暗能量就会加速。所以我们前面说这是爱因斯坦最大的错误，但是爱因基斯坦太伟大了，虽然当时他认为宇宙静止是错的，他错失了宇宙膨胀，但是他引入的宇宙学常数竟然是对的。

到底宇宙的命运是什么？

宇宙膨胀导致宇宙的命运是什么？宇宙的命运很大程度上是由暗能量状态方程决定的。因为暗能量占75%，这个量很大，起决定性作用。另外我们基本上知道普通物质、暗物质随着宇宙膨胀会怎么演化，暗能量我们不太知道，它怎么演化取决于它自身的状态方程，状态方程就是它的压强和它的密度之间的一个关系。

如果说没有暗能量的话，宇宙的命运就是弗里德曼得出来的结论，封闭宇宙膨胀到一定程度，就会收缩，当然收缩完以后会发生什么不知道，有可能会反弹，也有可能不会。如果是平直宇宙，就一直膨胀。如果是弯的，开放宇宙，也是一直膨胀。现在加上暗能量，如果暗能量就是宇宙学常数的话，宇宙也是一直膨胀，而且越膨胀越快。

我们现在的宇宙里头有很多星系，140亿年是我们今天的宇宙，宇宙演化下去，这些物质随着膨胀，它们离我们越来越远。540亿年的时候，就剩我们这一个星系了，但是我们勉强还能看到远处的星系，继续膨胀下去，周围这些星系就都消失在远方了，那时候如果地球上一些天文学家去观测宇宙，他们就很悲哀了，他们根本不知道有宇宙大爆炸的事，看到的就是茫茫夜空，什么也没有。

银河系如果持续演化会发生什么？银河系里头有很多恒星，这些恒星演化着演化着，最终有一定的几率会撞上，恒星演化到最后，燃料耗尽以后，或者是超新星，或者是白矮星，或者是黑洞。最后这些东西相互作用，越来越密集，最后都掉到一起，都掉到一个大黑洞里面去。

大黑洞又会怎样？按照霍金的理论，黑洞会缓慢地蒸发，但是蒸发的速度非常之慢，所以它在很长时间里就是一个大黑洞。

有一种可能性是随着宇宙膨胀，暗能量越膨胀越多，宇宙就进入了一种奇异的状态，通常叫做大撕裂状态。因为量越来越多，到后来就剩星系了，但是星系本身是稳定的，随着宇宙的演化，暗能量越来越多，最后它在星系里的密度就会超过星系里普通物质和暗物质的密度。前面我们讲暗能量的作用相当于万有斥力一样，所以星系本来已经是互相吸引都附着在一起了，暗能量太多以后它就把星系给拉散掉了。

它继续增多以后，在我们的星系里，最后它的密度会超过地球的密度，在万有引力的作用下把地球也拉散掉。地球上的各种物质是由原子组成的，原子核和电子之间存在电磁相互作用，电的力通常比万有引力要大很多。但是如果它可以一直增加下去，它最后会超过电的力，把原子也给拉散了，最后整个宇宙就会进入一种叫做大撕裂的状态，把所有东西都给撕开了，宇宙就进入了一个我们谁也说不清楚到底是什么的状态了。

我们从逻辑推理上是这样，但实际上我们并不知道是不是这样的，因为暗能量的性质到底是什么我们并不知道，天文学家能做的事情就是把状态方程测出来，根据状态方程去推测暗能量到底有什么样的性质。