古希腊哲学家认为这个世界是由四种元素组成：土，气，火和水。至于要弄清楚我们的天穹是什么组成的，人们倾向于需要引入另一种物质－以太（Quintessence）－这一第五种元素来自圆其说。人们以为以太是组成宇宙的一份子，但是这种物质究竟是什么却超出了当时人们认知的界限。
　　近些天来，物理学家们面临着同样的问题。我们周围可见的由原子构成的物质，似乎不足以用来诠释整个宇宙的成分。能量和物质就如同是一枚硬币的两个面，因此一份“宇宙组成成分表”应该包含两者各自的含量。
　　最近的研究表明，一些“不可见”的能量，虽然其本质不被人们所了解，但却占据了大约三分之二的宇宙总“能量密度”。同时那些具有质量的，神秘莫测的“物质”－或者被人们称作为“暗物质”（Dark Matter）的东西－占据了另外四分之一的宇宙质量与能量的总和。而剩下的则是人们平常所熟知的的普通物质。但是，这却一点也不平常。包括地球上的每个原子，以及天穹中每一颗闪亮的星星和宇宙空间中的每一粒尘埃在内的所有的物质，只占据宇宙成分表的5%。
　　我们所熟知的原子物质－也即组成恒星、行星以及我们自身的物质－并不是宇宙的全部物质。这样的猜想在19世纪30年代被提出。这来源于Fritz Zwicky－一位瑞士天文学家－注意到星系运动中的一些不平常的现象。星团的运行速度可以由其引力场的大小计算得到；星团的引力场的大小则可以由所观测到的其可见物质的质量所推得。而Fritz Zwicky则观察到那些星团实际的运动速度，要比由它们可见物质的质量代入计算得到的理论运动速度大得多。Jan Oort，当时的一名荷兰人，在离地球比较近的恒星身上也观察到了同样的事情。显然，在宇宙中存在有一种物质，而且是非常多的这种物质，在产生引力的同时却不发出或者反射任何光线。Zwicky当时将它命名为“暗物质”（Dark Matter）。在那个时候他估计这种物质的含量将远远超过我们所熟知的物质的含量，两者比例大概是十比一。
　　一开始，人们认为所谓的“暗物质”其实只是不会发光或者不被看到的普通物质罢了－比如孤儿行星（不围绕任何恒星公转的行星）。但是随着对微波背景辐射（CMB）－从宇宙大爆炸遗留下来的弥漫在宇宙各处的辐射－研究的深入，人们发现宇宙大爆炸所能创造出来的普通物质的数量存在理论上限。而如果那些在数量上占绝对优势的“暗物质”都只是不发光的普通物质的话，这样的理论上限是太小了。也即在理论上是远远不可能存在那么多的普通物质的。

　　现在，“冷暗物质”－人们称呼这种目前还不了解的物质－被认为是由，除了具有引力之外不会以任何方式对普通物质产生作用的成分，所组成。科学家们所熟知的中微子（译者注：中微子也是只参与弱相互作用及引力作用）是一种弱相互作用粒子，但是科学家发现仅靠中微子不足以维持宇宙的物质平衡。为了有效区分中微子与人们所寻找的这种成分，研究者称这种组成“冷暗物质”的成分为“大质量弱相互作用粒子”（Weakly Interacting Massive Particles），或者简称WIMPs。

可观到的相当大的引力引发的难题
　　在19世纪80年代，随着基于冷暗物质的模拟计算的结果与天文学家所观测到的详尽的星系团的分布一步步吻合，人们就认为似乎这两种物质－暗的和可见的－就构成了宇宙的全部。然而在1990年，一份基于对200万个星系研究所得到的报告却指出它们仍不是宇宙的全部。尽管物质的万有引力使物体之间相互吸引，但宇宙中却存在另外一种力量将它们彼此推开－这种力量是如此地强，以至于它塑造了我们现今宇宙的样子。
　　关于这种力量的故事始于1915年。爱因斯坦在即将完成他的广义相对论时，发现他的理论预测出来宇宙的大小是可变的，这与当时人们所广泛接受的，尤其是被他认同的宇宙的大小是固定不变的这样的观点是矛盾的。
　　宇宙的体积在变化这样的结论，其实早就存在于Vesto Slipher－一位美国天文学家在几年前的观测数据之中。Vesto Slipher曾测量过那些遥远的星系的速度以及它们离地球的距离。他发现离地球越远的星系远离地球的速度越快。Edwin Hubble，另一名美国人，在1929年也得到了相同的结论。
　　一种对于这些观测结果的解释即认为空间本身就在扩张。爱因斯坦，当时面对着“宇宙大小可能是在变化的”这一令人不安的推论，用一个“宇宙学常数”（Cosmological Constant）来修正他的方程以规避这个问题。宇宙学常数用希腊字母lambda来表示，它的值则设定为某一常数以使得模型中宇宙的大小是固定不变的。Slipher以及Hubble的发现则迫使他丢弃“宇宙学常数”，他之前的预言宇宙是在膨胀的方程无疑是正确的。
　　然而在1990年的研究之后，一些人又提议应当再次引入宇宙学常量－lambda以修正一些东西。但这一次不再是保持宇宙静止不变，而是保持宇宙膨胀。这些争论一直持续到1999年，当时有两组天文学家在研究离我们最远的（同时也是最古老的）可观测到的超新星时发现Slipher以及Hubble所整理的星系远离速度与星系离地球距离的关系与早期宇宙中的并不相同。这就意味着宇宙在大爆炸之初经历了极其剧烈而短暂的膨胀－也就是所说的“暴涨”（Inflation）－之后，宇宙空间的膨胀发生了减速，早期宇宙的膨胀速度比现在要慢。然后宇宙的膨胀又再次加速。因此，宇宙不仅仅是在变大，而是在加速变大。

　　紧接着这次发现之后，Michael Turner，一个宇宙学家，给驱动宇宙膨胀的这种力量起了一个名字：“暗能量”（Dark Energy）。这种力量的效应全被包含在那个被再次复活的“宇宙学常数”之中。现在，“lambda-CDM”对应于冷暗物质常量，已经成为了现今宇宙学中的一条“黄金规律”。
　　检验lambda-CMD的一个最佳途径就是CMB（宇宙背景辐射），CMB现已经被一连串的天文望远镜以前所未有的精细程度验证过。与其讲宇宙背景辐射是各处均匀一致的，不如说宇宙背景辐射布满了涟漪与热点。虽然那些波动的地方其值与均值的差别是极其微小的－只有几十万分之一度的偏差，但是却能够说明一些东西。
　　Lambda-CMD模型将宇宙简化为有六个简单部分的方程。当这个方程达到平衡并将理论与观测结果－譬如欧洲天文望远镜Planck所测得的达到不可思议的精度的CMB－精确地贴合时，方程就可以被用来简洁地解释在宇宙更广范围内的现象。人们发现当宇宙成分表为：含有68.3%暗能量（比之前的预估稍小），26.6%暗物质，4.6%普通物质以及0.3%中微子时，lambda-CMD模型与Planck所测的的宇宙背景辐射图符合得最好。

解开谜团
　　虽然弄清楚了这些成分各占多少，但是那些成分究竟是什么？由相对论我们可以知道，由于物质有质量，它可以使光线弯曲。这样可以产生一种叫做“引力透镜”（Gravitational Lensing）的现象。天文学家已经能熟练于还原遥远的普通物质物体的在光线传播途中被暗物质所扭曲的图像。他们所发现的是一个宇宙暗物质细丝网（Cosmic Web）。巨大的块状的以及修长的丝状的暗物质散播在整个宇宙空间，牵引着由普通物质的星系，一起存在于宇宙之中。
　　现今有三种实验旨在探寻组成那个暗物质细丝的WIMPs究竟是什么。其中最简单粗暴的就是尝试直接捕获WIMPs。由于弱相互所用并不是不作用，因此WIMPs有可能偶尔撞入原子之中，同时释放出一点点的能量。大约有12个WIMPs捕获机已经在地底下深处的实验室建成，以用于测量由这种碰撞所产生的热量、光或者声音的踪迹或者痕迹。
　　另一种思路是寻找暗物质反应过后的遗留物。很多理论认定WIMPs是其自身的反粒子（Antiparticle）－也即暗反物质（Dark Antimatter）－如果你愿意这么叫的话。当物质和反物质相遇时，它们会发生湮灭（Annihilate）并发出一道光。既然有那么多的反物质，那么很多地方都应当在发生着湮灭，并发出一道道具有特定颜色的光。天文学家正在寻找堙灭发出闪光最剧烈的地方，也即暗物质的密度达到峰值的地方。这些地方可能在星系的中央，比如银河系的中心。
　　或者你可以直接在实验室中制造WIMPs。这需要我们目前所能获得的最高能级的粒子碰撞。需要用到现在在瑞士的大型强子对撞机（Large Hadron Collider）。机器的使用者加速那些粒子汤，有一定的几率可以撞出极其微小量的暗物质。
　　同时，暗能量，则像是一个更狡猾的小猛兽，难以捕获。理论学家们认为暗能量不可能从任何他们可制造或者可观测的粒子身上显现。人们推测暗能量在整个宇宙中的分布是均匀的，当然也会均匀地弥散在所有地球上的实验室中。但是其强度是及其微弱的。有人曾经使用一种叫做扭转平衡的老式方法来将暗能量的影响区分开来，结果是一无所获。还有一些实验是通过使用中微子观测其在微米尺度上的引力畸变（Gravitational Weirdness）但是仍徒劳无功。弄清楚暗能量的本质，恐怕也需要采取和发现暗能量时一样的方法－仰望星空。
　　有很多种实验方法，一种最简单的方法是以极其精确的精度测量不同年代的超新星以及星系相隔的距离，从而绘制出更为详尽的关于两种力量互相较量的宇宙图景。这其中一种力量是指物质的使其互相吸引的引力的力量，另一种则是暗能量的促使宇宙膨胀的力量。
　　另一些比较精巧的方法也可以用来从这些相同的实验数据中榨出更多的价值。在宇宙形成初期，光与物质来回互相挤压产生压力波。早期宇宙不断膨胀，物质在被称作是“重子声学震荡”（Baryon Acoustic Oscillation）中逐步分散：在波峰处分布更致密而在波谷处分布更稀疏。绘制这些震荡在距离地球远近不同的地方的物质分布上所留下的印记，将有助于揭示更多暗能量在宇宙演化过程中的影响。

　　第三种用于揭示前文所述的那段历史的途径是着眼于一种弱引力透镜。光线不仅仅被单个星系分散的的大块状物体所弯曲，而且还受环绕在星系周围的更大尺度上的结构的影响。更先进的天文望远镜可以用来观测随着时间的流逝，暗能量是如何引起引力透镜的微小变化。

唯一不变的是变化
　　目前，由于对于众多推测的支持或者否认均缺乏数据，这就给理论学家留下了巨大的异说争鸣的空间。其中一种比较可信的观点涉及到一个基本的物理常量－也许就是宇宙学常量－会随着时间或者空间的变化而变化。目前，人们认识到似乎暗能量在大约60亿年前才开始展露头角。引入一个随时间变化的宇宙学常数大概是一个比较容易的修正手段。
　　这就是一些科学家风趣地称之为“以太”的一个理论背后的思想。但是这些修正都无一例外地陷入了“打地鼠游戏”问题（Whack-a-mole Problem）：虽然可用来解释暗能量但却无法解释其他的一些现象。
　　拨开黑暗的迷雾是值得的。当然，整个宇宙的终极命运走向仍然悬于一线。暗能量的数量及其本质，以及它的性质是否会随着宇宙年龄以及体积的大小发生改变，是决定三种可能走向中的哪一种会成为宇宙未来的关键。第一种走向，宇宙会一直平静地永远膨胀下去。这不是最主要的，更重要的是，由于暗能量的效应终将淹没掉一切其他的效应，膨胀会一直加速下去。宇宙最终会在“大撕裂”（Big Rip）中稀薄到不复存在。另一种可能是物质的引力在两种力量的角逐中胜出，引力将减慢并终将逆转膨胀，最终将所有东西聚集在一起达到“大挤压”（Big Crunch）。
　　在这样一个众多科学都被人们所熟知并理解的时代，这些悬而未决的问题只会让人感觉到不快。然而，任何物理学家都会告诉你，这是个巨大的机遇，一个科学认知的前沿。毕竟，从他的观点来看，仍然还有95%的宇宙－一个由“以太”组成的“第五元素”部分－等待着我们去发掘。

本文原载于《The Economist》2015年08月22日期Science brief栏目。
原文标题为Of what is the universe really made? To the dark side
译者：ptbsare

延伸阅读：《时间的尽头》

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视频作者：(GRB130427A)
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9.24更新：
上面视频中第一段背景音乐出自歌手:Hurts
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