反物質、暗物質、暗能量之間是什麼關係？來帶你重新認識這三者

反物質、暗物質、暗能量，這三個玩意兒的名字差不多，看著都有點古怪，在電影裡一看就是反派的樣子。但其實它們在物理學上都是極其重要的角色，但它們之間沒有任何邏輯關係。

反物質

反物質最早來自於狄拉克的一個預言，我在前些天的文章中有講過那段歷史，這裡就不重複了，有興趣的同學可以看我4月23日關於反物質和暗物質的文章。

我們現在所知道的反物質是一種與普通物質各項特性都相反的物質，基本定義就是能相反的特性都相反，我們最熟悉最容易理解的就是電荷相反了。那麼反物質在我們的宇宙大片中有什麼重要性？答案就是它在我們的宇宙大片裡活不過三秒，但假如它活下來了，那可能就沒有我們的主角普通物質什麼事了。

在宇宙誕生初期，與物質同時產生的有大量的各種特性都相反的反物質，但由於某種原因，普通物質比反物質多產生了一點點，大約10億分之1，結果在隨後的大湮滅中，所有的反物質都跟普通物質湮滅掉了，而留下了那多出的一點點的普通物質，最終形成了我們現在看到的宇宙萬物……

那麼問題來了，反物質既然在不到三秒就掛了，那現在的現在的反物質是哪來的？現在反物質其實遍布各種角落，擔當一些不怎麼重要的角色，我們俗稱跑龍套。反物質最重要的龍套大概就是太陽內部核聚變的過程中的兩個氫原子核在質子-質子反應中，結合成為一個氫同位素——氘核，並放出一個正電子和一個中微子，其中的正電子就是我們說的反物質，電子的反物質反電子。剩下的氘核含有一個質子和一個中子，也就是說有一個質子在反應中變成了一個中子。

這樣的反物質每時每刻都在同樣內部大量產生，我們感受到的太陽光就有一部分是由它們湮滅所產生的。等等，說有一部分好像不太對，應該是有它們的貢獻。除了太陽內部所產生的反物質，其實我們日常生活中也經常有反物質產生，比如香蕉裡有一種微量元素——鉀-40，它會自發β+衰變放出一個正電子，減少一個質子（變成中子）變成一個氬-40原子。雖然這過程能釋放出「大量」能量，但畢竟這些元素過於微量了，我們是完全感覺不到的，這就是龍套該有的樣子……

暗物質

跟反物質不同，暗物質不具有我們了解的一些物理特性，比如它沒有電荷，不會結團，不能吸收和反射電磁波，也就是說它看不見……它相當於就是一個隱身人。那要它何用？還別說，沒它的話，故事還真不知要怎麼編……

早在上世紀30年代末，科學家在觀測某些星系團內星系的相互運動時就發現，星系團的可見物質無法提供足夠的引力維持星系間的相互運動，後來對於一些星系引力透鏡的天文觀測也發現同樣的問題，就是根據可見的發光物質推算的星系質量無法提供足夠的引力產生這些引力透鏡效果。

由於這些天文觀測與現有理論計算結果的巨大差異，科學家懷疑這些星系裡存在大量的不可見物質。隨後科學家有對銀河系和其它漩渦星系外圍的恆星運動速度進行測量，再次證明了此前的觀測結果——星系內的根據發光物質估算的物質質量不足維持星系外圍恆星的運動速度，外圍恆星以這樣的速度運動理論上早就脫離星系分崩離析了。

​這表明要麼理論有問題，要麼星系內存在大量不可見物質。這個大量是多少？大約是宇宙物質總量的85%-90%……

這就有點可怕了，有這麼多的東西在我們的周圍，我們卻看不見……所以就有神秘主義者腦洞大開指出幽靈可能就是暗物質構成的……

那麼難道不會是理論錯了嗎？當然有可能，但科學家多數還是願意相信理論，因此選擇修正理論的只佔少部分，大部分的科學家還是寧願接受存在大量看不見的暗物質。科學家都把它的分布範圍描出來了（藍色部分）……

對於暗物質的支持者，設計了大量方法尋找暗物質，其中我國發射的悟空號暗物質粒子探測衛星就是幹這事的。其它方法還有對撞機產生的未知粒子探測和類似於中微子探測器的地底探測。但所有的探測到目前為止還沒有令人信服的探測結果證明暗物質的存在。

直到今天，暗物質依然只是個傳說，大有「不要迷戀哥,哥只是個傳說!哥早已不在江湖,江湖上卻流傳著哥的傳說」的味道。

雖然我們至今沒發現暗物質，但對暗物質的一些特性還是給出了一些限定：

1、有靜止質量，參與引力相互作用。這正是它在科學家面前露出的馬腳。

2、不參與電磁相互作用和強相互作用。原因就是透明、不可見，另外目前的輕元素豐度符合理論值，如果佔比近90%的暗物質參與強相互作用將導致輕元素的豐度產生差異。

3、運動速度較慢。否則直接就跑飛不會留在星系內了。

暗能量

這個比暗物質更為神秘的玩意兒，到上世紀末才被人們「發現」。

1998年，兩個獨立的觀測團隊對星系的不同距離上的星系紅移進行測量的過程中偶然發現，距離越遠的星系正以越來越快的速度遠離我們，這意味著宇宙正在加速膨脹！

這又是一個與理論不符的結果，按照理論，由於引力的作用，膨脹理應越來越慢的，但結果正好相反。根據觀測結果，大約在90億年前，這種膨脹的減速開始放緩，並被慢慢逆轉。到了大約50-60億年前膨脹徹底逆轉，從減速膨脹變為加速膨脹。

對於加速膨脹的原因，科學家沿用暗物質的方式給它定義為一種未知能量——暗能量。但與暗物質不同，這次更多的人願意通過修正理論來解決暗能量問題。如果把它視作一種能量，它將佔宇宙總質能的68.3%……這巨大的能力推動了宇宙脫離引力的束縛加速膨脹。

而目前對暗能量沒有更多的認識，理論物理學家更樂意選擇對理論進行修正，比較主流的大概就是復活愛因斯坦的宇宙常數了，這是愛因斯坦為了在廣義相對論下維持一個靜態宇宙而在引力場方程中加入的一個常數項，使物質間產生一種斥力，阻止宇宙在引力作用下發生坍縮。但在哈勃觀測到宇宙膨脹後，愛因斯坦就去掉了這個常數。但目前由於未知機制的加速膨脹，宇宙常數項正在重新受到重視，並企圖重新放回引力場方程中。