反物质、暗物质、暗能量之间是什么关系呢？

Answer 1

反物质、暗物质、暗能量，这三个玩意儿的名字差不多，看着都有点古怪，在电影里一看就是反派的样子。但其实它们在物理学上都是极其重要的角色，但它们之间没有任何逻辑关系。

反物质

反物质最早来自于狄拉克的一个预言，我在前些天的文章中有讲过那段历史，这里就不重复了，有兴趣的同学可以看我4月23日关于反物质和暗物质的文章。

我们现在所知道的反物质是一种与普通物质各项特性都相反的物质，基本定义就是能相反的特性都相反，我们最熟悉最容易理解的就是电荷相反了。那么反物质在我们的宇宙大片中有什么重要性？答案就是它在我们的宇宙大片里活不过三秒，但假如它活下来了，那可能就没有我们的主角普通物质什么事了。

在宇宙诞生初期，与物质同时产生的有大量的各种特性都相反的反物质，但由于某种原因，普通物质比反物质多产生了一点点，大约10亿分之1，结果在随后的大湮灭中，所有的反物质都跟普通物质湮灭掉了，而留下了那多出的一点点的普通物质，最终形成了我们现在看到的宇宙万物……

那么问题来了，反物质既然在不到三秒就挂了，那现在的现在的反物质是哪来的？现在反物质其实遍布各种角落，担当一些不怎么重要的角色，我们俗称跑龙套。反物质最重要的龙套大概就是太阳内部核聚变的过程中的两个氢原子核在质子-质子反应中，结合成为一个氢同位素——氘核，并放出一个正电子和一个中微子，其中的正电子就是我们说的反物质，电子的反物质反电子。剩下的氘核含有一个质子和一个中子，也就是说有一个质子在反应中变成了一个中子。

这样的反物质每时每刻都在同样内部大量产生，我们感受到的太阳光就有一部分是由它们湮灭所产生的。等等，说有一部分好像不太对，应该是有它们的贡献。
除了太阳内部所产生的反物质，其实我们日常生活中也经常有反物质产生，比如香蕉里有一种微量元素——钾-40，它会自发β+衰变放出一个正电子，减少一个质子（变成中子）变成一个氩-40原子。虽然这过程能释放出“大量”能量，但毕竟这些元素过于微量了，我们是完全感觉不到的，这就是龙套该有的样子……

暗物质

跟反物质不同，暗物质不具有我们了解的一些物理特性，比如它没有电荷，不会结团，不能吸收和反射电磁波，也就是说它看不见……它相当于就是一个隐身人。那要它何用？还别说，没它的话，故事还真不知要怎么编……

早在上世纪30年代末，科学家在观测某些星系团内星系的相互运动时就发现，星系团的可见物质无法提供足够的引力维持星系间的相互运动，后来对于一些星系引力透镜的天文观测也发现同样的问题，就是根据可见的发光物质推算的星系质量无法提供足够的引力产生这些引力透镜效果。

由于这些天文观测与现有理论计算结果的巨大差异，科学家怀疑这些星系里存在大量的不可见物质。随后科学家有对银河系和其它漩涡星系外围的恒星运动速度进行测量，再次证明了此前的观测结果——星系内的根据发光物质估算的物质质量不足维持星系外围恒星的运动速度，外围恒星以这样的速度运动理论上早就脱离星系分崩离析了。

这表明要么理论有问题，要么星系内存在大量不可见物质。这个大量是多少？大约是宇宙物质总量的85%-90%……

这就有点可怕了，有这么多的东西在我们的周围，我们却看不见……所以就有神秘主义者脑洞大开指出幽灵可能就是暗物质构成的……

那么难道不会是理论错了吗？当然有可能，但科学家多数还是愿意相信理论，因此选择修正理论的只占少部分，大部分的科学家还是宁愿接受存在大量看不见的暗物质。科学家都把它的分布范围描出来了（蓝色部分）……

对于暗物质的支持者，设计了大量方法寻找暗物质，其中我国发射的悟空号暗物质粒子探测卫星就是干这事的。其它方法还有对撞机产生的未知粒子探测和类似于中微子探测器的地底探测。但所有的探测到目前为止还没有令人信服的探测结果证明暗物质的存在。

直到今天，暗物质依然只是个传说，大有“不要迷恋哥,哥只是个传说!哥早已不在江湖,江湖上却流传着哥的传说”的味道。

虽然我们至今没发现暗物质，但对暗物质的一些特性还是给出了一些限定：

1、有静止质量，参与引力相互作用。这正是它在科学家面前露出的马脚。

2、不参与电磁相互作用和强相互作用。原因就是透明、不可见，另外目前的轻元素丰度符合理论值，如果占比近90%的暗物质参与强相互作用将导致轻元素的丰度产生差异。

3、运动速度较慢。否则直接就跑飞不会留在星系内了。

暗能量

这个比暗物质更为神秘的玩意儿，到上世纪末才被人们“发现”。

1998年，两个独立的观测团队对星系的不同距离上的星系红移进行测量的过程中偶然发现，距离越远的星系正以越来越快的速度远离我们，这意味着宇宙正在加速膨胀！

这又是一个与理论不符的结果，按照理论，由于引力的作用，膨胀理应越来越慢的，但结果正好相反。根据观测结果，大约在90亿年前，这种膨胀的减速开始放缓，并被慢慢逆转。到了大约50-60亿年前膨胀彻底逆转，从减速膨胀变为加速膨胀。

对于加速膨胀的原因，科学家沿用暗物质的方式给它定义为一种未知能量——暗能量。但与暗物质不同，这次更多的人愿意通过修正理论来解决暗能量问题。如果把它视作一种能量，它将占宇宙总质能的68.3%……这巨大的能力推动了宇宙脱离引力的束缚加速膨胀。

而目前对暗能量没有更多的认识，理论物理学家更乐意选择对理论进行修正，比较主流的大概就是复活爱因斯坦的宇宙常数了，这是爱因斯坦为了在广义相对论下维持一个静态宇宙而在引力场方程中加入的一个常数项，使物质间产生一种斥力，阻止宇宙在引力作用下发生坍缩。但在哈勃观测到宇宙膨胀后，爱因斯坦就去掉了这个常数。但目前由于未知机制的加速膨胀，宇宙常数项正在重新受到重视，并企图重新放回引力场方程中。