宇宙的"冰山一角"：我们只看到了5%的世界
夜空中最熟悉的陌生人
让我们先做一个简单的实验。今晚，当夜幕降临、繁星点点的时候，请你走出家门，找一个光污染不太严重的角落，仰望那片浩瀚的星空。你看到了什么？
密密麻麻的星星，对吗？它们像无数颗钻石镶嵌在黑色的天幕上，有的明亮，有的黯淡，有的独自闪烁，有的聚集成团。你可能还看到了银河——那条横跨夜空的淡淡光带，仿佛一条流淌了千万年的璀璨河流。
这就是我们祖祖辈辈仰望了数千年的星空，这就是人类最早认识宇宙的窗口。
但是，我必须告诉你一个可能会让你震惊的事实：你今晚看到的所有星星、银河、以及夜空中的一切加起来，只占真实宇宙的极小一部分——准确地说，大约只有5%。
剩下的95%，你看不见，我看不见，任何人的眼睛都看不见。它们就在那里，却像幽灵一样躲过了我们所有的观测。这就是我们今天要探索的主题：暗宇宙。
从"眼见为实"说起
在我们深入这个话题之前，让我先问你一个问题：你相信"眼见为实"吗？
大多数人可能会点点头。确实，我们习惯了用眼睛去认识世界。我们看到天空是蓝色的，看到太阳是金色的，看到月亮是银白色的，看到花儿是五颜六色的。我们的视觉是如此强大、如此可靠，以至于我们几乎从未怀疑过：眼睛看到的就是世界的全部吗？
答案是否定的，而且这个否定来得比我们想象的要戏剧性得多。
让我们来做一个小小的思想实验。想象一只青蛙，它生活在一口深井里。它的整个世界就是井口看到的那一小片天空。青蛙会认为天空就只有那么大，对吗？
人类曾经就像那只青蛙。
在很长很长的时间里——长到几千年——人类以为天上的星星就是宇宙的全部。我们以为银河系就是整个宇宙，以为太阳是宇宙的中心，以为地球是万物的焦点。我们用肉眼观察星空，建立理论，描绘宇宙的模样，自以为已经揭开了宇宙的全部奥秘。
然后，奇怪的事情发生了。
看不见的光
事情要从一种叫"电磁波"的东西说起。你可能觉得这个词很陌生，但其实你每天都在和它打交道。广播信号、手机信号、WiFi信号、遥控器发出的红外线、医院的X光片——这些都是电磁波的不同形式。
电磁波就像大海里的波浪，只是它不是水波，而是一种携带着能量的"振动"。不同的电磁波有不同的"波长"——你可以把它理解为波浪之间的距离。如果波长很长，就像大海远处的浪，绵延起伏；如果波长很短，就像急促的小涟漪，近在咫尺。
我们人眼能看到的电磁波有一个特定的范围，这个范围叫做"可见光"。顾名思义，可见光就是"可以被看见的光"。不同波长的可见光在我们眼里呈现不同的颜色：波长最长的是红光，然后是橙、黄、绿、蓝、靛、紫，波长最短。
但是，可见光只是电磁波大家族中的一个很小的分支。在这个家族的"族谱"上，可见光的位置就像地球在银河系中的位置一样——只是一个小小的角落。
比可见光波长更长的，有无线电波、微波、红外线。比可见光波长更短的，有紫外线、X射线、伽马射线。这些"光"，我们的眼睛都看不到，但它们确实存在，而且每时每刻都在我们身边穿梭。
换句话说，你的眼睛就像一把只有几个按键的遥控器，而宇宙这台巨大的电视机拥有成百上千个频道。你的遥控器只能调到其中几个频道，但你不能因此就说其他频道不存在。
这就是"看不见不等于不存在"的第一层含义。
现在，让我们把这个道理再扩大一千倍、一百万倍、一直扩大到整个宇宙的尺度。
宇宙的"冰山"
想象一下，如果宇宙是一座漂浮在黑暗海洋中的巨大冰山。我们看到的普通物质——星星、行星、气体、尘埃、你、我、桌子上的苹果、窗外的飞鸟——就是这座冰山浮出水面的那一小部分。
露出水面的部分有多少呢？大约5%。
这听起来可能难以置信，但请让我慢慢解释。
首先，让我们来认识一下这座冰山的"水面之上"部分——也就是我们能看到的普通物质。
普通物质，听起来很"普通"，但其实它包含了我们所能想象到的一切：所有的原子、所有的分子、所有的恒星和星系、所有的行星和卫星、所有的气体云和尘埃盘、所有的岩石和液体、所有的生命形式——从最微小的细菌到最庞大蓝鲸，从最简单单细胞生物到最复杂的人类文明。
这一切，都由原子构成。
原子是什么？想象一个太阳系，中间是原子核（由质子和中子组成），外面是绕着它转动的电子。就像太阳系中太阳吸引行星一样，原子核带着正电，吸引带着负电的电子，让它们乖乖地待在各自的轨道上。
一个原子有多小？如果我们把原子放大到一颗葡萄那么大，那么按照同样的比例，原子核就只有一粒灰尘那么大，而电子则小到几乎不存在。这意味着什么呢？
这意味着原子内部绝大部分都是"空"的。
如果你能把一个原子中的所有空隙都去掉，把所有原子核和电子紧紧挤在一起，一块方糖大小的东西就能重达几十亿吨。听起来很疯狂对吧？但这恰恰说明，我们感受到的"实实在在"的物质，在微观层面其实是极其空旷的。
不过，即使普通物质在原子层面如此"空洞"，它们加在一起仍然构成了我们能看到的所有星星和星系。这些发光的、发热的、旋转的恒星系统，组成了宇宙冰山水面上的那一角。
现在，让我们潜入水下，看看水面之下藏着什么。
暗物质：看不见的骨架
水面之下第一种看不见的东西叫做"暗物质"。
"暗"在这里不是"黑暗"的意思，而更接近于"隐藏"或"未知"。暗物质不发光、不吸收光、不反射光——它和光没有任何互动。换句话说，如果你对着暗物质打开手电筒，光会直接穿过它，就像穿过空气一样，什么都不会发生。
那我们怎么知道暗物质存在呢？
答案是：通过引力。
尽管暗物质不和我们熟悉的任何力（除了引力）发生互动，但它有质量。有质量就会产生引力。宇宙中的每一个天体都感受到暗物质的引力，每一个星系的运动都受到暗物质的影响。
这就好像你走进一个房间，房间里明明空无一物，但你却感到有什么东西在拉你的衣角。你看不见那个"东西"，但你能感觉到它的存在。
科学家是如何发现暗物质的呢？这要归功于一位名叫弗里茨·谷德维克的瑞士天文学家。1933年，他在研究后发座星系团时发现了一个奇怪的现象：星系团里星系的运动速度太快了。
让我解释一下这意味着什么。想象你把一颗石子绑在绳子上，然后转起来。石子转得越快，你需要用的力就越大——否则石子就会飞出去。星系在星系团中运动也是一样的道理：它们转得越快，就需要越大的引力来"拴住"它们，否则它们就会飞散到宇宙中去。
但是，谷德维克计算了星系团中所有可见物质产生的总引力，发现这个引力远远不够拉住那些高速运动的星系。如果只有这些可见物质，星系团早就像脱缰的野马一样分崩离析了。
除非……还有我们看不见的东西在提供额外的引力。
谷德维克意识到，宇宙中可能存在着大量我们看不见的物质，它们不发光，却通过引力影响着星系的运动。他把这种东西称为"暗物质"。
这个发现当时太超前了，几乎没有人在意。接下来的几十年里，暗物质理论一直躺在科学家的抽屉里积灰。
直到1970年代，事情发生了变化。
一位名叫维拉·鲁宾的美国天文学家开始研究银河系中恒星的运动速度。她的发现让整个天文学界震惊了。
按照我们已经理解的引力理论，距离银河系中心越远的恒星，绕中心旋转的速度应该越慢——就像离太阳远的行星公转速度较慢一样。但鲁宾观测到的却不是这样。她发现，银河系边缘的恒星旋转速度几乎和靠近中心的恒星一样快！
这意味着什么？意味着银河系的质量比我们看到的大得多。这些额外的质量在哪里？它们不发光，所以我们看不见。
答案只有一个：暗物质。
银河系被一个巨大的暗物质"晕"包裹着，这个暗物质晕的质量大约是我们可见物质的10倍。换句话说，如果你能看到银河系所有的暗物质，你会发现它的"体重"是现在的10倍。
现在让我们把目光放得更远。不只是银河系，几乎所有被观测过的星系和星系团都显示出同样的异常：它们包含的暗物质比普通物质多得多。
根据最新的宇宙学观测和计算，宇宙中暗物质的质量大约是普通物质的5倍多。如果把宇宙比作一块蛋糕，那么暗物质大约占了这块蛋糕的27%。
这意味着，即使我们把水面之上所有的冰都翻到水下，也只占整座冰山的一小部分。真正的大头，在水下。
暗能量：更神秘的"另一面"
如果说暗物质已经够让人困惑的了，那么暗能量就更令人费解。
暗物质至少还有点"物质"的样子——有质量，会产生引力。但暗能量更奇怪：它不是物质，而是一种能量，一种弥漫在整个宇宙空间中的能量。更奇怪的是，这种能量似乎在推动宇宙加速膨胀。
等等，让我先解释一下宇宙膨胀是怎么回事。
1929年，美国天文学家埃德温·哈勃发现了一个改变人类宇宙观的惊天事实：所有的星系都在远离我们，而且离得越远的星系，远离的速度越快。
这就像一个气球，上面画满了小圆点。当你吹大气球的时候，所有的小圆点都会互相远离——不管从哪个小圆点的角度看，其他所有小圆点都在远离它。
宇宙的膨胀也是如此。星系之间的空间在膨胀，把它们推得越来越远。
哈勃的发现本身就已经够震撼了，但1998年，更震撼的事情发生了。
两组天文学家——一组由索尔·佩尔穆特领导，一组由布莱恩·施密特和亚当·里斯领导——分别独立地发现：宇宙的膨胀不是在减速，而是在加速。
什么意思？想象你往天上扔一个球。正常情况下，球会越升越慢，最终掉下来。但如果宇宙的膨胀在加速，那就像你扔出去的球不仅没有掉下来，反而越飞越快，越来越快地消失在天空尽头。
这完全违背了物理学家的预期。按照牛顿和爱因斯坦的理论，引力是吸引的，它应该让宇宙的膨胀减速，而不是加速。除非……有什么东西在推动宇宙加速膨胀。
这个东西就是暗能量。
暗能量的性质和暗物质截然不同。暗物质通过引力"拉"物体聚在一起，而暗能量通过"排斥引力"把物体推开。暗能量不是集中在某个地方，而是均匀地分布在整个宇宙空间中——就像空气均匀地分布在房间里一样。
但暗能量的效果是"负压"——一种类似"反重力"的力，它推动着空间本身膨胀，而且越推越快。
根据最新的宇宙学测量，暗能量占据了宇宙总质量和能量的约68%。加上暗物质的27%，加上普通物质的5%，——等等，这样加起来是100%了吗？
27 + 68 + 5 = 100。正好！
现在你明白了吧？宇宙冰山的全貌是：水面之上（普通物质）只占5%，水面之下（暗物质）约占27%，而推动冰山漂浮的"海洋"（暗能量）占了惊人的68%。
我们能看到的，只有那5%。
我们真的了解这5%吗？
说了这么多看不见的东西，让我们回到看得见的5%。你以为这5%我们就很了解了吗？
也不尽然。
这5%的普通物质虽然发光发热，让我们能够观测它们，但实际上我们对自己星系中的普通物质也只了解了一小部分。
举个例子：银河系中有多少普通物质？大多数人会说恒星。没错，银河系中有大约1000亿到4000亿颗恒星，它们确实构成了银河系普通物质的主要部分。但研究表明，恒星只占银河系普通物质的大约10%到20%。
剩下的普通物质在哪里？
一部分在气体云中——这些是恒星的"原材料"，散布在恒星之间的空隙里；一部分在尘埃中——细小的固体颗粒，漂浮在星际空间中；还有行星、小天体、冰质天体……等等。但即使把这些全部加起来，似乎还是少了一些。
天文学家发现，星系中可能存在大量的"温热离子气体"——温度在10万到100万度的热气体。这种气体不发出可见光，但会发出X射线，我们可以用特殊的望远镜观测到它。这种热气体也构成了星系普通物质的重要部分。
但即便如此，银河系中仍然有一部分普通物质"失踪"了——它们存在，我们知道它们存在，但就是找不到它们。这被形象地称为"失踪的重子问题"。
什么是重子？重子是组成普通物质的基本粒子，包括质子和中子。宇宙大爆炸之后，产生了大量的质子和中子，它们后来组合成氢、氦等原子，形成了气体、尘埃、恒星、行星……所有我们能看到的东西。
根据宇宙学的标准模型，宇宙诞生后最初几分钟内产生的所有重子，应该大部分都能被今天的望远镜观测到。但实际上，我们只能找到其中大约一半。
另一半在哪里？
最新的研究提出了一种可能性：这些"失踪"的重子可能躲在了一种叫做"温热-热间介质"的物质状态中。这种物质的温度介于热气体和冷气体之间，密度极低，几乎不可能被直接观测到。它们就像宇宙中的"隐形人"，躲在我们的眼皮底下。
这告诉我们一个道理：在我们抱怨看不见暗物质和暗能量之前，即使是这5%的普通物质，也藏着许多我们尚未解开的谜题。宇宙比我们想象的要复杂得多，也神秘得多。
为什么我们看不见暗物质？
现在你可能会问：既然暗物质那么多，为什么我们一点都看不见它？
这个问题的答案涉及到物理学中最基本的几种力。
我们之所以能"看到"一个物体，是因为光和那个物体发生了相互作用。光可以是被物体反射的（比如月亮被太阳光照亮），可以是物体自己发出的（比如灯泡发光），可以是物体发出的光被我们接收（比如手机屏幕的光）。
但暗物质不参与电磁相互作用。它不会吸收光，不会发射光，不会反射光，不会折射光——它完全"透明"，对光完全无动于衷。
这就好比你有一把只能感知红色物体的探测器。当你用这把探测器扫描房间时，你能看到红色的东西，橙色的东西，黄色的东西——但你看不到绿色、蓝色、紫色……的东西，因为你的探测器根本接收不到那些信息。
我们对暗物质的"探测"就像用一把只能探测红色的探测器去找绿色和蓝色的物体——困难重重。
但是，暗物质有质量，有质量就会产生引力。引力是自然界四种基本力之一（其他三种是电磁力、强核力和弱核力）。虽然暗物质不参与其他三种力，但它参与引力，所以我们可以通过引力效应来"看到"暗物质的存在。
这就像你走进一个黑暗的房间，什么都看不见，但你可以通过触摸来感知物体的存在。暗物质就是那个"黑暗中的物体"——我们看不见它，但我们能感觉到它的"触碰"。
宇宙的配方
让我们用一个更精确的方式来描述宇宙的组成。这来自现代宇宙学最精确的观测和计算——主要来自对宇宙微波背景辐射的研究。
宇宙微波背景辐射是什么？它是宇宙大爆炸留下的"余温"。138亿年前，宇宙从一个极其炽热、致密的奇点开始膨胀。随着宇宙的膨胀，它慢慢冷却下来。大约38万年后，宇宙的温度降低到大约3000开尔文（约2700摄氏度），质子和电子结合形成中性原子，光子不再被自由电子散射，开始自由传播。
这些最初的光子从宇宙的各个角落出发，穿越了138亿年的时空，在今天被我们探测到。这就是宇宙微波背景辐射——宇宙中最古老的光。
宇宙微波背景辐射的精确测量给我们提供了关于宇宙组成的极为精确的信息。通过分析这些古老的"余晖"，我们可以知道宇宙的总密度、各种成分的比例。
根据普朗克卫星等精确观测的结果，宇宙的组成是这样的：
- **普通物质**（重子物质）：$4.9\%$
- **暗物质**（非重子物质）：$26.8\%$
- **暗能量**：$68.3\%$
这三者加起来精确等于$100\%$——至少在目前的观测精度下是这样。
用更通俗的话说：如果宇宙是一个100克的大蛋糕，普通物质大约只有5克，暗物质大约有27克，暗能量则有68克。
我们现在的一切——地球、太阳、银河系、你、我、我们看到的所有星星——都是那5克"蛋糕"。剩下的95克，是我们完全不了解的世界。
从望远镜到粒子对撞机
既然暗物质和暗能量如此重要，科学家们当然不会坐视不管。近几十年来，无数顶尖的头脑和最先进的技术被投入到这场"寻找隐形宇宙"的行动中。
在"看得见"的领域，最强大的工具是各种望远镜。但这里的"望远镜"不是我们脑海中那种单筒的、放在阳台上的普通天文望远镜。科学家们使用的是最尖端的仪器：
- **光学望远镜**：如哈勃太空望远镜、詹姆斯·韦伯太空望远镜，专门观测可见光波段；
- **射电望远镜**：如中国的"天眼"FAST望远镜，接收无线电波；
- **X射线望远镜**：如钱德拉X射线天文台，观测高能X射线；
- **伽马射线望远镜**：如费米伽马射线空间望远镜，捕捉能量最高的光。
每一台望远镜都像是宇宙的一扇窗户，让我们看到不同波段的宇宙"风景"。把所有的"窗户"加起来，我们才能拼凑出宇宙的全貌。
但暗物质不发光，我们怎么找它？
科学家们想出了几种巧妙的办法：
第一种：寻找暗物质的引力效应。我们已经知道暗物质通过引力影响可见物质的运动。通过精确观测星系旋转曲线、星系团运动、引力透镜效应等现象，我们可以"画"出暗物质在宇宙中的分布图。这就像通过观察船在水面上的摇晃来推断暗礁的位置。
第二种：直接探测暗物质粒子。如果暗物质是由某种粒子组成的——这是一个很大胆但被广泛接受的假设——那么这些粒子可能偶尔会撞上普通物质的原子核。虽然这种撞击极其罕见，但科学家们建造了极其灵敏的探测器，试图捕捉这些"幽灵碰撞"。
地下深处的实验室被用来屏蔽宇宙射线的干扰——因为宇宙射线会触发假信号。在意大利的格朗萨索国家实验室、在美国南达科他州的深地地下科学与工程实验室，科学家们建造了灵敏到令人发指的探测器，等待着暗物质粒子的"光顾"。
第三种：在粒子对撞机中制造暗物质。欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）是人类建造的最强大的粒子"撞碎机"。它把质子加速到接近光速，然后让它们迎头相撞。在这些剧烈的碰撞中，可能产生各种奇异的粒子——包括暗物质粒子。
如果对撞机真的产生了暗物质粒子，它们会携带能量"逃跑"——而我们可以通过测量"消失"的能量来推断它们的存在。
这三种方法互为补充，科学家们希望有一天其中一种或几种方法能够传来好消息。
暗能量：更难对付的对手
相比暗物质，暗能量更加棘手。
暗物质至少有"物质"的属性——有质量、会产生引力。但暗能量不是物质，它是一种能量——一种弥漫在空间中的、导致宇宙加速膨胀的能量。
我们对暗能量的了解非常有限。我们甚至不知道它究竟是什么。物理学家提出了几种可能性：
可能性一：宇宙学常数。这是爱因斯坦在1917年提出的一种"反重力"力。当时，爱因斯坦发现他的广义相对论方程预言宇宙应该是动态的——要么膨胀，要么收缩。但当时的科学界普遍认为宇宙是静态的，所以爱因斯坦在方程中加入了一个"宇宙学常数"项，来对抗引力，让宇宙保持静止。
后来，哈勃发现宇宙在膨胀，爱因斯坦后悔地称宇宙学常数是他"最大的错误"。但1998年宇宙加速膨胀被发现后，宇宙学常数又"复活"了——只是这次，它不是用来平衡引力，而是用来推动宇宙加速膨胀。
宇宙学常数可以被理解为"真空的能量"。根据量子力学，真空并不是完全空的——虚粒子在真空中不断产生和湮灭，赋予真空一种内在的能量。这种"真空能"就可能表现为推动宇宙膨胀的暗能量。
如果暗能量就是宇宙学常数，那么它的值应该是固定不变的。它从宇宙诞生以来就一直在那里，推动着宇宙膨胀。
可能性二：动态暗能量。另一种可能是暗能量并非固定不变，而是会随着时间变化。这种理论叫做"精质"（Quintessence），指的是一种弥漫在宇宙中的能量场。这个能量场的密度可能会随时间变化——有时更强，有时更弱。
如果这是真的，那么暗能量的"强度"可能在演化。未来的宇宙可能会加速得更快，或者……更慢，甚至反转。
可能性三：修改引力理论。还有一种激进的观点认为，根本不存在什么"暗能量"。问题不在于宇宙中多了什么奇怪的东西，而在于我们的引力理论出了问题。
按照这个思路，广义相对论在