我们建立的这幅有关宇宙的图片是极为成功的――可能就是因为宇宙真实的身份大部分被完全伪装起来了吧。
我们不知道这些暗夜幻影是什么，但看似可以是任何东西
对于我们的肉眼，繁星就是整个宇宙。而对于宇宙学家，它们不过是闪烁的尘埃，在无限广袤的空间中无关紧要的装饰而已。远远比这些普通的星体和气体更让人难以捉摸的是这两个实体：暗物质和暗能量。我们除了知道它们是无处不在的，其他的便都一无所知。
这对幽灵姊妹花的魅力足够让我们停下来，仔细地思考一下我们过去几个世纪如此精心构建出的宇宙模型是否都是对的。标准的宇宙论也曾经提到过，在宇宙大爆炸之后形成的未知膨胀场和三分之一的黑暗中，宇宙空间正逐渐延伸成一条裂缝般的形状。这一切可能暗示着有其他无数的多元宇宙在超出我们视线的空间里藏匿着，它们可能是无法想象的外星人，而也正是它们的存在对我们宇宙建模的工作是有利的。
这些有着举足轻重分量的幻影对于我们的观察是否是一种负担而导致我们无法忍受？――正如马克·吐温（Mark Twain）曾经比喻过，对于一个微不足道的事实却投入大量的资金批发回了一大批的猜想。
我们标准宇宙论的物理基础是爱因斯坦的广义相对论。他的理论开始于一个简单的观察：任何物体的重力质量或者惯性质量恰恰等于它所受的阻力除以它的加速度。从而他推导出了方程，这些方程可以表述空间是如何被质量和运动所扭曲，以及我们应该如何理解这种重力的弯曲。苹果之所以会落向地面是因为地球的质量使得时空发生了弯曲。
在相对低比重的环境中，比如地球，广义相对论和牛顿早期理论所预示的理论是相类似的，它认为重力作为一种力是可以在物体之间相互传递的。而在较强的重力场中，预言与广义相对论却出现了严重的偏离。
广义相对论与其所不同的预言是：它认为具有大的加速度的物体在时空中所引起的微小的涟漪可以成为引力波。然而这种波迄今从未被直接观察到。一对在1974年被观察到的脉冲星彼此正呈螺旋状运动，如果它们在辐射引力波的同时逐渐失去能量，那么它们恰恰应该做螺旋运动。
在宇宙尺度上引力是最具主导性的自然之力，所以广义相对论就成为了我们如何对于一个整体运动的宇宙进行建模的最好的工具。
但是，它的方程有着令人望而生畏的数组阵列，相当的繁复。如果你给它输入一组复杂的数据，比如，真实宇宙中各种混乱的物质它们的质量和能量的分布，那么方程将变得根本无法计算。为了使宇宙模型可以有效的工作，我们做了一些简单的假设。
最主要的假设是哥白尼原理，它所讲的是我们并不是在一个特殊的地方。宇宙与任何一个地方都是一样的，实际上也确实是这样。它里面的物体是均匀分布的，只不过我们需要用更大的尺度来衡量它而已。这就意味着我们只需要在爱因斯坦的方程中输入一个数字，那就是宇宙空间的物质密度。
他最大的失误
爱因斯坦的第一简化宇宙模型是他对惰性粉尘进行了一个均匀密度的赋值，同时找出一个可以在自身重力下逐渐收缩的宇宙。他把这作为一个问题，并且根据中空的空间自身可以产生恒定的能力密度不断地新增一些项来加入到这个方程中。
那么它的重力最终会变为排斥力，所以正确地添加一些宇宙常数可以保证宇宙既不会膨胀也不会收缩。而在20世纪20年代，观察表明宇宙确实在膨胀时，爱因斯坦表示这是他最大的错误。而这刚好让其他人可以将相对论的方程应用于膨胀的宇宙中。他们得到了一个模型，宇宙开始于一个无法想象密度的初始点，而它的膨胀将会因物质的重力而逐渐变的缓慢。
这便是宇宙大爆炸的雏形。那个时候，最主要的问题便是这样的膨胀是否会走向停止。答案似乎是不会――在逃离的星系中所含的物质太少了。宇宙将会不断地向外扩张，然后宇宙谱开始逐渐被观察到。早在20世纪30年代，第一位来自黑暗星空的使者便敲开了我们的大门。然而直到70年代，当天文学家发现星系旋转的太快时，它才被完全观测到。
根据广义相对论，或者普遍知道的牛顿物理学，肉眼可以观测到的物体的重力太过于弱小而无法将整个星系结合在一起。天文学家总结称一定存在不可见的物体提供了额外的结合引力。而暗物质的存在是有其他证据证明的，比如星系如何成群结队地运动，它们又是如何将光线弯曲从而送达给我们。当然，这也需要它将所有的物质在最初的地方聚集在一起形成星系。总之，暗物质的存在可能是我们所看到的星体和空气的5倍以上。
暗物质的身份一直都是未知的。它似乎是一种超越了粒子物理标准模型的物质，所以我们尽最大努力，才可能在地球上发现或者说创造出一个暗物质颗粒。但是，它对于宇宙学标准模型只产生了非常轻微的影响：它在广义相对论中的引力效应与普通的物质是一样的，所以即使它的吸引力如此巨大，对于阻止宇宙的膨胀仍然很渺小。
看来对这团黑暗物质的第二种形式的表述需要更深层次的变革。在20世纪90年代，天文学家们通过监控1a型超行星的爆炸尺寸便已经可以非常精细地追踪宇宙的扩张轨迹。他们指出宇宙的膨胀是处于加速状态的。似乎存在一些贯穿着整个宇宙的排斥力，使得物质之间的吸引力溃不成军。
精确“配方”
这可能是爱因斯坦宇宙常数的复兴，在真空中的能量可以产生一种排斥力，虽然粒子物理学极力地想要解释为什么空间中必然隐藏着相当小的能量密度。所以，富有想象力的专家已经有了很多其他的想法，比如那些还观测不到的粒子所产生的能量场，以及来自于超出了可见宇宙或者其他维度传递出的力。
不管它是什么，暗物质似乎确实是真实存在的。当一颗在大爆炸后距今37万年的原子受到一个更冷或更热的点所显示出的模糊模式的作用，而这个点就是早期那个不是十分致密的宇宙，宇宙中的微波背景辐射便释放了出来。这个典型点的尺寸可以被用于计算这个空间受它内部的物质和运动影响变弯曲的程度。所得的结果似乎都是平坦的，意味着所有这些引起弯曲的因素都是必须被忽略的。这就再一次需要一些附加的排斥能量来平衡这种膨胀和物体重力引起的弯曲。类似的说辞对于空间中的星系模式也是同样适用的。
以上的一切便给我们提供了一份对于宇宙的精确“配方”。空间中普通物体的平均密度是0.426幺克每平方米（1幺克等于10-24克，0.426幺克相当于大约250质子的质量），它只是宇宙中全部能量密度的4.5%而已。
暗物质占有22.5%的份量，而暗能量则是剩下的73%（见图表）。我们有关大爆炸宇宙模型的建立是基于广义相对论与我们的所观察到的结果非常符合的基础上的，至少目前我们已经拼出了95.5%的宇宙。
正如所论证的那样，我们必须构造出更多的模型。为了解释为什么宇宙看起来在各个方向上都是极其均匀的，今天的共识宇宙学便涵盖了一种第三外来元素。当宇宙只有10-36秒那么年幼的时候，一种压倒性的力量便开始操控一切。这种膨胀场像暗能量一样具有排斥的作用，但却更加有实力引起宇宙以大于1025因子爆炸性的膨胀，它可以压扁空间、同时消除一切不合它意的行为。
当膨胀告一段落，膨胀场便转化成了物质和辐射的形式。场中的量子涨落也转变成了密度的细微变化，这些最终都会变成宇宙中微波背景的原点，也就是今天的星系。
这么奇妙的故事再一次得到了所观察到的结果的认证，与众多其他的概念一起，成为了一种新的解释。膨胀对于广义相对论来说没有什么麻烦的处理――在数学表达上，只是需要在宇宙常数上添加一个额外项。但是，曾经这种膨胀场一度成为了宇宙的全部组成内容，它最原始的样子与暗物质和暗能量一样，仍然是个迷。
此外，一旦膨胀场开始工作便很难停下来：它将持续不断地产生新的“宇宙军团”而完全脱离我们的认知范围。对于大多数的宇宙学家来说，开始重新思考标准宇宙学的基本假设，有关多元宇宙的预言是显而易见和必不可少的。
同时建立的模型也面临着观察上小细节的挑战。大爆炸产生的锂-7理论上要比实际在宇宙中检测到的含量多得多。模型也无法解释宇宙背景辐射中在一些情况下的可能排列组合，还有为什么沿着确定直线的星系似乎更偏向于左向旋转。最新发现的40亿光年远的超银河结构，也质疑了有关宇宙在大尺度上是均匀平滑的这一假设。
“阴暗三人组”
当然，这些琐碎的小细节可以随着测量数据的增多或者计算上的校正消除掉。但是，更大的问题仍然存在着。哈佛大学的宇宙学家罗伯特·科什纳（Robert Kirshner）说过：“我们不知道暗能量是什么？我们也不知道暗物质是什么？这确实有那么一点儿尴尬。”他是第一个揭露暗能量真相的超新星团队中的一员。
从爱因斯坦的尘埃填充宇宙论到现在的因添加了更多成份而更具符合动力学的宇宙模型，基础的数学模型是没有变化的。它的年代和成份都可以被精确地了解到。暗物质似乎创造了星系和其他的结构；暗能量预示着宇宙正在加速驶入一个阴冷孤独的未来；膨胀论则暗示着宇宙曾经那段无比震撼的出生方式。“阴暗三人组”的每一位成员都预示着一个新的物理学的诞生。
科什纳把这视为一种挑战：“这并不意味着我们的讨论有什么缺陷。它恰恰给了我们鼓舞而不是失望。”但只要我们无法在实验室里对暗物质进行验证，或者对暗能量提供一个有说服力的物理基础，这种深层次的误解就仍然有存在的可能性――一种未知的未知，一些在我们所建立的宇宙数学模型中最基本的错误，然而迄今我们都无法正确描述它们。或许引力量子理论可以带我们走的更远？又或许一些新的观察发现可以帮助我们重新调整广义相对论宇宙学理论？
我们可能需要找到一些替代品来弥补目前观察到的微弱的迹象。但是，可能一旦我们舍弃了那有关于现实的被忽视的假设，神秘面纱或许就会被揭开，而所有的黑暗终将会被驱逐消散，星空将重新恢复灿烂夺目的一面。
资料来源 New Scientist
责任编辑 则 鸣
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本文作者：史蒂芬·巴特斯比（Stephen Battersby），《新科学家》杂志顾问。