暗物質與暗能量的統一

李科

摘 要：暗物質與暗能量是21世紀粒子物理和宇宙學研究中的兩個重大的科學問題。文章旨在概述暗物質與暗能量的基本定義及特點，其次提出統一二者的理論，最后利用該理論完善了宇宙大爆炸模型。

關鍵詞：暗物質；暗能量；統一理論；宇宙學；天體引力

中圖分類號：P131 文獻標識碼：A

1.暗物質與暗能量概述

暗物質（Dark Matter）是一種因存在現有理論無法解釋的現象（星系轉速過大）而假想出的物質，是一種比電子和光子還要小的物質，且不帶電荷，也不與電子發生干擾，但能夠穿越電磁波和引力場，是宇宙的重要組成部分。暗物質無法直接觀測得到，但它能干擾星體發出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。

暗能量是驅動宇宙運動的一種能量。它同暗物質一樣，都不會吸收、反射或者輻射光，所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。在宇宙學中，暗能量是為了迎合實際的猜想而提出的，是一種充溢空間的、具有負壓強的能量。按照相對論，這種負壓強在長距離類似于一種反引力（本文認為就是引力）。這個猜想是解釋宇宙加速膨脹和宇宙中失落物質等問題的一個最流行的方案。

2.統一理論

為了統一上述的暗物質和暗能量，本文認為暗能量其實可能就是一種暗物質對“宇宙”內部的引力，這種物質環繞宇宙周邊。如圖1所示：

圖1中，虛線內部是我們目前所熟知的“宇宙”，其主要構成物質中僅含有少量暗物質（這少量已經遠大于物質，只是相對虛線外側而言），其存在的主要現象是上述所說的星系轉速大于其內部重子物質所產生的引力作用；圖1虛線至實線圈為本理論提出的“暗物質圈”，其內部主要成分自然是暗物質，且其主要結構與虛線宇宙內部的暗物質幾乎相同。圈中的暗物質自然會對虛線內的宇宙產生引力作用，如圖1所示，對于站在宇宙中的觀察者，這樣的引力來自宇宙的邊緣，就如同“反引力”一般，并將其命名為暗能量。其實它的實質可能只是宇宙外層暗物質圈對宇宙的引力而已。

3.大爆炸新模型

上述理論很好地說明了暗能量的產生及其與暗物質的可能關系，但它們是何時產生而又何時分道揚鑣地存在于暗物質圈和宇宙內的呢？這不得不從宇宙的起始——宇宙大爆炸說起。

參見圖2，宇宙起始于一個密度極大的奇點；該奇點在某個時刻（時間還沒產生）失去了平衡，產生了第一次大爆炸，這次爆炸一直被忽視，因為它沒有使奇點破碎，只是使奇點穩定存在的力的粒子向周圍散失，這些粒子就是產生暗能量的源頭。隨后不久失去粘合力的奇點便發生了著名的第二次爆炸——史稱宇宙大爆炸，整個奇點破碎，時間產生了，剩余的暗物質和重子物質四散而去，并逐漸冷卻逐步形成了現在的宇宙（發展前期）。宇宙中的天體等在暗物質圈的引力下不斷加速膨脹，與此同時，暗物質圈也在宇宙及暗物質引力下不斷減速膨脹。當宇宙重子物質和暗物質圈幾乎重疊時，宇宙停止膨脹并開始在自身引力下收縮，最終塌陷至奇點，時間再次回到原點。

暗物質和暗能量的作用力方向看似完全相反，但筆者認為兩者可能是同一物質（新基本粒子）導致的，至少在本理論中可以存在這樣的一種“暗物質”。它在內部表現為引力，而在“外部”表現為拉伸的“反引力”。本文依此完善了宇宙大爆炸模型，以說明該理論對宇宙演化具有完整的解說能力。

參考文獻：

[1]李 科. 對宇宙形成及歸宿的探討[J]. 社會科學（全文版），2017，5（4）：64-65.

[2]許 槑. 暗物質與暗能量[J]. 物理通報， 2004（2）：1-3.endprint