當(dāng)我們仰望星空，看到的恒星、星系、星云等璀璨天體構(gòu)成了我們眼中的宇宙，但這只是宇宙的冰山一角。

現(xiàn)代宇宙學(xué)研究揭示了一個驚人的事實：我們能觀測到的普通物質(zhì)（包括所有恒星、行星、氣體和塵埃）僅占宇宙總能量密度的約 5%，而剩下的 95% 則由兩種神秘的成分構(gòu)成 —— 暗物質(zhì)和暗能量。它們看不見、摸不著，卻掌控著宇宙的結(jié)構(gòu)形成、演化歷程和未來命運，是真正統(tǒng)治宇宙的 “隱形力量”。

暗物質(zhì)的存在最早源于科學(xué)家對星系旋轉(zhuǎn)曲線的觀測困惑。20 世紀 30 年代，瑞士天文學(xué)家弗里茨?茲威基在研究后發(fā)座星系團時發(fā)現(xiàn)，星系團中星系的運動速度遠快于根據(jù)可見物質(zhì)質(zhì)量計算出的預(yù)期速度。按照牛頓引力理論，如此快的運動速度會使星系團因離心力過大而瓦解，但實際觀測中星系團卻保持著穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

茲威基推測，星系團中一定存在大量看不見的 “暗物質(zhì)”，其引力作用維系著星系團的穩(wěn)定，他據(jù)此估算暗物質(zhì)的質(zhì)量可能是可見物質(zhì)的 10 倍以上。

這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時并未引起足夠重視，直到 20 世紀 70 年代，美國天文學(xué)家維拉?魯賓的研究才讓暗物質(zhì)的存在獲得廣泛關(guān)注。魯賓在觀測旋渦星系的旋轉(zhuǎn)曲線時發(fā)現(xiàn)，星系邊緣恒星的旋轉(zhuǎn)速度并沒有像預(yù)期的那樣隨距離增加而減慢，反而保持恒定甚至略有增加。這意味著星系中存在著一個巨大的 “暗物質(zhì)暈”，其質(zhì)量遠超過可見的星系盤部分，為邊緣恒星提供了額外的引力牽引。此后，更多的觀測證據(jù)陸續(xù)出現(xiàn)：星系團的引力透鏡效應(yīng)顯示其質(zhì)量遠大于可見物質(zhì)總和；宇宙微波背景輻射的微小起伏需要暗物質(zhì)的存在才能得到完美解釋；大尺度結(jié)構(gòu)形成模擬也表明，沒有暗物質(zhì)的參與，宇宙中無法形成現(xiàn)在觀測到的星系分布。

這些觀測證據(jù)共同指向一個結(jié)論：暗物質(zhì)是宇宙中一種不可見的物質(zhì)形式，它不與電磁力相互作用（因此無法通過光或其他電磁波觀測到），但具有引力效應(yīng)，其總質(zhì)量約占宇宙的 27%。暗物質(zhì)的存在是現(xiàn)代宇宙學(xué)標準模型的核心支柱之一，沒有它，我們就無法解釋宇宙的結(jié)構(gòu)形成和演化。

暗物質(zhì)雖然不可見，但它在宇宙演化中扮演著至關(guān)重要的角色，是構(gòu)建宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的 “腳手架”。在宇宙誕生初期，暗物質(zhì)由于其引力作用，首先在微小的密度漲落處聚集形成引力勢阱，為普通物質(zhì)的聚集提供了引力核心。普通物質(zhì)（主要是氫和氦）在暗物質(zhì)引力的牽引下逐漸落入這些勢阱，最終形成恒星、星系和星系團。可以說，沒有暗物質(zhì)的引力 “骨架”，宇宙中就不會有星系的形成，更不會有地球和生命的存在。

暗物質(zhì)的分布決定了宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形態(tài)。通過計算機模擬，科學(xué)家重現(xiàn)了暗物質(zhì)如何從宇宙早期的均勻分布逐漸演化出纖維狀結(jié)構(gòu)和空洞 —— 暗物質(zhì)在引力作用下聚集形成巨大的纖維狀結(jié)構(gòu)，這些纖維相互連接形成宇宙網(wǎng)，而星系就誕生在宇宙網(wǎng)的節(jié)點處，節(jié)點之間則是幾乎空無一物的空洞。這種結(jié)構(gòu)與實際觀測到的星系分布高度吻合，進一步證實了暗物質(zhì)的存在及其重要作用。

如果說暗物質(zhì)通過引力將宇宙物質(zhì)聚集在一起，那么暗能量則是一種與此相反的神秘力量，它正在推動宇宙加速膨脹。這一發(fā)現(xiàn)源于 20 世紀末天文學(xué)家對遙遠超新星的觀測，徹底改變了我們對宇宙演化的認識。

20 世紀 20 年代，埃德溫?哈勃發(fā)現(xiàn)星系正在遠離我們，表明宇宙正在膨脹，這一發(fā)現(xiàn)支持了宇宙大爆炸理論。

根據(jù)當(dāng)時的認知，宇宙膨脹應(yīng)該由于引力作用而逐漸減速，就像拋向空中的球會因地球引力而減速上升一樣。1998 年，兩個獨立的研究團隊（由索爾?珀爾馬特、布萊恩?施密特和亞當(dāng)?里斯分別領(lǐng)導(dǎo)）通過觀測遙遠的 Ia 型超新星（一種亮度恒定的標準燭光）來測量宇宙膨脹速率的變化，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)了令人震驚的現(xiàn)象：宇宙膨脹不僅沒有減速，反而在加速！這一發(fā)現(xiàn)意味著宇宙中存在一種未知的斥力，對抗著引力的收縮作用，推動宇宙加速膨脹。這種神秘的斥力來源被稱為 “暗能量”，三位科學(xué)家因此獲得 2011 年諾貝爾物理學(xué)獎。

暗能量的本質(zhì)比暗物質(zhì)更加神秘。目前觀測表明，暗能量約占宇宙總能量密度的 68%，是宇宙中最主要的成分。關(guān)于暗能量的本質(zhì)，最流行的假說認為它是一種 “宇宙學(xué)常數(shù)”，即真空中固有的能量密度，由量子力學(xué)中的真空漲落產(chǎn)生。

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，真空能量會產(chǎn)生排斥性的引力，導(dǎo)致宇宙加速膨脹。另一種假說認為暗能量是一種動態(tài)變化的 “第五元素”，其能量密度會隨時間變化。還有假說認為暗能量的存在表明我們對引力的理解存在缺陷，需要修改廣義相對論。

無論暗能量的本質(zhì)是什么，它的存在對宇宙的未來命運具有決定性影響。如果暗能量的密度保持恒定（宇宙學(xué)常數(shù)），宇宙將永遠加速膨脹下去，星系之間的距離會越來越遠，最終宇宙將變得寒冷而孤寂，進入 “大凍結(jié)” 狀態(tài)；如果暗能量的密度隨時間增加，斥力可能變得極強，足以撕裂星系、恒星甚至原子，導(dǎo)致 “大撕裂”；如果暗能量密度減小，引力可能重新主導(dǎo)，宇宙可能收縮并最終坍縮成 “大擠壓”。目前的觀測數(shù)據(jù)支持宇宙將持續(xù)加速膨脹的圖景，但暗能量的長期演化仍是未知數(shù)。

暗物質(zhì)和暗能量雖然性質(zhì)迥異，卻共同統(tǒng)治著宇宙的演化進程，它們的相互作用塑造了我們今天看到的宇宙。暗物質(zhì)通過引力構(gòu)建宇宙的結(jié)構(gòu)骨架，促進星系和恒星的形成；暗能量則通過斥力推動宇宙加速膨脹，決定宇宙的整體命運。這兩種神秘成分的比例和性質(zhì)，是理解宇宙過去、現(xiàn)在和未來的關(guān)鍵。

在宇宙演化的不同階段，暗物質(zhì)和暗能量扮演的角色各不相同。宇宙大爆炸后的初期，物質(zhì)密度極高，引力主導(dǎo)了結(jié)構(gòu)的形成，暗物質(zhì)開始聚集形成引力勢阱；隨著宇宙膨脹，物質(zhì)密度逐漸降低，大約在 70 億年前，暗能量的斥力超過了物質(zhì)的引力，宇宙開始進入加速膨脹階段。這種角色轉(zhuǎn)換的時間點和細節(jié)，由暗物質(zhì)和暗能量的密度演化特性決定，通過精確測量這一過程，科學(xué)家能夠檢驗宇宙學(xué)模型的正確性。

暗物質(zhì)和暗能量的存在也對基礎(chǔ)物理學(xué)提出了嚴峻挑戰(zhàn)。目前的粒子物理標準模型只能解釋普通物質(zhì)的存在，無法包含暗物質(zhì)粒子；廣義相對論雖然能描述暗能量的引力效應(yīng)，但無法解釋其起源和本質(zhì)。這意味著我們可能需要一種更基礎(chǔ)的理論，能夠統(tǒng)一描述普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量，這種理論的建立將是物理學(xué)史上的重大突破，可能像相對論和量子力學(xué)一樣徹底改變我們對宇宙的理解。