1. 宇宙膨胀留下的“乌云”暗物质，是怎样的一种存在
暗物质是当前天文观测中，出现与理论不吻合的现象后，假设存在的一种未知物质。
好比：夜晚你走在路上，突然听到路边有异响，你看不见那东西，但是你的确听到了异响，所以你猜测可能遇到“鬼”啦！这个“鬼”，就好比科学中的暗物质。
上个世纪，天文学家发现，某些星团的运行速度，远高于理论计算速度；按照理论计算，该速度下的星团足以四分五裂，可事实并非如此。后续天文观测中，发现了更多类似的异常现象，于是科学家开始研究，到底是什么导致了观测与实际不符合，在排除了各种可能的原因后，暗物质理论成为主流。
暗物质理论描述：宇宙中存在一种看不见的物质，它们不同于我们已知的物质，暗物质参与引力作用，使得观测到的天文现象和现有理论出现偏差。据暗物质理论推算，结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型（CDM模型）可确定宇宙氏岁中暗物质占全部物质总质量的85%，因为暗物质难以被观测到，只能通过引力作用去发携核伏现它，所以暗物质成为当今物理学的“乌云”之一。
暗物质是科学对星系运行作用力解释存在困惑的猜测。由于目前科学界对星球作用力的认识仅仅局限于万有引力一种，而完全不知道星球之间还有其它作用力，所以，暗物质问题是学术界对星球作用力的认识还存在严重缺陷造成的。
我们知道核子原子之间存在着四种作用力，但却固执地辩携认为星球之间只有一种作用力，所以对星系运行作用力的困惑完全是由这种认识缺陷造成的，而并不是由什么暗物质支配的。
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2. 宇宙有结构吗如果有是什么结构
当然有啊。
宇宙是由什么组成的？
万物是由什么构成的？这是我们至今仍在追问的问题。现在我们知道，宇宙中存在着一些无法由更小的物质构成的基本粒子。你知道这些基本粒子都有哪些吗？原子是由原子核和电子组成的，电子是基本粒子，但原子核并不是，它是由质子和中子构成的。但还没有结束，质子和中子实际上是由基本粒子——夸克和胶子组成的。夸克和胶子之间的相互作用是由粒子物理学的标准模型所描述的。
图片：Pany/NPI但是对于质子的大小问题，理论预测和实验观测的结果却有着相当大的差异，可以达到大约4%的水平（只有0.5%的不确定性）。这自然令理论物理学家深感不安。
理论物理学家Phiala Shanahan从事的研究就是通过格点量子色动力学（Lattice QCD）来计算质子的大小。如果有足够强大的计算机，那么她明天就可以给出质子大小的精确结果，然而，即使计算机的计算能力按照指数增长，在她有生之年（她现在还不到30岁）也难以完成这个计算。
因此我们不仅需要更好的技术算计，还需要技术上的突破，或许是通过设计更高效的算法（比如机器学习），或许是使用更好的计算机芯片（比如FPGA），或许是通过量子计算机。
3. 什么是暗物质人类目前如何探测暗物质
你知道宇宙80%以上的质量是未知的吗？我们所知道的那很小一部分是由行星、恒星组成的，包括我们人类的星球，但宇宙的大部分是由未知的质量组成的。这个未知的质量究竟是什么，因为它从未被直接探测到过，这是物理学家今天面临的一个重大问题。
尽管这个未知的物质从未被探测到，但它确实有一个名字：暗物质。
如果它比预期的更难以捉摸和/或其属性并不能受到传统人类的搜索或寻找方式而被发现，那该怎么办？科学界最新提出了扩大探测参数空间，特别是低质量暗物质粒子的新思路，极大地提高了探测灵敏度。
4. 暗物质---宇宙深处的神秘力量
暗物质是什么？
全宇宙的恒星正在爆炸，这些是宇宙的大灾难。但这些科学家认为爆炸是太空深处的灯塔，照亮了一场极大规模的战争。交战双方是两股神秘的无形力量。其中一种让我们存在，另一种则让我们毁灭。如今我们也陷入挣扎，试着了解这些庞大的力量，并了解黑暗之外的世界。
你、我、太阳与恒星，我们所见的事物都有个共通点，我们都是由原子组成的。已知宇宙的物质几乎都是由原子组成。但宇宙还有更多奥秘，我们正开始发现这一面。我们的身体、家园、世界、甚至太空里广大的虚空，都充满了一种神秘物质，这种物质十分奇特。过去许多科学家怀疑其存在，但是在2009年，超敏感的粒子探测器首度发现这些物质。这是惊天动地的发现，让我们必须重新检视我们在宇宙的地位，以及我们最终的命运。
发现暗物质
1960年，一位名叫Vera Rubin的天文学家决定去探索很少人研究的太空领域。她叙述道：那时她有两个孩子，一个两岁，一个四岁，她不想和其他天文学家一样竞相研究热门领域。Vera 知道如果要研究黑洞之类的热门领域，其他天文学家会比她更早发表成果，因此她转而研究冷门的天文学课题。当时，她也不确定自己为何要研究星系，但她觉得星系非常神秘，当时的她们了解也不多。尤其是关于星系的运动。起初，Vera用望远镜观察银河系最近的邻居——仙女座星系。跟多数星系一样，恒星密集地聚在仙女座中心。Vera预期看到无数恒星围绕着中央运行，就像太阳系的行星一样，遵守牛顿的重粗备力法则。恒星离中心越远，就运行得越慢。
Vera的父亲在40年前退休时为她制作了一个太阳系模型，在这个模型中可以观察到牛顿的理论。水星、金星、地球和火星。火星的速度最慢，其次是地球，水星的速度最快。因为火星受到的重力远小于水星受到的重力。所以，火星的运行速度较慢。Vera在观察星系时，认为恒星也会以这种模式运行，离中心越远，运行得越慢。但是结果并非如此，她们花了两年左右的时间，才测量到90个仙女座恒星的速度。结果非常惊人，她们发现所有恒星的运行速度完全相同，都是每秒250公里。接下来的几年，Vera观察的星系都出现这种不岩芹毁可思议的结果，从星系中心到边缘的恒星运行速度都一样。这跟太阳系的现象完全不同。唯一的解释就是，不管恒星离星系中心有多远首拿，所受的重力都不会减弱。然而，这是不可能的，除非星系的质量大于天文学家的观察结果。合理的解释是星系一定有大量的无形物质，事实上或者90%-95%星系里的物质都是无形的。
这是真正具有创新意义的观念，星系也许充满着看不见的物质。科学家只能把它们称为暗物质。但这么激进的理论需要确凿的证据。不久就有许多天文学家检视Vera的观察结果。有的人很想推翻她的理论，有的人则很想了解这神秘的暗物质究竟是什么，又存在于哪里。这实在很神奇，也很有趣。Vera选了这块领域，因为她想研究其他人不在乎的东西。但突然间有很多人和她一起研究，他们提出看法与观察结果，让这块领域变得热门。
什么是暗物质？
在大西洋对岸的英格兰，顶尖的宇宙学家Carlos Frenk开始研究暗物质的观念。但他用的不是望远镜而是方程式。他将牛顿重力法则输入非常精密的计算机仿真程序。他介绍说这台宇宙机器是非常大的超级计算机，它的唯一目的就是模拟宇宙。这里有1300台计算机同时运作，即使如此，要模拟宇宙的一小部分也要花好几个月。这种强大的运算能力超乎我们的想象，但这是模拟宇宙的必要条件。
起初，Carlos进行模拟时使用的是科学界公认的初期宇宙成分。也就是虚空里的巨大气体云。然后他就等着看这台宇宙机器是否会制造出我们看到的星系。Carlos道：我们只用看得见的物质，在计算机里仿真星系，结果会如何？恒星形成、演化、最大的恒星爆炸成为超新星，进而散发极大能量。但是重力不足以留住这些气体，所以星系会自行消散，气体会消散殆尽。但宇宙并不是这样形成的。
因此，Carlos将暗物质加入方程式。他一点一点地增加，最后他增加的暗物质是可见物质的5倍。几周后，宇宙机器出现奇怪的现象。Carlos发现这次计算机仿真星系的形成用的是无形的暗物质和气体，大爆炸发生约十亿年后，形成团状暗物质。气体进入这些团状暗物质，形成恒星。无形暗物质的重力将这些团状物凝聚起来，融合成更大的结构。所以百亿年后就形成美丽的螺旋星系。我们的银河系就是这么来的。
Carlos证明如果有大量的暗物质就能形成星系。但如何去证明真有其事？
验证暗物质
在苏格兰的爱丁堡，Richard Massey仍在设法解开这个问题。他创立了一种全新的方法探测暗物质——重力透镜。多亏了爱因斯坦，他用了全新角度观察太空，他认为太空是可弯曲变形的物质，受重力影响。凡是有质量的恒星或星系，都能扭曲太空的结构，就像透镜一样。太空结构一扭曲，通过的光线也会扭曲。
暗物质不会反射光线，也不会吸收或发射光线。光线会通过暗物质，不受影响。所以，我们要观察其他地方。像是暗物质如何用重力影响可见物质。光线会因为扭曲的时空而偏斜，听起来很疯狂，其实这是很熟悉的现象，我们常看到光线扭曲。透过酒杯的底部就能看到。虽然酒杯底部是透明的，光线可以直接通过，但是背景影像扭曲了，所以光线也扭曲了。暗物质就像这样，会借着各种物理效应扭曲光线，但是最后的结果都一样。星系前方若有暗物质，影响就会扭曲。
这两年来Richard带领各国的天文学家使用一批望远镜观察一部分夜空，寻找所有看得见的重力透镜圆弧。“这个画面是重力透镜的影像，”Richard道：“这些黄点都是离我们较近的星系，这些奇怪的弧形其实是远方的星系。远方星系的光线会通过较近的黄点也就是前景星系。因为前景星系会扭曲太空，也会扭曲远方星系的光线。因此，远方星系的影像就变成弧状的光。”
Richard运算远方星系的光线遭到扭曲的程度，再跟前景星系的可见质量相比。他发现实际的弧度比理论上要大得多。因此，他推论无形的暗物质一定遍布在所有的星系里。从重力透镜的影像里，Richard他们发现暗物质的数量是正常物质的5倍，他们看到的还只是宇宙的冰山一角。宇宙里的大部分物质都是暗物质。
无论天文学家观测哪里，他们都开始感受到大量的暗物质。但Richard打算再迈进一大步，他要首度拍下这个宇宙巨人的影像。他拍下后，我们就发现暗物质对我们的重要性超乎我们的想象。
Richard花了几年时间设法证明暗物质的确存在，这种无形的物质就像形成一块布裹住宇宙所有的星系。他非常仔细地探索一小块宇宙，以绘制第一张暗物质的地图。“这张实际的天空照片是哈勃太空望远镜拍下的，上面有无数的星系。我们可以非常精准地测量这些星系的形状。以及星系形状的扭曲程度。我们观察星系光线，通过暗物质时的扭曲程度，就能画出暗物质的地图。
光线通过星系受到扭曲，最后抵达地球，同时也勾画出暗物质的地图轮廓。Richard让这块无形的宇宙剖面图现形，“这是前所未见的三维地图，显示出宇宙的真实面貌，以及宇宙的主要成分。如果有外星人过来观察我们的宇宙，如果它们可以看到我们宇宙的所有成分，他们就会看到这幅景象。”这就像是宇宙暗物质的汤，最浓稠的地方就是星系形成的位置。
这就是Richard绘制的暗物质地图，左边的图片是宇宙星系与气体的实际位置，这些是正常物质。有巨大星系团的地方，就有高浓度的暗物质。这边有一个巨大星系团，这边就有对应的暗物质光圈环绕在四周。重叠这两张图片，能发现两者的位置相同。正常物质存在于暗物质的支架里。
暗物质的特性
Richard观察了庞大宇宙的一部分，而Frank则用计算机仿真出整个宇宙。
Frank：“在这里可以看到暗物质形成的复杂样式,这个网络充满细丝与团状物，我们称之宇宙网。在团状的暗物质里，会形成像银河系一样的星系，气体会在里面冷却凝聚，最后形成恒星。暗物质就像宇宙的骨架，有了这种骨架才会出现星系。”
这背后的含意相当惊人，有了暗物质才会形成今天的一切。没有暗物质就没有星系，也不会有恒星、行星，结果就不会有生命。暗物质在40年前还是个奇特的概念，而如今已不只是个概念了。原来暗物质对我们的存在十分重要。而我们正在逐渐了解其原理。我们知道暗物质和光没有交互作用，但是会受到重力影响。
到了2004年，望远镜拍下了这个画面，让我们了解暗物质的新特性。在40亿光年之外，就是已知宇宙1/3的距离，两个星系团发生碰撞，激发出惊人的能量。数以兆计的恒星以3000里的秒速交错而过。星系团受震波扭曲，变成子弹的形状。此事件称为——子弹星系团碰撞。这种天文奇观让天文学家相当兴奋，更令人振奋的是，由此可知暗物质比我们想象的还要奇特。子弹星系团其实是两个独立的星系团，两者都有暗物质和正常物质。这两个星系团相撞时，就像是宇宙里的巨大车祸。正常物质的速度减慢，并逐渐散发出X光，然后速度开始减慢。最后停在碰撞点附近。但暗物质在撞击后继续运动，最后会比正常物质距离碰撞点更远。
要了解整个过程，我们可以通过实验来表述。在这个实验里，我们用车代表正常物质，然后加上另一个要素——粒子（代表暗物质）。当粒子在碰撞时有什么不同反应？正常物质发生碰撞会停下来，暗物质就完全不同，根本不会有交互作用，它们在碰撞时会直接穿过，继续移动。然后我们看到，暗物质比正常物质离碰撞点更远。子弹星系团就是最好的证据，显示了数十年来天文学家观测到的无形物质和正常物质相比，性质相当不同。这是全新的发现，科学界所知不多。暗物质不受正常物质影响，也不受自身影响。两团暗物质相撞时，会直穿彼此，没有产生作用。在半个宇宙外的天文灾难，证明了暗物质的确存在。而且它们不同于所有我们已知的事物，几乎像幽灵一样，看不见，摸不着。
如何找到“暗物质”？
我们活在物质与光的宇宙里，物质让我们存在，光延续我们的生命。如今我们知道这只是一小部分分真相。我们的宇宙还充满一种神秘物质——暗物质。它看不见，摸不着，却到处都是。每秒都有无数暗物质粒子通过我们的身体，如果科学家可以抓住这种粒子加以研究。那么，我们能否想出办法一窥这种难以捉摸的物质？有些科学家认为这是有可能办到的。他们深入探索地球的黑暗内部。
过去100年来，物理学家发现所有物质都是由20种基本的次原子粒子组成。像是玻色子、电子、夸克和微中子。但物理学家也怀疑还有其他的罕见粒子。暗物质是什么，相关理论有很多。科学家正在逐一研究和排除错误的理论。目前暗物质的主流理论是超对称粒子。也就是说，我们所有已知的正常粒子都有相对应的粒子。这组多出来的粒子存在暗物质里，不会和正常物质起作用。只会有相当微弱的重力。
科学家把这些暗物质叫做 大质量弱相互作用粒子 （WIMP）。这些粒子和正常物质的原子几乎没有交互作用，因此很难截取它们并加以研究。此外，因为日常充满了正常物质的粒子，科学家很容易就会误取正常粒子，而错过了WIMP粒子。Dan Bauer找到了取得它理想的地点。在明尼苏达州废弃铁矿厂的地底半里处。这或许并不是物理研究机构的首选地方，但选这里的理由是因为他想避开来自太空的宇宙射线粒子。地下半里的岩床足以抵挡背景噪声，要找到WIMP粒子轻而易举。但其实并非如此，WIMP粒子侦测器外面有厚达数尺的金属与重塑料护罩。山洞的岩石和周围的物质就连我们身体都带有微弱的放射线。要是这些粒子进入侦测器，会产生很大的背景噪声，导致无法找到WIMP粒子。而护罩可以防止这些粒子进入侦测器。
护罩里有18个曲棍球饼大小的固态锗晶体，用来侦测微弱振动，WIMP粒子撞到晶体时，就会产生这些振动。为了有成功的机会，晶体必须相当纯净，温度要求非常低。
Dan：“这是固态锗晶体的模型，这些网球就代表晶体的锗原子。在室温下，相对地这些原子会向彼此移动。这是我们所知道的热能。要是把WIMP粒子丢到晶体里，根本就看不出差异。因为晶体的振动很激烈，要是我们把温度降到绝对零度左右，此时原子就会停止运动。然后我把WIMP粒子丢进晶体，就会看到晶体振动，这就是我们在寻找的信号。”
这种粒子和普通物质几乎没有交互作用，每秒都有无数个WIMP粒子通过我们身体，因为它的交互作用弱，所以只会通过我们继续前进。它们会通过整个地球，继续前进。我们预期每年只能侦测到一、两个这样的粒子起作用。因此，几率很小。为了避免误测，他们会不作分辨地搜集资料，用的是计算机硬盘里的密封盒。在一整年里，工作人员都不能搜查里面的WIMP粒子信号。经过7年，耗费上千万美金，在2009年底打开盒子，里面是一整年的数据中，终于发现了WIMP粒子的踪迹。这或许是第一次，我们确实找到了这种难以捉摸的暗物质。这或许让我们能更进一步了解暗物质。但Dan并不完全肯定他找到的就是WIMP粒子。因此，他们得继续找更多的粒子。他还需证明找到的粒子是WIMP粒子。
找到WIMP粒子对我们有什么意义？
要是我们找到这些粒子，就会出现全新的物理领域。如果宇宙里真有超对称粒子，这种粒子有自己的交互作用和特性，同时也是宇宙的主要成分，那这就是全宇宙的现象。我们的物理现象反而是旁枝末节。
暗物质与宇宙
但正当科学家觉得他们越来越了解暗物质的时候，他们有发现很奇怪的现象。或许暗物质能够让星系形成，但实情不只如此。在21世纪初，太空探测器发现黑暗中还有别的东西。暗物质将一切结合起来，但是有一股力量或许会摧毁整个宇宙。
如今我们知道可见的宇宙就像浪花，漂在暗物质的大海上。天文学家发现自己漂浮在这片陌生的海上，过去20年来，Saul都在研究这片海域，设法确定暗物质对我们最终的命运有何含意。宇宙会永远存在吗？还是会在某天突然停止，整个崩塌？Saul在读物理时就非常想了解这些问题。他决定追随前人脚步，20世纪最杰出的天文学家Edwin Hibble。
在1920年代，Hibble开始详细观察夜空里的数十个星系，但他觉得有件事很奇怪。几乎全部星系都是红色的，物体远离我们的时候，音调会变低，光线则会变红。Hibble推论宇宙里所有的星系正在快速离我们远去。结论只有一个，宇宙一定是在不断扩张。但他不知道扩张速度是多少，原因又是什么，因为接近我们的暗淡星系看起来就像远离我们的明亮星系。因此他无法判断距离。
困难的地方是你必须知道这些星系实际上有多亮，才能判断有多远。如果你在海上坐船，你在浓雾里看到远方有灯塔，有可能是灯塔的光线很亮，但是离你很远。也有可能是灯塔的光线很暗，其实就在眼前。这个根本的问题在前几个世纪一直困扰着天文学家。但是这个问题有办法解决，自从1980年代天体物理学家就知道有种特殊的恒星爆炸，叫做1A超新星。比太阳稍大的恒星快要用尽燃料的时候，会变得更小，更暗，更紧密。这个阶段称为白矮星。白矮星已经在垂死边缘。但是它仍然有可能复活，只要找到新的燃料就行。如果白矮星属于一个双星系统，邻近的恒星就能提供燃料。一旦白矮星的重力从邻近恒星获取足够质量，就再也不能回头，只会爆炸。此时它的温度超过10亿度，它多数的气体会扩散到太空中。
1A超新星完全符合我们的目的，因为这类恒星的质量相同，爆炸达到巅峰时会产生相同的亮度。光亮会持续几周，在几个月后逐渐黯淡，如果我们能观察到这种现象，尽管爆炸在数10亿年前已经发生了，我们还是能够得到标准，来判断星系的距离。
相同质量所产生的明亮爆炸总会发出等量的光线，用看到的光线判断超新星离我们有多远，在理论上应该可行。但是实际上有问题，这个想法听来很棒，但是非常难执行。1000年里只有几个超新星，每个星系都是如此，人们无法知道哪一个会爆炸。因此很难安排到世界上最大的望远镜，那是要在几个月前预约的。Saul与他的工作团队灵机一动，每隔几周就拍摄相同的夜空广角照片。再用自动化程序在里头寻找超新星的闪光。如果研发的计算机程序够精密，就能在他们搜集的照片里比较数量庞大的星系，看里面是否有三周前从未出现的闪光。如果有的话，就可能是超新星。
在短短5年内，Saul团队在38个星系里发现38个恒星变成超新星。他们能发现超新星爆炸，因而成为传奇。最后，我们得到足够数据评估宇宙的现况。提出了天文学上自Hibble以来最惊人的发现,Saul：“我们一直以为宇宙在扩张，而宇宙间的物质会因重力而互相吸引，因此重力会减缓扩张速度，我们一直想知道这种现象会持续多久。会不会有一天就突然停止了？但我们发现上述问题都不存在，扩张速度根本没变慢，显然宇宙扩张的速度反而越来越快。Saul的团队意外发现星系间有股无法解释的互斥力，因此宇宙会逐渐扩张，他们称之为暗能量。显然宇宙并不像我们想的一样以重力互相吸引，而是受到某种我们从未研究过的东西控制——暗能量。暗指的是我们对它一无所知，而不是东西的颜色。这股能量会加快宇宙扩张的速度。
暗能量与宇宙
2001年夏天，三角洲二号运载火箭携带一个小型探测器进入太空，探测器名为威尔金森微波各向异性探测器，是为了观察最遥远及最远古的宇宙，并研究大爆炸留下来的微弱回声。
David Spergel是威尔金森微波各向异性探测器科学家。我们通过探测器看到的是宇宙快照，非常接近大爆炸时期，当时宇宙非常简单，就像为宇宙拍婴儿照一样。探测器花了6个月逐渐拼凑出宇宙婴儿时的样貌，并侦测大爆炸的余烬，所产生的微小波动与温度。
宇宙初期就如同平静的湖面，非常均匀而平滑。在初期的宇宙里，到处都有微小的密度变化，这些变化会产生声波，就像湖里的涟漪一样。涟漪的变化取决于湖的深度和水的特性，如果湖水是水银，涟漪就会有截然不同的变化，我们借由涟漪移动的速率以及散开的模式，就能知道湖的特性。研究初期宇宙亦是如此。
要研究这些涟漪与大爆炸的回声，需要分析非常大量的数据，设法计算解决复杂的方程式，最后通过1.5年时间他们以惊人的精确度说明宇宙的成分。目前，4.6%的宇宙由原子组成，暗物质则占23%左右，特别奇怪的是72%的宇宙是由暗能量组成。暗能量几乎占了宇宙的3/4！
100年前，我们还以为我们的银河就是整个宇宙，后来发现宇宙有无数的星系，就像银河一样但是跟我们分开。如今我们知道宇宙正在扩张，逐渐远离我们。不仅如此，扩张的速度还越来越快。我们原本熟悉的宇宙就像家一样，如今变成广大无垠的虚空。
观察黑暗彻底改变了我们对宇宙与自身的看法。构成我们的物质——原子只占宇宙的4.6%，将近1/4的宇宙是暗物质，它让星系得以形成，而3/4的宇宙是暗能量，这种无法解释的能量会摧毁一切。我们的宇宙最后会不会因此灭亡？