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跟着时间的推移，宇宙变得越来越不被暗物量所收配，而更多地被暗能量所收配。它们为何能主宰宇宙？它们又有什么区别？
庞大的星系团 SDSS J1004+4112 是一个庞大的物量团，使我们可以探测十分早期的宇宙。若是任何一种能量已经衰变和/或改变为另一种，那么对附近和遥远的宇宙停止结合不雅测将是提醒它的更佳路子。
关键要点
在更大的宇宙标准上，主导宇宙膨胀行为的不是原子或光，而是两种看不见的高能成分：暗物量和暗能量。 在过去 70 亿年摆布的时间里，暗物量的能量密度急剧下降，而暗能量变得相对愈加重要，后者如今主导着宇宙的膨胀速度。 那可能是因为暗物量正在衰酿成暗能量吗？那是一个斗胆的设法，但我们仍能够对其科学价值停止认真审查。寡所周知，当涉及到宇宙的构成时，我们需要晓得的是不单单是通俗物量和辐射才气使宇宙故事相加。通过查抄宇宙中所有差别形式的物量和能量，我们晓得总和中只要大约 5% 以我们已知的粒子形式呈现：原子及其成分、中微子和光子。我们必需从我们的天体物理学不雅测中揣度出其余部门：宇宙微波布景、宇宙的大标准构造和遥远的河外探测器。当我们如许做时，我们得出结论，宇宙中所有能量的 27% 以某种形式的不成见、聚集的暗物量存在，其余 68% 平均散布在整个空间：暗能量。没有那两种额外的成分，宇宙就不会酿成今天如许。
暗物量的削减与暗能量的增加有关，那不是很明显吗？若是我们看到宇宙开展的时间表，它看起来像是暗物量的合成或改变可能是暗能量增加的来源。但如许的假设有按照吗？
提出一个好的假设所需要的只是一个得当的问题，那就是。关键的一步是看它若何经得起审查。
固然暗物量收集（紫色，左）似乎能够自行决定宇宙构造的构成，但一般物量（红色，右）的反应会严峻影响银河系的标准。暗物量和一般物量都需要以准确的比例来解释我们察看到的宇宙。中微子无处不在，但尺度的轻中微子不克不及解释暗物量的大部门（以至很大一部门）。
起首，我们必需领会暗物量和暗能量到底是什么。暗物量的行为就像通俗物量一样，有一个很大的破例：据我们所知，它欠亨过尺度模子中存在的任何力彼此感化。若是你将一个庞大的、孤立的暗物量团块和一个等量量、等体积的一般物量团块别离放入我们的宇宙中，那就是会发作的工作。
它们城市遭到同等的引力，在不竭膨胀的宇宙中被束缚并构成一个庞大的构造。每一个零丁的粒子——无论是暗物量仍是通俗物量——城市在相等的间隔处遭到相等的引力，并围绕那个庞大的团块的中心完成一个椭圆轨道。以引力彼此感化的单个粒子会通过它们之间的彼此引力交换线性动量和角动量，将更多的物量扔到中心区域，而在外围的物量则少一些。就引力而言，没有区别。但是当我们考虑非引力效应时，差别就变得明显了。
各类碰碰星系团的 X 射线（粉红色）和整体物量（蓝色）图显示一般物量和引力效应之间的明显别离，那是暗物量存在的一些最有力证据。X 射线有两品种型，软（低能量）和硬（高能量），此中星系碰碰会产生超越数十万度的温度。同时，引力效应（蓝色）偏离一般物量（粉色）的量量位置那一事实表白暗物量必然存在。
一般物量，正如你能够通过简单地鼓掌证明的那样，与其他一般物量粒子发作非弹性碰碰。那意味着粒子不会像暗物量那样彼此穿过，但在碰碰时会释放动量和角动量，并在此过程中释放热量和其他形式的能量。
一般物量对大大都波长的光都是不通明的。相反，它吸收某些频次和波长的光，同时反射其他频次和波长的光。那意味着通俗物量既能够发射也能够吸收光，从而能够交换能量、动量和角动量，也能够通过碰碰冷却和加热。
最初，还有一般物量能够履历的连系反响。电子和原子核连系在一路构成原子、分子和更大、更复杂的构造。若是将足够多的它们聚集在一路，高暖和高压会引发核反响。
总的来说，那些力累积起来招致一般物量聚集在比暗物量小得多、集中的空间体积中，而暗物量仍然散布在大的、蓬松的、类似光环的构造中。
我们的银河系嵌在一个庞大的、洋溢的暗物量晕中，那表白必然有暗物量在太阳系中活动。固然暗物量存在于一个大的、洋溢的光晕中，但一般物量，因为它履历了电磁和碰碰彼此感化，在那些引力势井的中心聚集在一路。暗物量和一般物量之间的彼此感化关于理解单个星系内的量量散布至关重要
然而，因为暗物量和通俗物量的行为都仿佛是由粒子构成的，因而跟着宇宙膨胀，它们会发作一些有趣的工作：它们的密度下降。密度只是“某物”除以它所占据的体积，所以只要“某物”是固定的，就像一些粒子的密度就会跟着体积的膨胀而稀释。体积加倍，密度减半。增加到原始体积的十倍，密度仅为最后的 10%。关于通俗物量和暗物量，跟着体积的增加，数密度和能量密度都成比例地减小。
另一方面，暗能量以一种底子差别的体例表示。虽然在太空布景下存在其他形式的能量，但暗能量的行为就仿佛它是空间自己固有的一种能量形式。暗能量能否来自：
实空的量子零点能量，广义相对论中的宇宙学常数项，或者某种与空间自己密不成分的范畴，对我们的考虑其实不重要。重要的是暗能量的行为体例：即便宇宙膨胀，即便体积增加，暗能量的能量密度也连结稳定。
固然物量（一般和暗中）和辐射因为体积增加而跟着宇宙膨胀而变得不那么密集，但暗能量以及膨胀期间的场能是空间自己固有的一种能量形式。跟着在膨胀的宇宙中产生新的空间，暗能量密度连结稳定。
那为我们供给了一个框架，能够将我们的尺度宇宙概念与此处考虑的替代概念停止比力。
在尺度情景中，大爆炸陪伴着必然量的辐射、中微子、一般物量、暗物量和暗能量中的每一种发作。跟着宇宙膨胀和冷却，体积增加，单个量子失去动能。那招致每个物种的能量密度相关于相互发作变革。辐射和中微子最后占主导地位，但它们的密度下降最快。成果，暗物量和通俗物量后来上升成为主导，但它们的密度也下降了。只要在大约 7 亿年后，它们的密度才降到足够低的值，以致于密度始末连结恒定的暗能量的影响最末起头闪现。
跟着时间的流逝，由粒子构成的一切物量——辐射、中微子、一般物量和暗物量——的密度将继续下降，但暗能量的密度连结稳定。那意味着我们有两种体例来思虑宇宙是若何变革的。
宇宙能量密度的各类构成部门和奉献者，以及它们何时可能占主导地位。请留意，大约在头 9,000 年里，辐射对物量占主导地位，然后物量占主导地位，最初呈现宇宙常数。（其他的数量不多。）中微子起首表示为辐射，然后才表示为物量。然而，暗能量可能不是宇宙学常数，切当地说，若是我们错误地假设了它的性量，它可能会演化。
在第一种情况下，我们能够简单地查看宇宙中存在的各类能量的相对能量密度。（我们以至能够参加假设的物种，例如宇宙弦和磁畴壁，以领会若是它们确实存在会若何表示。）那就是上面的图表所显示的：空间任何区域的绝对能量密度. 差别物种的能量密度下降速度差别，但都随时间下降。独一的破例是暗能量，它估计将连结稳定：与察看成果连结一致的预期。
然而，我们能够通过相对能量密度的思虑来概念化宇宙中的事物，而不是考虑绝对密度。在我们宇宙的宇宙汗青中的任何时刻，我们都能够问那个问题，“每个零丁的物种占总能量密度的百分比或分数是几？” 在那种情况下，总能量密度老是加起来为 100%，但每个物种的相对值将跟着宇宙的膨胀而演变，因为差别的物种对膨胀的宇宙有差别的依赖性。那种思绪的成果如下图所示。
过去差别期间宇宙中差别能量成分的相对重要性。请留意，当暗能量在将来到达接近 100% 的数字时，宇宙的能量密度（以及因而的膨胀率）将在肆意远的时间之前连结恒定。因为暗能量，遥远的星系已经在加速远离我们的明显衰退速度。
如今，我们末于筹办考虑另一种情况：若是暗物量正在转化为暗能量怎么办？
那是一个有趣的考虑，因为它会改动我们迄今为行告诉本身的整个故事。那意味着，跟着时间的推移，暗物量的某些部门会衰变，那意味着不只暗物量密度会下降，并且比一般物量密度下降的幅度要大得多。一些最后的暗物量会衰变掉，因而暗物量与一般物量的比率应该会跟着时间的推移而降低。
那也意味着，跟着时间的推移，宇宙中的暗能量现实上会增加。那不只代表暗能量相对密度的增加，并且代表绝对密度的增加。若是暗物量衰酿成暗能量，那么无论暗物量衰变丧失几能量，都必需及时与暗能量能量的增加相婚配。因而，跟着时间的推移，暗能量的能量密度会增加。
宇宙中更大规模的不雅测，从宇宙微波布景到宇宙网到星系团再到单个星系，都需要暗物量来解释我们察看到的工具。在早期和晚期，都需要不异的 5 比 1 的暗物量与一般物量的比例。
我们测试前者的办法是将我们在宇宙中察看到的构造与尺度情景和替代情景停止比力，该构造扑朔迷离地取决于一般物量和暗物量的品貌。若是在早期，相关于一般物量存在更多的暗物量，那么我们就会在宇宙大爆炸的残存辉光中看到证据：宇宙微波布景。
那张宇宙快照，即便我们今天正在察看它，也来自卑爆炸后仅 380,000 年发出的光。若是其时暗物量与一般物量的比例更大——大于我们今天在星系、星系团和宇宙网中察看到的 5 比 1 的比例——它会以偶数的比例呈现宇宙微波布景温度缺陷中的奇数峰。
但那是我们已经切确丈量过的工具，数据也很明白：在十分早期的宇宙中，暗物量与一般物量的比例也绝对是 5 比 1。事实上，我们对批改引力理论的限造之一——即试图在没有暗物量的情况下解释我们察看到的宇宙的理论——是有效的暗物量与一般物量的比率不允许改动：那是一个庞大的问题，例如，Erik Verlinde 的涌现熵引力理论。
固然我们能够丈量整个天空的温度变革，但差别角度标准上温度颠簸的相对幅度告诉我们大约 138 亿年前暗物量与一般物量的比例是几：与我们拥有的不异的 5 比 1 比例今天。
我们还能够通过复杂地丈量差别宇宙期间的膨胀率，看看能否有证据表白年轻宇宙中的暗能量数量与现代晚期宇宙差别。
有趣的是，事实证明，那与我们的预期有一点收支！若是我们从今天起头并及时向后丈量，我们会发现今天的宇宙以特定的速度膨胀，次要由暗能量主导。若是我们从最早的印记信号起头并丈量它们若何及时向前演化，我们就会得到一个差别的、更小的值来权衡宇宙在今天是若何膨胀的。
逐步增加的暗能量值能否解释那一察看成果？
那是一个诱人的可能性，但事实证明，那与我们婚配察看所需的恰好相反。若是我们早期拥有比今天更多的暗能量——一种部门衰减掉的早期暗能量——那可能有助于处理围绕膨胀宇宙的难题。若是我们反而要求暗能量跟着时间的推移变得更强，我们只会让那个谜题变得更糟。
来自间隔阶梯（红色）的现代丈量张力与来自 CMB 和 BAO（蓝色）的早期信号数据显示比照。早期信号办法似乎是准确的，间隔阶梯存在底子缺陷；早期信号办法存在小规模误差而且间隔阶梯是准确的，或者两组都是准确的而且某种形式的新物理学（如顶部所示）是首恶祸首，那似乎是合理的。存在早期暗能量的设法很有趣，但那意味着早期暗能量更多，而不是更少。
相关于暗能量，暗物量在宇宙中确其实削减，但那不克不及解释为暗物量正在衰变或转化为暗能量。相反，证据向我们表白：
暗物量与一般物量的比例连结稳定，暗物量的相对品貌削减完满是因为宇宙膨胀的事实，暗能量的总能量密度似乎不随时间变革，而是连结稳定，因而，跟着宇宙的膨胀，暗能量只会变得相对更重要，而不是绝对更有活力。不管你信不信，当我们考虑一个新的科学思惟、假设或理论时，那恰是我们想要的：一组明晰的预测，以可察看、可丈量、可测试的体例与宇宙相联系关系。在那种情况下，那些预测没有胜利，我们能够对暗物量衰变的水平（最多不到 10%）以及暗能量的总密度增加的水平停止有意义的限造（最多超越宇宙汗青的 7%）。
相关于暗能量，暗物量在宇宙中变得不那么丰硕，但一旦你考虑到宇宙是若何膨胀的，那些相对变革的量就不需要进一步修改了。关于暗物量和暗能量，可能还有良多工具需要领会，但一个到另一个的衰变并非我们迄今为行看到的所有现象的原因。#2022活力大会#
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