宇宙“暗”主宰？
本报记者 向杰
“明确宇宙能量分布，找到暗物质和暗能量存在的新证据，是2003年所取得的最重大的科学突破。”2003年年末，美国《科学》杂志评出年度十大科学成就时，暗物质和暗能量研究方面的进展名列榜首。
中国科学院院士、理论物理学家何祚庥闻讯后就此发表看法。他认为，众多科学家多年来孜孜以求的暗物质、暗能量被证实存在，并且在宇宙中占有很大比重，这一方面将推动物理学定律研究自宏观到微观之后进入宇观，另一方面，必将推动物理学发展酝酿形成第五次大突破。
早在本世纪初，美国国家研究委员会就发布了题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的研究报告，这份报告由19位权威物理学家和天文学家联合执笔，列出了在新世纪需要解答的11个与宇宙有关的难题。报告认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重。“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”，在11个大问题中分列为第1位和第2位。
暗物质和暗能量的重要程度由此可见一斑。
暗物质：看不见但有引力
得知记者对暗物质及暗能量的好奇心之后，中国科学院国家天文台研究员赵永恒特意在一个星期天的下午向记者进行了科普。
他说，普通物质是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看得着的东西，近如身边的一草一木，远如夜空的繁星点点，都是人们所熟知的，在日常生活中接触最多的普通物质。而在65年前，科学家通过天文观测和理论研究发现，其实在宇宙中，除了普通物质之外还存在着神秘的不可视的暗物质。普通物质总是能与光发生相互作用，抑或在一定的条件下自身就能发光。也就是说，即使普通物质藏身于最黑暗的角落，只要人们拿上手电筒照上一照，总能发现它们。但暗物质恰恰相反，它根本不与光发生作用，更不会发光。因为不发光、与光不发生作用，所以在天文上用光的手段绝对看不到暗物质，不管是电磁波、无线电，还是红外射线、伽马射线、X射线，统统这些光的方法都毫无用处。但是暗物质能感觉到，不是靠光，而是靠引力。
现在人们对暗物质的认识是，它起到的唯一的作用就是引力作用。万物之间存在万有引力，暗物质就是通过物质的这一特性才被发现的。赵永恒说，太阳系有九大行星围绕太阳旋转，越往外其转动的速度越低，比如地球绕日速度是每秒
那暗物质的物理组成到底是什么？这一问题是目前研究的热点之一。科学家们早先推测它可能由一种不带电的、质量很轻的、数目繁多的中微子构成，中微子的运动速度很快，可称之热暗物质；相对的，候选者还有可能是种质量大的、运动慢、引力大的冷暗物质粒子。天文学家后来在实际的观测和计算当中发现，答案更倾向于后者。冷暗物质粒子很可能是宇宙早期遗留下来的稳定、弱作用的重粒子（WIMP）。
暗能量：闪过爱因斯坦的腰
暗物质看不见但它还有引力作用，暗能量相比较而言就更加邪乎了，它不仅看不见，连引力作用也没有，所以不好以物质命名。目前世界上的天文学家认为，暗能量在宇宙中起斥力作用，但又不能严格说其是一种斥力，只能称其为能量。宇宙大爆炸时发生膨胀，产生的能量把物质往外排斥，暗能量斥力作用的发现，使学者们认识到，宇宙不光是在膨胀，而且还是在加速膨胀。
赵永恒说，暗能量在宇宙中更像是一种背景，它就像是空气对于我们，或者是大海对于鱼儿一样，根本让人感觉不到它的存在，但它确确实实的存在着，且起着非同一般的作用。所以又有人把暗能量称之为“真空能”，在物理上它表现得更像一个真空。上世纪20、30年代，就有科学家认为真空不空，只是物理的探测仪器探测不到“真空”中存在着什么，并非真的什么都没有。
暗能量的存在到1998年才被天文学家初步证实。但对它理论上的猜测可追溯到爱因斯坦生活的年代，爱因斯坦在1915年提出了广义相对论，世界上的物理学家、数学家随即开始解其中的引力方程，方程解出之后，人们结论是宇宙不会完全静止，宇宙没有静止点。方程的第一种解是，如果宇宙只存在引力，没有别的力作用的话，出于相互吸引，宇宙不可能静止；另一种解是，宇宙爆炸的那一瞬间获得了一个初速度，向外膨胀，但由于引力作用往回拉，宇宙肯定越胀越慢，所以宇宙不是膨胀就是收缩，不可能静止。爱因斯坦得知结果之后，他从哲学思想上觉得这两种解都不合适，按他的想法宇宙应该是静止的，不能永不停息的运动。因此，爱因斯坦又往广义相对论引力方程中引入了一个项，叫“宇宙常数”。这个宇宙常数起的就是排斥力的作用，有了该常数之后，引力方程同时具备了引力和斥力，正好能够达到平衡，可让宇宙“静止”下来。
没过多久，上世纪的20年代，美国著名天文学家哈勃（著名的“哈勃空间望远镜”以他命名）经过观测发现宇宙确实是在不断膨胀，他根据星系的距离和运行速度证实，离我们越远的星系向外运动的速度越快。自然，这是宇宙正在膨胀的表现。这一观测结果完全与引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相契合，迅速得到了世界上绝大多数科学家的认可。
爱因斯坦非常后悔，他本来是想把宇宙“静止”下来，但实际的宇宙是在膨胀着。他因此承认：“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误！”此后数十年间，“宇宙常数”无足轻重。
尽管如此，由于爱因斯坦是大科学家，又提出了广义相对论，他提出的“宇宙常数”并未彻底被科学家们遗弃，一小部分科学家此后在将观测结果与理论进行对比的时候，常常会把此常数捎带上。如果计算结果显示“宇宙常数”等于0，就证明该数确实不能用；反之，就证明爱因斯坦引入一个常数的思路对的，只不过是这个常数起的作用不是爱因斯坦的初衷，而是别的什么。
1998年，两个国际组织的天文学家们，在南极用气球搭载无线电波探测仪器探测宇宙微波背景，也就是宇宙大爆炸之后的残留，他们并没有探测全天的，只是探测了一小块，但即使如此，探测完之后，他们马上得出结论：“宇宙常数”不等于0！不仅不等于0，而且在整个宇宙中所占比例还很大。此后，“宇宙常数”正式被称为“暗能量”。近年来，科学家们一再通过各种的观测和计算证实，暗能量在宇宙中占主导地位，约达到73％，暗物质占近23％，普通物质仅约占4％。睿智如爱因斯坦者也许不会想到，当初他认为是错误的，让他极为懊悔的“宇宙常数”竟然是极有道理的，几乎可称得上是宇宙的本质，这不能不说是科学与科学家开的一个超级玩笑。
而对于整个人类的认知来讲，这是个十足的悖论：宇宙中所占比例最多的反而是最迟也是最难为我们所知晓的，我们至今仅知道它们存在着，但性质如何，我们一无所知。
LAMOST：中国大型光谱巡天望远镜即将建成
此次暗物质和暗能量存在的新证据的发现，全赖于绕轨道运行的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和在地面上的斯隆数字巡天项目（SDSS）的工作。那么，在我国有没有类似的科研设施进行天文尖端课题的研究呢？
赵永恒告诉记者，国家天文台正在实施一项名为“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”（简称LAMOST）的建设，它是一架横卧于南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。上世纪90年代以来，国际上的类似项目一个是英澳天文台的2DF，它实现了
LAMOST聚光能力大，收集的光线多，能看到更暗的天体，作巡天拍摄的时候，一次拍摄的面积更大。从光谱观测的角度看，2DF拥有400根光纤，SDSS是640根，LAMOST要做4000根光纤，势必成为世界上光谱获取率最高的望远镜，国际上现在已经认为即将建成的LAMOST堪称“光谱工厂”。从观测天体的规模上看，2DF作了10万个星系的观测；SDSS要做的是100万个星系，10万个类星体；LAMOST的目标是观测1000万个星系，100万个类星体，外加1000万颗恒星。
赵永恒还告诉记者，在LAMOST建成后，由于要比SDSS计划所观测的星系和类星体的数目多十倍，由此可以预计，LAMOST将会以更高精度的方式来确定宇宙的组成和结构，从而使人类对暗能量和暗物质有更加深刻的认识。