什么是普通物质、反物质、暗物质和暗能量？

经常关注宇宙学的朋友一定见过反物质、暗物质和暗能量。物理学中的这三个词，除了这三个之外，还有一个普通的物质，共同构成了之前的宇宙。现在存在和存在的所有形式的物质/能量，其中的反物质根据我们的观察在当前的宇宙中是不存在的，而暗物质、暗能量和普通物质仍然充斥着宇宙空间，形成了我们现在的宇宙。

那么什么是反物质、普通物质、暗物质和暗能量呢？为什么今天的宇宙中没有反物质？他们去哪儿了？今天就来聊聊这个问题。

什么是普通物质？

为什么要把常见的事情放在前面先介绍呢？因为普通物质是我们最简单、最容易理解的，因为我们人类自己，包括我们在地球上、宇宙中所能看到的一切，都是由普通物质构成的。

从宏观上看，一些物质的结构/集合，包括你手里的手机，你面前的办公桌，水杯，你呼吸的空气，你脚下的地球，你身边的宠物家，更大尺度的地球，太阳系、银河系、星系团，都有我们所说的普通物质。这些物质我们是看得见、摸得着的，所以一点也不陌生，一点都不陌生。

从微观上看，一切普通物质都是由原子/分子组成的，原子以下是亚原子粒子，包括：轻子（e-、μ-和τ-以及三个对应的中微子）、重子（中子和质子），其中重子不是基本粒子而是复合粒子，重子下面是六味夸克和八个胶子。总的来说，上述标准模型中的夸克、轻子、玻色子等粒子构成了我们所见的普通物质世界。当然，你我也是由这些基本粒子构成的。这是我们平常的物质世界，所以很容易理解。

接下来要说反物质

我把反物质放在物质后面是因为从字面上看，你应该能明白反物质其实是我们普通物质世界的对立面，所以接下来说反物质应该不错理解。

反物质目前在我们的宇宙中，根据我们的观察，它是不存在的（后面会讲到原因），所以我们千万不要在我们没有通过观察发现反物质之前就得出宇宙中存在反物质的结论，但首先是通过理论预测的，事实上，在20年代，狄拉克首先在他的方程中预言了反电子的存在，然后在1930年代，安德森发现了反电子在云室中的运动轨迹，从而验证了狄拉克的预言。到目前为止，我们已经了解了我们普通物理世界的反世界版本的存在。

以电子为例。在我们的正物质世界中，电子带负电荷，旋转1/2，质量为0.511Mev/c^2，轻子数为+1。然后是电子版本的反物质，正电子的质量和电子的质量一样，但是自旋相反-1/2，带正电荷，轻子的个数是-1，也就是说相对于电子，正电子具有相反的电荷，相反的自旋轻子数是相反的，其他一切都表现相同。从以上性质可以看出，正电子是电子的镜像。

由于电荷的不同，正电子和电子在磁场中的偏转轨迹不同。这是安德森在1930年代用来发现正电子的原理。如果电子向左偏转，则正电子将向右偏转。我们发现正电子后，反质子、反中子、反夸克相继被发现。

这说明标准模型中的所有粒子都有自己的反版本，当然玻色子的反粒子，比如光子和胶子，就是它们自己。

那么反物质去了哪里呢？

反物质世界的发现打破了宇宙中重子和轻子数量守恒的想法，因为在反物质发现之前，我们认为一个原子中的质子和中子原子核可以通过β+和β-衰变相互转换，但无论怎么变化，原子核中的重子数是守恒的，也就是说宇宙中质子和中子的总数将不变。

但反物质的发现打破了这种认知，因为反物质具有与物质相反的重子数，它们相遇时会湮灭并以光子的形式释放能量。也就是说，当正物质和反物质相遇时，会变成纯能量，而且这个过程也是可逆的（高能光子碰撞可以产生正负物质）。这样，宇宙中重子和轻子的数量就不守恒了，它们也可以被创造和毁灭。

重子数和轻子数不守恒其实对我们了解宇宙的起源是一件好事，因为这样我们就可以解释宇宙中的物质是怎么来的，如果重子数和轻子数宇宙中的数量是守恒的，那么一开始宇宙中就没有重子和轻子，如果它们的总数为0，我们就没有办法解释物质的起源。

你看，在宇宙初期，在一定温度下，能量会自发产生物质和反物质，而这些正物质和反物质会相互湮灭，变成能量。在这个过程中，宇宙中的重子和轻子数量是守恒的，但是由于某种我们还不知道的机制，宇宙打破了一定能量下重子和轻子数量守恒的规律，导致了正物质和反物质的数量不对称。正物质粒子的数量比反物质粒子多十亿分之一，那么随着宇宙因碰撞冷却，能量不再足以自发产生正负粒子对，反物质和正物质烟消云散后，多余的正物质被保留下来，这些物质构成了我们现在看到的宇宙中的一切。

什么是暗物质？

上面我们插入了当前标准模型物质粒子的图片，这里有正物质粒子和反物质粒子，但是没有暗物质粒子，这是什么意思？这意味着我们目前还不知道暗物质是什么。标准模型中的粒子无法解释暗物质粒子的问题。

你看，当我描述我们在上面看到的宇宙时，我强调的是普通物质，而不是物质。这是因为暗物质实际上是一种物质。它们实际上存在于我们今天的宇宙中，它们约占宇宙中物质的85%。也就是说，我们宇宙中所有的物质包括了大部分我们不知道是什么，我们只能看到15%的普通物质。

原来我们看不到暗物质，为什么我们知道暗物质的存在呢？其实我们发现暗物质的存在，并不是因为我们看到了暗物质，而是观察到了一些没有暗物质的存在就无法解释的引力异常现象，也可以称之为引力不足、质量不足。例如，星系以不寻常的速度旋转，星系团中的星系以不寻常的速度移动。这些反常现象直接说明，在我们的宇宙中，还有大量我们看不见的物质形态，默默地提供着引力。那为什么我们发现不了暗物质呢？原因是这类物质粒子不参与电磁相互作用或弱相互作用，只能与引力相互作用，所以我们没有办法通过有效手段查明这些粒子到底是什么！换句话说，除了为我们的普通物质世界提供引力外，暗物质根本不会与普通物质发生相互作用。这就是我们目前不知道暗物质是什么的根本原因。

什么是暗能量？

暗物质和暗能量被称为两个暗兄弟。从名字上就可以看出我们对暗能量的了解非常少。我们只知道它是存在于宇宙中的一种固有能量，它会时间以正负虚粒子对的形式出现，然后瞬间湮灭，将能量还给宇宙虚空。我们之所以发现暗能量，是基于我们对宇宙演化的认识，之前认为宇宙空间在引力作用下总是会减速膨胀。膨胀率和材料密度。

结果有三种可能：

1. 未来重力获胜，宇宙反转收缩，大坍缩结束

2. 重力无法逆转宇宙膨胀，宇宙将继续膨胀以恒定的速度扩张，直到死寂。

3. 引力和宇宙膨胀率处于临界值，宇宙既不会膨胀也不会收缩。

然而，在1990年代，我们通过对1a型超新星的观测发现，宇宙真正的膨胀并不是以上三种可能，而是我们的宇宙正在加速膨胀，这说明还有与一些未知的能量形态，它们正在为宇宙提供负压，拉动空间加速膨胀。这种未知的能量就是暗能量。值得注意的是，这种我们不知道的能量形式约占宇宙总质量能量的70%，也就是说，在我们的宇宙中，大部分能量是一种能量，我们不知道形式，我们的普通物质只占总质能的不到5%。

以上是我们宇宙中的能量形态，普通物质、反物质、暗物质、暗能量。不知道你们看了之后的感受！