第六章：萬有引力弄錯了方向，力弦粒子第一節：萬有引力不是宇宙的決定力量
暗物質與暗能量主導了宇宙
暗物質：在宇宙中暗物質占23%，是普通物質的五倍以上，暗物質是指那些不發射任何光及電磁輻射的物質。目前，人們隻能間接通過引力彎曲光線或其他引力效應證明宇宙中有大量暗物質的存在。最早科學家發現大型星係團中的星係具有極高的運動速度，要求星係團的質量是觀測到的恒星數量值的100倍以上，否則該星係團根本無法束縛住這些星係，因此引入暗物質概念。
科學家通過引力透鏡、宇宙中大尺度結構天體形成、微波背景輻射等驗證暗物質的存在。研究表明：我們目前所熟知的物質大概隻占宇宙的4%。普通的物質總是能與光或者波發生相互作用，並且在一定的條件下自身也能發光或者折射光線，這些現象人們可以感知或借助儀器測量。但暗物質恰恰相反，它根本不與光發生任何作用，更不會發光。因為暗物質既不反射、折散、散射光，也不發光，所以對各種波和光來說暗物質都是百分之百的透明體！所以在天文學上，用傳統的手段絕對看不到暗物質，不管是電磁波、無線電還是紅外射線、伽馬射線、X射線統統都毫無用處，它們既不能被人們所感覺，也不能被儀器所觀測。科學家們為了使其與普通物質區別開來，就將這種特殊的物質稱之為“暗物質”。
目前科學家認為，跟普通物質一樣暗物質具有引力，幾十億顆恒星正是在它們的幫助下聚集到星係裏。但是這種物質很難與普通物質發生互動，人們看不到它。中微子是唯一一種曾在實驗室裏發現的暗物質粒子，但是它們幾乎是零質量，而且在暗物質的宇宙能量部分僅占很小比例。研究人員認為在距離銀河係中心10萬至30萬光年區間內存在神秘的暗物質結構，銀河係總質量中絕大部分由這些暗物質構成。根據當前的暗物質模型，銀河係外圍的暗物質分布可能擴展至100萬光年的跨度，而銀河係的直徑為10萬光年左右。
一般暗物質像銀河係的星係暈一樣，籠罩在星係周圍。像銀河係這樣的星係，如果沒有暗物質幫助，星係吸引力很難聚合在一起，因為目前星係的吸引力不能保證恒星像現在一樣地高速自轉。
來自蘇黎世大學、蘇黎世聯邦理工學院以及英國萊斯特大學的天文學家們進行了一項最新研究，現在他們有99%的把握確定太陽被暗物質包圍。
荷蘭的科學家簡·奧爾特（JanOort）發現靠近太陽附近的物質密度幾乎是普通星係或星係團的兩倍，從而解釋了恒星和氣體在宇宙中單獨存在的現象。在最新研究中，物理學家發明了一種新的暗物質計算方法，並將其應用於靠近太陽的數千顆K型主序星速度與位置的計算上，獲得了關於太陽附近存在暗物質的線索。主導此次研究的天文學家西爾維婭·加拉布拉裏表示：“我們對計算結果非常有信心，可以99%地確認在太陽附近存在暗物質。事實上，我們認為暗物質的密度有些偏高，但其中也存在10%的統計偏差，也就是說我們用九成的把握找到了比預期更多的暗物質，如果將來的數據進一步證實這個發現，將十分令人振奮。”參與研究的另一位科學家喬治·雷克認為對太陽係暗物質密度進行準確測量計算是至關重要的。如果暗物質是一種新的基本粒子，那麽在幾分鍾內至少就有數十億的暗物質粒子穿過人體。
2009年8月19日，一個國際研究小組取得一項突破性發現，瑞士蘇黎世大學與英國中蘭開夏大學天文學家們運用超級計算機的模擬推演，銀河係中存在一個盤形暗物質。
在銀河係的範圍內，所有的暗物質似乎都存在於暗物質暈當中。暗物質暈內的密度本應是宇宙平均密度的幾百倍，但新發現的盤形暗物質卻隻占暗物質暈密度的一半。
暗物質與暗能量才是宇宙的決定性力量，萬有引力隻是其中一個表現而已。對於天文學家來說，不了解暗物質的性質，就永遠不能說已了解宇宙。
暗物質中微子和黑洞是潛在的暗物質候選者，它們的總量對於暗物質的貢獻是非常微小的。
來源於天文台2010年5月的一篇文章《天文物理學家首次發現宇宙暗物質分布的形狀》報道顯示，國外的一些科學家經過對暗物質的觀察及研究發現：暗物質在這些星係團的分布，平均來說暗物質的分布呈現出非常扁平的形狀，而非簡單的球形輪廓。該扁平化程度相當大，其橢圓形的長軸與短軸比例相當於2：1。
在另一項研究中，根據天文學觀測估計，宇宙的總質量中，重子（主要指中子，質子等）物質約占2%，也就是說，宇宙中可觀測到的各種星際物質、星體、恒星、星團、星雲、類星體、星係等的總和隻占宇宙總質量的2%。在宇宙中非重子物質的暗物質當中，冷暗物質約占70%，熱暗物質約占30%。
標準模型給出的62種粒子中，能夠穩定地獨立存在的粒子隻有12種。它們是電子、正電子、質子、反質子、光子、3種中微子、3種反中微子和引力子。這12種穩定粒子中，電子、正電子、質子、反質子是帶電的，不能是暗物質粒子；光子和引力子的靜止質量是零，也不能是暗物質粒子。因此，在標準模型給出的62種粒子中，有可能是暗物質粒子的隻有3種中微子和3種反中微子。
2011年升空的、造價20億美元的的阿爾法磁譜儀，在2013年向地球發送回首批觀測數據。項目負責人華裔科學家丁肇中教授稱，在阿爾法磁譜儀運行的最初18個月中，已經探測了250億次粒子事件。在這些粒子事件中，有近80億次是快速運動的電子及與其對應的反物質——正電子。理論上，大質量弱相互作用粒子(簡稱WIMP)的碰撞和湮滅會產生大量電子和正電子。通過測定二者的比例，以及在能量譜上的行為變化，科學家或許能找到研究暗物質問題的途徑。丁肇中稱，將把涉及暗物質的研究論文後續發表出來。
在宇宙中，宇宙擁有暗物質絲狀的結構把各種星係連接在一起。有理論提出，大質量弱相互作用粒子(簡稱WIMP)是暗物質最有希望的候選者，這是一種尚處於理論階段的粒子。雖然天文望遠鏡無法探測到大質量弱相互作用粒子，但阿爾法磁譜儀很有希望通過間接的方法來確認其存在，並描述它的性質。有的物理學理論認為暗物質是由大質量弱相互作用粒子（WIMPS）——一種是自身反物質粒子的粒子——組成的。當物質和反物質相遇時，它們會相互湮滅。因此，如果兩個WIMPs碰撞，它們會被毀滅並在此過程中釋放出一對子粒子——一個電子和它的反物質正電子。如果實驗檢測到在某能量處存在大量正電子，這或可能暗示著檢測到了暗物質，因為電子在宇宙中無處不在，但已知的天體物理學過程很少會產生正電子。
阿爾法磁譜儀是安裝於ISS上的一個粒子探測器，其設計的目的是用於探索太空中的暗物質和反物質，能收集伴隨宇宙射線的電子、正電子、反質子等特殊粒子。根據芝加哥大學宇宙物理學卡弗裏研究所邁克爾·特納介紹：“我們要找的是正電子和電子的比率關係，科學家認為這其中隱藏著關於暗物質湮滅以及暗暈密度的信息。”
“發現暗物質存在的確鑿證據是觀測到正電子的數量驟升，然後迅速銳減。”這是因為暗物質湮滅產生的正電子具有特定的能量，而後者取決於組成暗物質的WIMPs的質量。美國芝加哥大學的宇宙學家邁克爾·特納（Michael Turner）認為：“這便是探測到暗物質存在時會出現的關鍵特征。
在對正負電子的觀測中，如果發現二者比例突然上升然後急劇下降，那就是星係中暗物質湮滅的關鍵標誌。在能量體係中也要考慮，是否具有各向異性？正電子是從固定的某個方向還是從所有方向出現？”特納教授並未參與阿爾法磁譜儀的合作項目。他繼續說道：“暗物質應該無所不在。因此如果我們發現正電子從某個特定的方向發出，就意味著該信號是來自像脈衝星(一種中子星)一類的天體，而不是暗物質。”據悉，此次阿爾法磁譜儀的數據涉及的是0.5至350GeV(10億電子伏特)質量範圍內的正電子—電子比例。這一範圍已經是其他實驗中，被科學家認為的可能發現暗物質的上限。特納教授說，科學家已經逐漸接近了目標。他預測未來數年將會被銘記為“大質量弱相互作用粒子(WIMP)的十年”，而且通過一係列的研究，包括利用大型強子對撞機製造WIMP等，暗物質的性質將逐漸呈現在我們麵前。
“理論上，這種粒子的質量大約在質子質量的30、40和300倍之間，即在30至大約1 000GeV之間”特納教授說：“大型強子對撞機能夠製造這樣質量的粒子，丁肇中的阿爾法磁譜儀能探測到這樣質量的粒子湮滅，而位於深地底的探測器對這樣質量的粒子也非常敏感。如果非常幸運的話，我們能同時獲得有關暗物質的三個特征信號，分別是通過觀測粒子湮滅、直接探測粒子以及用大型強子對撞機製造粒子，這三種方法在同樣的質量範圍內都很靈敏。”
暗能量
暗能量它是一種不可見的、能推動宇宙運動的能量，宇宙中所有的恒星和行星的運動皆是由暗能量與萬有引力來作用的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因為它在宇宙的結構中約占73%，占絕對統治地位。暗能量是宇宙學研究的一個裏程碑意義的重大成果。支持暗能量的主要證據有兩個：一個是對遙遠的超新星所進行的大量觀測表明宇宙在加速膨脹；另一個是按照愛因斯坦引力方程，加速膨脹的現象推論出宇宙中存在著壓強為負的“暗能量”。
通過對遙遠的超新星紅移的觀測以及對宇宙微波背景輻射的測量顯示，我們宇宙的演化過程在很大程度上受宇宙常數值的影響，而正是宇宙常數值決定了現在宇宙的加速膨脹。換句話說，宇宙的加速膨脹是由具有非通常意義下，狀態方程的某種能量形式決定的，這種能量被稱作暗能量，其本性也仍然不為所知。
宇宙大爆炸認為，正是暗能量促使宇宙繼續加速膨脹，抵抗星係之間萬有引力的收縮，暗能量具有如此大的力量是因為它在宇宙的結構中約占73%。有人認為暗能量是一種真空力，這種“真空力”可能成為獨立於萬有引力、電磁力、強力和弱力之後在自然界中普遍存在著的第五種自然作用力即“第五種力”。
宇宙暗能量基本特征是具有負壓（由裏向外），在宇宙空間中幾乎均勻分布，完全不結團。對於通常的能量（熱輻射）、重子和冷暗物質來說壓強都是正的，就是說物質的萬有引力是互相吸引的，比如使地球與月球、太陽與地球、兩個星係等之間的互相吸引。而暗能量是排斥的，它們把兩個星係推開，使宇宙加速膨脹，所以人們認為存在著一種未知的負壓物質主導今天的宇宙。“暗能量”相比較暗物質更是充滿戲劇性與怪異性，因為它隻有物質的作用效應而不具備物質的特征，也不會產生像暗物質那種那種使光彎曲的現象，所以都稱不上物質，故將其稱之為“暗能量”。“暗能量”雖然也不被人們所感覺也不被目前各種儀器所觀測，但人們憑借理性思維可以預測並感知到它的確存在。
暗能量無處不在。暗能量與物質不同，它是均勻分布的，不會像暗物質那樣聚集在星係外圍，或者像物質形成的星體及粒子那樣在某個地方聚集成團。暗能量幾乎無處不在，不論是在你身體、汽車、還是在飲食裏、還是在星際空間，暗能量的密度都完全一樣。暗能量對於太陽係的影響幾乎很少，隻有在巨大的空間尺度和時間跨度上，才能體現出暗能量的影響力。
從天文學觀測得到的宇宙膨脹速率可以進一步估算出宇宙中存在的物質總量，不過有關宇宙中物質的本性還是一個有待解決的問題。現在估計宇宙中大約有90%以上的物質都屬於暗物質、暗能量。除了暗物質參與引力互相作用外，都不參與電磁相互作用，它們無法（通過電磁波）直接觀測到。目前在已知的粒子物理或其他什麽理論的框架中還沒有辦法對這種物質做出令人滿意的解釋。但有些科學家認為宇宙加速膨脹是一種錯覺，是地球與宇宙其餘部分相對運動所導致的；另一些研究人員則認為比起宇宙暗能量的未知性，我們對引力之謎的認識缺陷更可能是宇宙加速膨脹之謎未被揭開的主要因素。
如果按照本書邏輯，重新思考現代物理學，重塑物理學基礎，重新定義萬有引力，定義力與粒子的關係，那麽從另一個角度解讀物理，暗能量與暗物質會被重新定義，也許會給物理學一個新的方向。
現代物理學麵臨著重新定位嗎
如果能認識到我們的宇宙是一個旋轉的宇宙，力弦粒子成為最簡潔的萬物之源，那麽暗能量與暗物質則得到更好的解釋，這也許預示著傳統物理學基礎方向存在理解錯誤，影響並決定整個宇宙命運的力量不是引力等已知作用力，而是“暗能量”和“暗物質”。
幾乎沒有人否認解決暗物質、暗能量的問題，對於整個宇宙學乃至物理學而言都將是一場革命。1979年諾貝爾物理學獎得主斯蒂芬溫伯格（StevenWeinberg）曾明確表示：“如果不解決暗能量這個‘路障’，我們就無法全麵理解基礎物理學。”1957年諾貝爾物理學獎得主、著名華裔物理學家李政道也斷言他最近發表文章探討的觀點。他提出“天外有天”，指出“因為暗能量，我們的宇宙之外可能有更多的宇宙”，“我們的宇宙在加速地膨脹”且“核能也許可以和宇宙中的暗能量相變相連”。暗能量將是二十一世紀物理學麵臨的最大挑戰，如何理解暗能量讓我們重新多角度梳理現代物理學基礎，隻有這樣才會使我們更好地理解這個宇宙。
來自美國印第安納大學的數學係王守紅（Shouhong Wang）教授和中國四川大學的馬田教授通過改變愛因斯坦引力方程，用數學方法提出了暗物質和暗能量的統一理論。他們提出了時空能量和動量守恒規律，將普通物質、暗物質以及暗能量都納入這個新體係之中。
目前科學界仍然在使用愛因斯坦的場方程來表述時空彎曲，王守紅與馬田認為需要一套新的引力場方程來描述宇宙中物質分布不均勻導致的新能量形式，這種能量可以是正的也可以是負的。彎曲的時空需要新的標量勢場來代表能量密度，進而表述新的引力場方程。他們假設能量-動量的張量不再守恒，而新的引力場方程與愛因斯坦廣義相對論是等效的。之前，愛因斯坦的引力場論使用了宇宙中普通物質所遵循的能量和動量守恒。王守紅教授認為新的引力場方程與愛因斯坦方程之間的區別在於增加了二級標量勢場協變導數，因此從根本上改變了原先的引力場論。通過彎曲時空的度量值、新的標量勢場以及它們之間的相互作用來描述新的理論。他們引入張量為解決廣義相對論的問題提供了一個簡明的框架，同時也使得能量-動量張量量化密度以及當前所使用的時空能量和動量理論變得更加清晰，二階協變導數是微積分中二階導數的幾何模擬，通過數學上的措施可以得出一個量的變化率。
標量場所關聯的是標量勢（純量勢）能量密度值和負能量，並代表了宇宙中物質非均勻分布所導致的新能量形式，標量勢能量密度與宇宙中星係的運動、及宇宙物質質量分配之間具有相關性，影響著宇宙中每一個區域時空。研究人員認為負能量可產生某種吸引力，同時正能量可以產生一種有別於宇宙中四大基本力的未知排斥力。
這個新理論自洽的把暗能量和暗物質的統一起來，雖然目前暗能量和暗物質被認為是兩個概念。在經過改進的愛因斯坦新方程裏，暗物質和暗能量可以用新的標量勢能量密度總和、能量-動量張量耦合能量以及標量勢場進行表達。總量的負數部分代表暗物質，可產生吸引力，而正數部分代表暗能量，能夠驅動宇宙中的星係相互遠離而擴張。另外，新的暗物質、暗能量統一方程也會得出一個經過修改的牛頓萬有引力公式，該公式暗示了暗物質在宇宙一定尺度結構上，將扮演著重要角色，跨度區間位於一千至一萬光年左右。但在更大的宇宙尺度上，如超過一千萬光年的宇宙時空結構，暗物質效應就會弱化，而暗能量就起到主導作用。研究人員認為能統一暗物質與暗能量的理論還需要進一步驗證。
這個新理論方程將暗能量和暗物質統一，符合本書提出的聚合圓轉的宇宙模型的方向。並且其表現在不同尺寸上的不同物理學特征與本書提到的粒子在不同層級宇宙裏具有不同物理與時間特性是相符的。但是在宇宙模型研究中，需要重新認識宇宙的本質，隻有領悟了我們本體宇宙在轉動，萬有引力方向來源於力弦粒子由內向外的壓力，各層宇宙物質具有自己係統特征，才能夠賦予愛因斯坦方程更多的內涵，才能更好地通過方程來解釋萬物的演變。
本質來講，在本書提出的新理論。一個多宇宙狀態下的圓轉無窮的宇宙世界裏，我們本體宇宙是應該具有旋轉的，而且內部充滿看不見的物質及運動。很多高速運動（甚至超光速）的、看不見的這些物質應該屬於結構能量，它們一邊構成微觀可見粒子，一邊集合起來跨越構成行星、恒星、星係的大物質空間，最後他們本身固有的屬性也是暗物質與暗能量的物理學起源並成為萬物運轉的第一推動力。甚至像暗物質那樣的絲狀結構，也類似中微子那樣與外界保持一定的能量交換。暗能量本身動力來源，很可能就是我們宇宙本身的旋轉能量、結構能量，還有就是粒子本身在各級結構層的自我活動力屬性及其在多宇宙空間環境下的慣性。從宇宙的深層角度講，暗物質與暗能量之間，包括暗物質，暗能量與普通物質之間不是互相孤立的，應該是互相聯係的。可能隻是看不見的高速運動的力弦結構粒子在微觀與宏觀方麵的不同表現與自我屬性。
宇宙的網狀結構
科學家們利用現代科技手段通過計算、觀察表明，宇宙中的物質組成了一張網，宇宙網的絲狀物將眾多星係和星雲串聯起來，在空曠的宇宙中擴展。這種絲狀物由正常物質和暗物質構成，暗物質是人的肉眼無法直接看到的。
2012年10月，天文學家首次在巨型星係群MACS J0717附近發現了一股長達6000萬光年的3D巨大細絲暗物質，該星係群是目前觀測到的最大的星係群之一。科學家都認為宇宙結構就像一個糾纏的大網，巨型星係群內部的暗物質的細長弦互相交叉。由於暗物質無法被直接觀測到，因此也相對較難觀察到這些細絲，但是天文學家借助哈勃太空望遠鏡首次探測到3D形式的一串宇宙弦。基於地麵望遠鏡的其他觀測使得天文學家能夠首次以3D的形式標識出暗物質細絲的結構，這個長度絕對是非常罕見的。
2011年10月，澳大利亞斯蒂芬-凱勒（StephanKeller）博士發現巨大的宇宙細絲可將整個宇宙連接起來。環繞銀河係周圍的球狀星團和較小星係的宇宙細絲就像嬰兒臍帶一樣，為早期銀河係提供營養。凱勒博士的研究進一步加強了宇宙結構是由較長的星係細絲和跨越數百萬光年的廣闊空洞構成的觀點。
球狀星團由幾十萬顆遠古恒星緊密包裹在一個球狀結構中構成，多數球狀星團是小型星係的中心，通過引力作用沿著宇宙細絲結構將星係內的星體凝聚在一起。一旦這樣的小型星係過於接近銀河係，其多數恒星將被銀河係引力吸引，成為銀河係的一部分，僅剩下小型星係的內核。銀河係應當是遠古時期吞噬了數百個小型星係，才增長至現在這一體積規模。
德國的科學家首次探測到暗物質像膠水一樣連接宇宙巨大的星係團，並發現這種“宇宙的骨架”。德國慕尼黑大學天文台的約爾格·迪特裏希及其研究團隊已探測到一個超星係團的絲狀物中的暗物質成分。這個超星係團名為“阿伯爾222/223”，距地球約27億光年。這是在宇宙中支撐宇宙網的基本架構暗物質再次被清楚地探測到。一個絲狀宇宙呈現在我們麵前。
巨大絲狀物產生的引力使得從地球發射至遙遠星係的光束發生彎曲。迪特裏希的研究團隊利用這種光束，計算出“阿伯爾222/223”超星係團絲狀物的質量並繪製出它的形狀。附近正常物質的熾熱氣體發出的X射線表明，正常物質是該超星係團絲狀物的組成部分，但僅占其質量的
10%。其餘部分一定是暗物質。
這個巨型暗物質“宇宙橋”
存在於Abell223星團與Abell222星團之間。研究人員認為細長的宇宙絲酷似一種神奇的粘合劑，將宇宙間的星團緊緊連在一起，科學家們發現暗物質存在類似“膠水”的屬性，連接在多個星係或者星係團之間，扮演著一種大尺度結構的角色。約爾格·迪特裏希認為：“在此之前，我們已經通過引力透鏡效應發現了由暗物質構成的宇宙橋梁的存在，探測到令人信服的暗物質細絲結構。”科學家認為由暗物質構成的宇宙細絲可以被認為是一種“膠”的狀態，它們的存在將更多、更大的星係團聯係在一起。
科學家通過對宇宙的觀察發現整個宇宙就像一張複雜的網，所有的恒星和星係都附著在它之上。宇宙之網是構築宇宙的框架。它主要由暗物質構成，但是這些暗物質除了引力作用之外，不存在其他任何的相互作用。在宇宙逐漸演化的過程中，出現了巨大的由物質聚集形成的纖維狀結構。更為神秘的是：這個龐大的宇宙一直在加速膨脹，而這種膨脹的驅動力來自暗能量。占宇宙96%以上的暗物質與暗能量影響著宇宙之網的演化，成為宇宙的決定力量。
現在科學家們正打算深入其中的細節。暗物質和暗能量的性質是什麽？
宇宙之網是如何精確組織的？宇宙之網張開的範圍從單個星係一直延伸到了可觀測宇宙的邊界。它的演化描繪著我們今天看到的、一直可以追溯到大爆炸的複雜性。同時它也在簡約的宇宙學理論和豐富多彩的星係、星係團天體物理學之間架起了橋梁。
細胞中的絲狀結構
絲狀構成，不僅僅在宇宙大結構尺寸中普遍存在，而且在生物界也是普遍存在的。
傳統宇宙大爆炸學說認為，萬物都是由一個比電子還小、密度極大、溫度特別高的奇點爆炸而來的。這讓人提出很多疑問並感到困惑，問題在於這個奇點外麵是否有空間，以及真正的爆炸機理在那裏。現實中萬物的生成，比如植物由種子變成參天大樹，其實都需要吸收外麵的營養，動物從小到大的生長也依賴於一個外部適度的營養環境。
我們的宇宙有沒有外麵能量的介入呢？目前很多證據證明存在多平行宇宙，就是我們的宇宙之外還有很多的宇宙，當然也包含一個更大的母體宇宙。在此前提下，如果我們的宇宙從外部吸取物質，就很容易理解，宇宙大爆炸的理論很容易借此得到質疑。
通過以上網狀結構對比，我們發現宇宙網狀結構與細胞存在某些類似性，細胞的結構具有量子力學的天然性，這些邏輯說明從微觀到宏觀宇宙擁有明顯的秩序。從微小的奇點爆炸到目前137億宇宙的大爆炸學說存在著嚴重的邏輯缺陷。如果假設宇宙在誕生之初借助更大宇宙（比如幾萬億光年的宇宙）空間的物質、能量聚合而成，一個多層級的、不斷變化、自身轉動的大宇宙就會展現在我們麵前。這種新的物理學假說比現有物理學更能夠科學的解釋比如暗物質、暗能量、黑洞等宇宙之謎等。