第六章：万有引力弄错了方向，力弦粒子第一节：万有引力不是宇宙的决定力量
暗物质与暗能量主导了宇宙
暗物质：在宇宙中暗物质占23%，是普通物质的五倍以上，暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。目前，人们只能间接通过引力弯曲光线或其他引力效应证明宇宙中有大量暗物质的存在。最早科学家发现大型星系团中的星系具有极高的运动速度，要求星系团的质量是观测到的恒星数量值的100倍以上，否则该星系团根本无法束缚住这些星系，因此引入暗物质概念。
科学家通过引力透镜、宇宙中大尺度结构天体形成、微波背景辐射等验证暗物质的存在。研究表明：我们目前所熟知的物质大概只占宇宙的4%。普通的物质总是能与光或者波发生相互作用，并且在一定的条件下自身也能发光或者折射光线，这些现象人们可以感知或借助仪器测量。但暗物质恰恰相反，它根本不与光发生任何作用，更不会发光。因为暗物质既不反射、折散、散射光，也不发光，所以对各种波和光来说暗物质都是百分之百的透明体！所以在天文学上，用传统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射线统统都毫无用处，它们既不能被人们所感觉，也不能被仪器所观测。科学家们为了使其与普通物质区别开来，就将这种特殊的物质称之为“暗物质”。
目前科学家认为，跟普通物质一样暗物质具有引力，几十亿颗恒星正是在它们的帮助下聚集到星系里。但是这种物质很难与普通物质发生互动，人们看不到它。中微子是唯一一种曾在实验室里发现的暗物质粒子，但是它们几乎是零质量，而且在暗物质的宇宙能量部分仅占很小比例。研究人员认为在距离银河系中心10万至30万光年区间内存在神秘的暗物质结构，银河系总质量中绝大部分由这些暗物质构成。根据当前的暗物质模型，银河系外围的暗物质分布可能扩展至100万光年的跨度，而银河系的直径为10万光年左右。
一般暗物质像银河系的星系晕一样，笼罩在星系周围。像银河系这样的星系，如果没有暗物质帮助，星系吸引力很难聚合在一起，因为目前星系的吸引力不能保证恒星像现在一样地高速自转。
来自苏黎世大学、苏黎世联邦理工学院以及英国莱斯特大学的天文学家们进行了一项最新研究，现在他们有99%的把握确定太阳被暗物质包围。
荷兰的科学家简·奥尔特（JanOort）发现靠近太阳附近的物质密度几乎是普通星系或星系团的两倍，从而解释了恒星和气体在宇宙中单独存在的现象。在最新研究中，物理学家发明了一种新的暗物质计算方法，并将其应用于靠近太阳的数千颗K型主序星速度与位置的计算上，获得了关于太阳附近存在暗物质的线索。主导此次研究的天文学家西尔维娅·加拉布拉里表示：“我们对计算结果非常有信心，可以99%地确认在太阳附近存在暗物质。事实上，我们认为暗物质的密度有些偏高，但其中也存在10%的统计偏差，也就是说我们用九成的把握找到了比预期更多的暗物质，如果将来的数据进一步证实这个发现，将十分令人振奋。”参与研究的另一位科学家乔治·雷克认为对太阳系暗物质密度进行准确测量计算是至关重要的。如果暗物质是一种新的基本粒子，那么在几分钟内至少就有数十亿的暗物质粒子穿过人体。
2009年8月19日，一个国际研究小组取得一项突破性发现，瑞士苏黎世大学与英国中兰开夏大学天文学家们运用超级计算机的模拟推演，银河系中存在一个盘形暗物质。
在银河系的范围内，所有的暗物质似乎都存在于暗物质晕当中。暗物质晕内的密度本应是宇宙平均密度的几百倍，但新发现的盘形暗物质却只占暗物质晕密度的一半。
暗物质与暗能量才是宇宙的决定性力量，万有引力只是其中一个表现而已。对于天文学家来说，不了解暗物质的性质，就永远不能说已了解宇宙。
暗物质中微子和黑洞是潜在的暗物质候选者，它们的总量对于暗物质的贡献是非常微小的。
来源于天文台2010年5月的一篇文章《天文物理学家首次发现宇宙暗物质分布的形状》报道显示，国外的一些科学家经过对暗物质的观察及研究发现：暗物质在这些星系团的分布，平均来说暗物质的分布呈现出非常扁平的形状，而非简单的球形轮廓。该扁平化程度相当大，其椭圆形的长轴与短轴比例相当于2：1。
在另一项研究中，根据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子（主要指中子，质子等）物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。
标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种。它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子；光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。
2011年升空的、造价20亿美元的的阿尔法磁谱仪，在2013年向地球发送回首批观测数据。项目负责人华裔科学家丁肇中教授称，在阿尔法磁谱仪运行的最初18个月中，已经探测了250亿次粒子事件。在这些粒子事件中，有近80亿次是快速运动的电子及与其对应的反物质——正电子。理论上，大质量弱相互作用粒子(简称WIMP)的碰撞和湮灭会产生大量电子和正电子。通过测定二者的比例，以及在能量谱上的行为变化，科学家或许能找到研究暗物质问题的途径。丁肇中称，将把涉及暗物质的研究论文后续发表出来。
在宇宙中，宇宙拥有暗物质丝状的结构把各种星系连接在一起。有理论提出，大质量弱相互作用粒子(简称WIMP)是暗物质最有希望的候选者，这是一种尚处于理论阶段的粒子。虽然天文望远镜无法探测到大质量弱相互作用粒子，但阿尔法磁谱仪很有希望通过间接的方法来确认其存在，并描述它的性质。有的物理学理论认为暗物质是由大质量弱相互作用粒子（WIMPS）——一种是自身反物质粒子的粒子——组成的。当物质和反物质相遇时，它们会相互湮灭。因此，如果两个WIMPs碰撞，它们会被毁灭并在此过程中释放出一对子粒子——一个电子和它的反物质正电子。如果实验检测到在某能量处存在大量正电子，这或可能暗示着检测到了暗物质，因为电子在宇宙中无处不在，但已知的天体物理学过程很少会产生正电子。
阿尔法磁谱仪是安装于ISS上的一个粒子探测器，其设计的目的是用于探索太空中的暗物质和反物质，能收集伴随宇宙射线的电子、正电子、反质子等特殊粒子。根据芝加哥大学宇宙物理学卡弗里研究所迈克尔·特纳介绍：“我们要找的是正电子和电子的比率关系，科学家认为这其中隐藏着关于暗物质湮灭以及暗晕密度的信息。”
“发现暗物质存在的确凿证据是观测到正电子的数量骤升，然后迅速锐减。”这是因为暗物质湮灭产生的正电子具有特定的能量，而后者取决于组成暗物质的WIMPs的质量。美国芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳（Michael Turner）认为：“这便是探测到暗物质存在时会出现的关键特征。
在对正负电子的观测中，如果发现二者比例突然上升然后急剧下降，那就是星系中暗物质湮灭的关键标志。在能量体系中也要考虑，是否具有各向异性？正电子是从固定的某个方向还是从所有方向出现？”特纳教授并未参与阿尔法磁谱仪的合作项目。他继续说道：“暗物质应该无所不在。因此如果我们发现正电子从某个特定的方向发出，就意味着该信号是来自像脉冲星(一种中子星)一类的天体，而不是暗物质。”据悉，此次阿尔法磁谱仪的数据涉及的是0.5至350GeV(10亿电子伏特)质量范围内的正电子—电子比例。这一范围已经是其他实验中，被科学家认为的可能发现暗物质的上限。特纳教授说，科学家已经逐渐接近了目标。他预测未来数年将会被铭记为“大质量弱相互作用粒子(WIMP)的十年”，而且通过一系列的研究，包括利用大型强子对撞机制造WIMP等，暗物质的性质将逐渐呈现在我们面前。
“理论上，这种粒子的质量大约在质子质量的30、40和300倍之间，即在30至大约1 000GeV之间”特纳教授说：“大型强子对撞机能够制造这样质量的粒子，丁肇中的阿尔法磁谱仪能探测到这样质量的粒子湮灭，而位于深地底的探测器对这样质量的粒子也非常敏感。如果非常幸运的话，我们能同时获得有关暗物质的三个特征信号，分别是通过观测粒子湮灭、直接探测粒子以及用大型强子对撞机制造粒子，这三种方法在同样的质量范围内都很灵敏。”
暗能量
暗能量它是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量与万有引力来作用的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因为它在宇宙的结构中约占73%，占绝对统治地位。暗能量是宇宙学研究的一个里程碑意义的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个：一个是对遥远的超新星所进行的大量观测表明宇宙在加速膨胀；另一个是按照爱因斯坦引力方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的“暗能量”。
通过对遥远的超新星红移的观测以及对宇宙微波背景辐射的测量显示，我们宇宙的演化过程在很大程度上受宇宙常数值的影响，而正是宇宙常数值决定了现在宇宙的加速膨胀。换句话说，宇宙的加速膨胀是由具有非通常意义下，状态方程的某种能量形式决定的，这种能量被称作暗能量，其本性也仍然不为所知。
宇宙大爆炸认为，正是暗能量促使宇宙继续加速膨胀，抵抗星系之间万有引力的收缩，暗能量具有如此大的力量是因为它在宇宙的结构中约占73%。有人认为暗能量是一种真空力，这种“真空力”可能成为独立于万有引力、电磁力、强力和弱力之后在自然界中普遍存在着的第五种自然作用力即“第五种力”。
宇宙暗能量基本特征是具有负压（由里向外），在宇宙空间中几乎均匀分布，完全不结团。对于通常的能量（热辐射）、重子和冷暗物质来说压强都是正的，就是说物质的万有引力是互相吸引的，比如使地球与月球、太阳与地球、两个星系等之间的互相吸引。而暗能量是排斥的，它们把两个星系推开，使宇宙加速膨胀，所以人们认为存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。“暗能量”相比较暗物质更是充满戏剧性与怪异性，因为它只有物质的作用效应而不具备物质的特征，也不会产生像暗物质那种那种使光弯曲的现象，所以都称不上物质，故将其称之为“暗能量”。“暗能量”虽然也不被人们所感觉也不被目前各种仪器所观测，但人们凭借理性思维可以预测并感知到它的确存在。
暗能量无处不在。暗能量与物质不同，它是均匀分布的，不会像暗物质那样聚集在星系外围，或者像物质形成的星体及粒子那样在某个地方聚集成团。暗能量几乎无处不在，不论是在你身体、汽车、还是在饮食里、还是在星际空间，暗能量的密度都完全一样。暗能量对于太阳系的影响几乎很少，只有在巨大的空间尺度和时间跨度上，才能体现出暗能量的影响力。
从天文学观测得到的宇宙膨胀速率可以进一步估算出宇宙中存在的物质总量，不过有关宇宙中物质的本性还是一个有待解决的问题。现在估计宇宙中大约有90%以上的物质都属于暗物质、暗能量。除了暗物质参与引力互相作用外，都不参与电磁相互作用，它们无法（通过电磁波）直接观测到。目前在已知的粒子物理或其他什么理论的框架中还没有办法对这种物质做出令人满意的解释。但有些科学家认为宇宙加速膨胀是一种错觉，是地球与宇宙其余部分相对运动所导致的；另一些研究人员则认为比起宇宙暗能量的未知性，我们对引力之谜的认识缺陷更可能是宇宙加速膨胀之谜未被揭开的主要因素。
如果按照本书逻辑，重新思考现代物理学，重塑物理学基础，重新定义万有引力，定义力与粒子的关系，那么从另一个角度解读物理，暗能量与暗物质会被重新定义，也许会给物理学一个新的方向。
现代物理学面临着重新定位吗
如果能认识到我们的宇宙是一个旋转的宇宙，力弦粒子成为最简洁的万物之源，那么暗能量与暗物质则得到更好的解释，这也许预示着传统物理学基础方向存在理解错误，影响并决定整个宇宙命运的力量不是引力等已知作用力，而是“暗能量”和“暗物质”。
几乎没有人否认解决暗物质、暗能量的问题，对于整个宇宙学乃至物理学而言都将是一场革命。1979年诺贝尔物理学奖得主斯蒂芬温伯格（StevenWeinberg）曾明确表示：“如果不解决暗能量这个‘路障’，我们就无法全面理解基础物理学。”1957年诺贝尔物理学奖得主、著名华裔物理学家李政道也断言他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有更多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。暗能量将是二十一世纪物理学面临的最大挑战，如何理解暗能量让我们重新多角度梳理现代物理学基础，只有这样才会使我们更好地理解这个宇宙。
来自美国印第安纳大学的数学系王守红（Shouhong Wang）教授和中国四川大学的马田教授通过改变爱因斯坦引力方程，用数学方法提出了暗物质和暗能量的统一理论。他们提出了时空能量和动量守恒规律，将普通物质、暗物质以及暗能量都纳入这个新体系之中。
目前科学界仍然在使用爱因斯坦的场方程来表述时空弯曲，王守红与马田认为需要一套新的引力场方程来描述宇宙中物质分布不均匀导致的新能量形式，这种能量可以是正的也可以是负的。弯曲的时空需要新的标量势场来代表能量密度，进而表述新的引力场方程。他们假设能量-动量的张量不再守恒，而新的引力场方程与爱因斯坦广义相对论是等效的。之前，爱因斯坦的引力场论使用了宇宙中普通物质所遵循的能量和动量守恒。王守红教授认为新的引力场方程与爱因斯坦方程之间的区别在于增加了二级标量势场协变导数，因此从根本上改变了原先的引力场论。通过弯曲时空的度量值、新的标量势场以及它们之间的相互作用来描述新的理论。他们引入张量为解决广义相对论的问题提供了一个简明的框架，同时也使得能量-动量张量量化密度以及当前所使用的时空能量和动量理论变得更加清晰，二阶协变导数是微积分中二阶导数的几何模拟，通过数学上的措施可以得出一个量的变化率。
标量场所关联的是标量势（纯量势）能量密度值和负能量，并代表了宇宙中物质非均匀分布所导致的新能量形式，标量势能量密度与宇宙中星系的运动、及宇宙物质质量分配之间具有相关性，影响着宇宙中每一个区域时空。研究人员认为负能量可产生某种吸引力，同时正能量可以产生一种有别于宇宙中四大基本力的未知排斥力。
这个新理论自洽的把暗能量和暗物质的统一起来，虽然目前暗能量和暗物质被认为是两个概念。在经过改进的爱因斯坦新方程里，暗物质和暗能量可以用新的标量势能量密度总和、能量-动量张量耦合能量以及标量势场进行表达。总量的负数部分代表暗物质，可产生吸引力，而正数部分代表暗能量，能够驱动宇宙中的星系相互远离而扩张。另外，新的暗物质、暗能量统一方程也会得出一个经过修改的牛顿万有引力公式，该公式暗示了暗物质在宇宙一定尺度结构上，将扮演着重要角色，跨度区间位于一千至一万光年左右。但在更大的宇宙尺度上，如超过一千万光年的宇宙时空结构，暗物质效应就会弱化，而暗能量就起到主导作用。研究人员认为能统一暗物质与暗能量的理论还需要进一步验证。
这个新理论方程将暗能量和暗物质统一，符合本书提出的聚合圆转的宇宙模型的方向。并且其表现在不同尺寸上的不同物理学特征与本书提到的粒子在不同层级宇宙里具有不同物理与时间特性是相符的。但是在宇宙模型研究中，需要重新认识宇宙的本质，只有领悟了我们本体宇宙在转动，万有引力方向来源于力弦粒子由内向外的压力，各层宇宙物质具有自己系统特征，才能够赋予爱因斯坦方程更多的内涵，才能更好地通过方程来解释万物的演变。
本质来讲，在本书提出的新理论。一个多宇宙状态下的圆转无穷的宇宙世界里，我们本体宇宙是应该具有旋转的，而且内部充满看不见的物质及运动。很多高速运动（甚至超光速）的、看不见的这些物质应该属于结构能量，它们一边构成微观可见粒子，一边集合起来跨越构成行星、恒星、星系的大物质空间，最后他们本身固有的属性也是暗物质与暗能量的物理学起源并成为万物运转的第一推动力。甚至像暗物质那样的丝状结构，也类似中微子那样与外界保持一定的能量交换。暗能量本身动力来源，很可能就是我们宇宙本身的旋转能量、结构能量，还有就是粒子本身在各级结构层的自我活动力属性及其在多宇宙空间环境下的惯性。从宇宙的深层角度讲，暗物质与暗能量之间，包括暗物质，暗能量与普通物质之间不是互相孤立的，应该是互相联系的。可能只是看不见的高速运动的力弦结构粒子在微观与宏观方面的不同表现与自我属性。
宇宙的网状结构
科学家们利用现代科技手段通过计算、观察表明，宇宙中的物质组成了一张网，宇宙网的丝状物将众多星系和星云串联起来，在空旷的宇宙中扩展。这种丝状物由正常物质和暗物质构成，暗物质是人的肉眼无法直接看到的。
2012年10月，天文学家首次在巨型星系群MACS J0717附近发现了一股长达6000万光年的3D巨大细丝暗物质，该星系群是目前观测到的最大的星系群之一。科学家都认为宇宙结构就像一个纠缠的大网，巨型星系群内部的暗物质的细长弦互相交叉。由于暗物质无法被直接观测到，因此也相对较难观察到这些细丝，但是天文学家借助哈勃太空望远镜首次探测到3D形式的一串宇宙弦。基于地面望远镜的其他观测使得天文学家能够首次以3D的形式标识出暗物质细丝的结构，这个长度绝对是非常罕见的。
2011年10月，澳大利亚斯蒂芬-凯勒（StephanKeller）博士发现巨大的宇宙细丝可将整个宇宙连接起来。环绕银河系周围的球状星团和较小星系的宇宙细丝就像婴儿脐带一样，为早期银河系提供营养。凯勒博士的研究进一步加强了宇宙结构是由较长的星系细丝和跨越数百万光年的广阔空洞构成的观点。
球状星团由几十万颗远古恒星紧密包裹在一个球状结构中构成，多数球状星团是小型星系的中心，通过引力作用沿着宇宙细丝结构将星系内的星体凝聚在一起。一旦这样的小型星系过于接近银河系，其多数恒星将被银河系引力吸引，成为银河系的一部分，仅剩下小型星系的内核。银河系应当是远古时期吞噬了数百个小型星系，才增长至现在这一体积规模。
德国的科学家首次探测到暗物质像胶水一样连接宇宙巨大的星系团，并发现这种“宇宙的骨架”。德国慕尼黑大学天文台的约尔格·迪特里希及其研究团队已探测到一个超星系团的丝状物中的暗物质成分。这个超星系团名为“阿伯尔222/223”，距地球约27亿光年。这是在宇宙中支撑宇宙网的基本架构暗物质再次被清楚地探测到。一个丝状宇宙呈现在我们面前。
巨大丝状物产生的引力使得从地球发射至遥远星系的光束发生弯曲。迪特里希的研究团队利用这种光束，计算出“阿伯尔222/223”超星系团丝状物的质量并绘制出它的形状。附近正常物质的炽热气体发出的X射线表明，正常物质是该超星系团丝状物的组成部分，但仅占其质量的
10%。其余部分一定是暗物质。
这个巨型暗物质“宇宙桥”
存在于Abell223星团与Abell222星团之间。研究人员认为细长的宇宙丝酷似一种神奇的粘合剂，将宇宙间的星团紧紧连在一起，科学家们发现暗物质存在类似“胶水”的属性，连接在多个星系或者星系团之间，扮演着一种大尺度结构的角色。约尔格·迪特里希认为：“在此之前，我们已经通过引力透镜效应发现了由暗物质构成的宇宙桥梁的存在，探测到令人信服的暗物质细丝结构。”科学家认为由暗物质构成的宇宙细丝可以被认为是一种“胶”的状态，它们的存在将更多、更大的星系团联系在一起。
科学家通过对宇宙的观察发现整个宇宙就像一张复杂的网，所有的恒星和星系都附着在它之上。宇宙之网是构筑宇宙的框架。它主要由暗物质构成，但是这些暗物质除了引力作用之外，不存在其他任何的相互作用。在宇宙逐渐演化的过程中，出现了巨大的由物质聚集形成的纤维状结构。更为神秘的是：这个庞大的宇宙一直在加速膨胀，而这种膨胀的驱动力来自暗能量。占宇宙96%以上的暗物质与暗能量影响着宇宙之网的演化，成为宇宙的决定力量。
现在科学家们正打算深入其中的细节。暗物质和暗能量的性质是什么？
宇宙之网是如何精确组织的？宇宙之网张开的范围从单个星系一直延伸到了可观测宇宙的边界。它的演化描绘着我们今天看到的、一直可以追溯到大爆炸的复杂性。同时它也在简约的宇宙学理论和丰富多彩的星系、星系团天体物理学之间架起了桥梁。
细胞中的丝状结构
丝状构成，不仅仅在宇宙大结构尺寸中普遍存在，而且在生物界也是普遍存在的。
传统宇宙大爆炸学说认为，万物都是由一个比电子还小、密度极大、温度特别高的奇点爆炸而来的。这让人提出很多疑问并感到困惑，问题在于这个奇点外面是否有空间，以及真正的爆炸机理在那里。现实中万物的生成，比如植物由种子变成参天大树，其实都需要吸收外面的营养，动物从小到大的生长也依赖于一个外部适度的营养环境。
我们的宇宙有没有外面能量的介入呢？目前很多证据证明存在多平行宇宙，就是我们的宇宙之外还有很多的宇宙，当然也包含一个更大的母体宇宙。在此前提下，如果我们的宇宙从外部吸取物质，就很容易理解，宇宙大爆炸的理论很容易借此得到质疑。
通过以上网状结构对比，我们发现宇宙网状结构与细胞存在某些类似性，细胞的结构具有量子力学的天然性，这些逻辑说明从微观到宏观宇宙拥有明显的秩序。从微小的奇点爆炸到目前137亿宇宙的大爆炸学说存在着严重的逻辑缺陷。如果假设宇宙在诞生之初借助更大宇宙（比如几万亿光年的宇宙）空间的物质、能量聚合而成，一个多层级的、不断变化、自身转动的大宇宙就会展现在我们面前。这种新的物理学假说比现有物理学更能够科学的解释比如暗物质、暗能量、黑洞等宇宙之谜等。