无论我们尝试隐藏多少东西，当涉及到宇宙时，我们所有人都面临着一个巨大的问题。如果我们只了解三件事：

宇宙法则组成宇宙的组成部分以及宇宙起源的条件我们将能够做最一些出色的事情。我们可以写出一个方程组，借助一台功能强大的计算机，它可以描述宇宙如何随着时间演变，从最初的条件转变为今天看到的宇宙。

从量子粒子之间的单个相互作用到最大的宇宙尺度，我们在宇宙历史中发生的每一个事件（在经典混沌和量子不确定性的范围内）都可以被了解和详细描述。当我们尝试做到这一点时，我们面临的问题是，尽管我们对宇宙了解甚多，但除非我们添加至少两个神秘成分，否则我们的预测和观察到的结果将不会完全匹配：某种暗物质和某种类型的暗能量。这是一个非凡的难题，每个天体物理学家都不得不想办法解决它。尽管许多人都喜欢提出替代方案，但它们都比暗物质和能量的令人满意的解决方案还要糟糕。这是为什么的科学。

我们可以进行大量的测量，这些测量有助于揭示宇宙的本质。我们已经测量了行星的轨道和由于存在质量而产生的光的偏转，这表明爱因斯坦的相对论而非牛顿的万有引力定律最能描述我们的现实。我们发现了亚原子粒子、反粒子和光子的行为，揭示了控制我们宇宙的量子力和场。如果我们想模拟宇宙如何随着时间演变，我们必须采用已知的，经过证明的正确定律（已对它们进行了测试）并将其应用于整个宇宙。

我们还能够测量整个宇宙中可以观察到的所有物体的一系列属性。我们已经了解了恒星是如何发光的，并且可以通过正确地观察恒星的光而了解到很多有关恒星的信息，包括超大质量、炽热、发光，古老、富含重元素等。另外，许多其他形式的物质，例如行星、恒星残骸、失败的恒星、气体、尘埃、等离子，甚至黑洞都已被发现。

我们正在顺利地进行各种“宇宙普查”，在这里我们可以将宇宙的所有物质和能量以及组成它的东西加起来。除了物质之外，我们还发现了少量反物质。在我们可见的宇宙中，没有反物质构成的恒星或星系，但是有反物质射流从黑洞和中子星等高能自然引擎流走。在热的大爆炸期间，还有中微子在宇宙中飞驰，其质量很小但数量巨大，还来自恒星和恒星灾难的核过程。

当然，问题在于，当我们采用直接测量的所有成分时，将控制宇宙的方程式应用于整个宇宙，并试图将所有内容放在一起，就不会加起来。我们所了解的法则和我们直接发现的成分结合起来无法解释我们所看到的宇宙。特别是，如果我们想检验原假设，则有一些观察似乎是互斥的：我们所看到的和我们所知道的全部。

您之前曾听说过暗物质，而您可能听说过我们需要它的原因是，“没有足够的正常物质来说明我们看到的所有引力效应。”天体物理学家最常见的问题是，“好吧，如果那里存在的正常物质比我们善于探测的物质类型还要多呢？如果“暗物质”只是碰巧是暗的更普通的物质怎么办？”

这个想法的问题是，从我们已经拥有的观察中我们知道，可见宇宙中总共存在多少正常物质。过去，宇宙更热更稠密，当事物变得足够热和稠密时，只有自由质子和中子才能存在。如果它们试图将重核结合在一起，那么宇宙是如此充满活力，以至于它们会立即爆炸。存在的最轻元素：

氢（1个质子），氘（1个质子和1个中子），3氦（2个质子和1个中子），氦4（2个质子和2个中子），和锂7（3个质子和4个中子）都是在宇宙的前3-4分钟内创建的，只有在宇宙充分冷却后才形成，以免瞬间被破坏。

引人注目的是，因为控制粒子（和核聚变）的物理定律被很好地理解，所以我们可以精确地进行计算（假设宇宙曾经从该状态开始变得更热、更密，膨胀和冷却）——这些不同光元素的不同比例应该是多少。我们甚至直接研究了实验室中的反应，事情的行为和我们的理论预测的一样精确。我们变化的唯一因素是光子与重子的比率，它告诉我们宇宙中每个质子或中子（重子）有多少个宇宙光子（光粒子）。

现在，我们已经进行了全部测量。诸如COBE、WMAP和Planck之类的卫星已测量出宇宙中有多少光子：每立方厘米空间411个。在我们与遥远的光源（例如发光的星系或类星体）之间出现的中间气体云，将吸收一部分穿过宇宙的光，直接让我们了解这些元素和同位素的丰度。当我们将所有能量加起来时，宇宙中只有约5％的总能量是正常的事情：不多也不少。

除了这里提到的观察之外，还有各种各样的观察我们必须考虑。如果普遍的自然法则仅在某些特定条件下起作用，那么这是不好的。如果您想认真对待所提议的宇宙学，就必须能够解释各种各样的宇宙现象。您必须解释：

我们在宇宙中看到的宇宙结构网及其形成方式，各个星系的大小、质量和稳定性，星系的速度在星系团内部滑动，在宇宙微波背景辐射中留下的温度波动：大爆炸的剩余辉光，在星系团周围观察到的引力透镜，这些星团既是孤立的又是碰撞的。以及宇宙的膨胀率如何随着时间的变化以我们观察到的确切方式发生变化。我们可以将许多其他观察结果折入该选择中，但是这些观察结果是出于特定原因而选择的：在仅由正常物质，辐射和中微子的观察量组成的宇宙中，我们无法解释这些观察中的任何一个。为了解释我们所看到的宇宙，还需要一些补充。

原则上，您可以想象只有一项新的调整可以解决所有问题。也许，如果我们足够聪明的话，我们可以只添加一种新成分，或者对我们的规则进行一种修改以一起解释所有这些观察结果。顺便说一句，那是暗物质背后的原始想法，正如1930年代弗里茨·兹维奇（Fritz Zwicky）首次提出的那样。他是第一个测量星系在星系团内部滑动的速度的人，发现质量大约是恒星所能解释的大约100倍。他假设一种新的成分——暗物质——可能占了所有因素。

我们知道，通过观察和实验，暗物质无法由物理学标准模型中存在的任何已知粒子构成。我们了解到，即使在很早的时候，暗物质也不可能是热的或快速移动的；它要么需要很大，要么需要诞生时就没有很多动能。我们了解到，它无法以任何明显的方式通过强，电磁或弱力相互作用。而且我们了解到，如果将这种暗物质的一种成分添加到宇宙中，几乎所有的观测结果都会符合要求。

仅凭暗物质，我们就可以解释没有它就无法解释的许多观测结果。我们得到一个宇宙网；我们得到了星团，这些星团融合成小星系，长成大星系，最终成为星系团。我们在这些星团中得到了快速移动的星系。当星系团碰撞时，我们将热气与引力影响分开。我们得到的星系在外部旋转的速度与在内部旋转的速度一样快；我们得到了引力透镜，与观察结果一致；我们得到的温度波动与宇宙微波背景一致，并且可以解释找到与其他星系相距特定距离的星系的可能性。

但是我们还没有得到一切。暗物质是我们可以添加的另一种“东西”，事实证明它是一种成分，而不是一种修饰，它可以一次解决超多的这些问题，但并不能完全解决所有问题。它无法解决（更大的）膨胀速度问题，也无法解释（较小的）谜题，即为何尽管正常物质的质量比为5比1，但宇宙在空间上却是平坦的。不知何故，宇宙总能量的不到2/3。

当然，暗能量是我们可以添加的第二个附加成分，用于解释其余的观察结果。它只是空间本身固有的一种能量，只有在宇宙膨胀到足以稀释和扩散时才变得重要。在最初的约7亿年到十亿年以来它并不重要之后，它构成了当今宇宙能量的绝大部分。当遥远的星系在不断膨胀的宇宙中远离我们时，它会加速而不是减速。

没有单一的修改可以一起解释所有这些观察结果。实际上，通过更改法则或添加新成分，您可以进行的任何其他单个修改都不会比暗物质或暗能量解决这些问题。大多数竞争性的想法，例如：

修改引力定律，具有暗能量是随时间变化的动力场或实体，或发明某种腐烂的暗物质或早期暗能量，具有两个致命缺陷中的一个（或两个）。它们要么需要的不是暗物质和暗能量所添加的两个新参数，要么是它们不能解决添加暗物质和暗能量所解决的所有问题。

在科学上，大多数人错误地使用了奥卡姆（Occam）剃刀——这种观念认为，在解释之间做出选择，最简单的解释通常是最好的。修改引力并不比添加暗物质和暗能量更简单，如果修改需要两个或多个附加参数，则并非如此。引入除宇宙常数以外的任何其他类型的暗能量并不容易。后者是暗能量中最“香草”的一类，适用于所有事物。取而代之的是，您必须做些像炮制这样的解释，即仅引入一个新实体，将暗物质和暗能量一起替换。

尽管很不安，但暗物质和暗能量是最简单的解释。暗流体的想法本身需要多个自由参数。今年早些时候推出的新相对论 MOND 或Bekenstein的张量-矢量-标量引力不仅增加了至少尽可能多的参数，如暗物质和暗能量，且它们仍然无法解释星系团。问题不在于暗物质、暗能量就得对，而是其他所有的想法客观上都更糟。无论我们的宇宙真的发生什么，我们都应该继续进行调查。这是我们永远了解自然如何真正运作（无论是否简单）的唯一方法。