無論我們嘗試隱藏多少東西，當涉及到宇宙時，我們所有人都面臨着一個巨大的問題。如果我們只瞭解三件事：

宇宙法則組成宇宙的組成部分以及宇宙起源的條件我們將能夠做最一些出色的事情。我們可以寫出一個方程組，藉助一臺功能強大的計算機，它可以描述宇宙如何隨着時間演變，從最初的條件轉變爲今天看到的宇宙。

從量子粒子之間的單個相互作用到最大的宇宙尺度，我們在宇宙歷史中發生的每一個事件（在經典混沌和量子不確定性的範圍內）都可以被瞭解和詳細描述。當我們嘗試做到這一點時，我們面臨的問題是，儘管我們對宇宙瞭解甚多，但除非我們添加至少兩個神祕成分，否則我們的預測和觀察到的結果將不會完全匹配：某種暗物質和某種類型的暗能量。這是一個非凡的難題，每個天體物理學家都不得不想辦法解決它。儘管許多人都喜歡提出替代方案，但它們都比暗物質和能量的令人滿意的解決方案還要糟糕。這是爲什麼的科學。

我們可以進行大量的測量，這些測量有助於揭示宇宙的本質。我們已經測量了行星的軌道和由於存在質量而產生的光的偏轉，這表明愛因斯坦的相對論而非牛頓的萬有引力定律最能描述我們的現實。我們發現了亞原子粒子、反粒子和光子的行爲，揭示了控制我們宇宙的量子力和場。如果我們想模擬宇宙如何隨着時間演變，我們必須採用已知的，經過證明的正確定律（已對它們進行了測試）並將其應用於整個宇宙。

我們還能夠測量整個宇宙中可以觀察到的所有物體的一系列屬性。我們已經瞭解了恆星是如何發光的，並且可以通過正確地觀察恆星的光而瞭解到很多有關恆星的信息，包括超大質量、熾熱、發光，古老、富含重元素等。另外，許多其他形式的物質，例如行星、恆星殘骸、失敗的恆星、氣體、塵埃、等離子，甚至黑洞都已被發現。

我們正在順利地進行各種“宇宙普查”，在這裏我們可以將宇宙的所有物質和能量以及組成它的東西加起來。除了物質之外，我們還發現了少量反物質。在我們可見的宇宙中，沒有反物質構成的恆星或星系，但是有反物質射流從黑洞和中子星等高能自然引擎流走。在熱的大爆炸期間，還有中微子在宇宙中飛馳，其質量很小但數量巨大，還來自恆星和恆星災難的核過程。

當然，問題在於，當我們採用直接測量的所有成分時，將控制宇宙的方程式應用於整個宇宙，並試圖將所有內容放在一起，就不會加起來。我們所瞭解的法則和我們直接發現的成分結合起來無法解釋我們所看到的宇宙。特別是，如果我們想檢驗原假設，則有一些觀察似乎是互斥的：我們所看到的和我們所知道的全部。

您之前曾聽說過暗物質，而您可能聽說過我們需要它的原因是，“沒有足夠的正常物質來說明我們看到的所有引力效應。”天體物理學家最常見的問題是，“好吧，如果那裏存在的正常物質比我們善於探測的物質類型還要多呢？如果“暗物質”只是碰巧是暗的更普通的物質怎麼辦？”

這個想法的問題是，從我們已經擁有的觀察中我們知道，可見宇宙中總共存在多少正常物質。過去，宇宙更熱更稠密，當事物變得足夠熱和稠密時，只有自由質子和中子才能存在。如果它們試圖將重核結合在一起，那麼宇宙是如此充滿活力，以至於它們會立即爆炸。存在的最輕元素：

氫（1個質子），氘（1個質子和1箇中子），3氦（2個質子和1箇中子），氦4（2個質子和2箇中子），和鋰7（3個質子和4箇中子）都是在宇宙的前3-4分鐘內創建的，只有在宇宙充分冷卻後才形成，以免瞬間被破壞。

引人注目的是，因爲控制粒子（和核聚變）的物理定律被很好地理解，所以我們可以精確地進行計算（假設宇宙曾經從該狀態開始變得更熱、更密，膨脹和冷卻）——這些不同光元素的不同比例應該是多少。我們甚至直接研究了實驗室中的反應，事情的行爲和我們的理論預測的一樣精確。我們變化的唯一因素是光子與重子的比率，它告訴我們宇宙中每個質子或中子（重子）有多少個宇宙光子（光粒子）。

現在，我們已經進行了全部測量。諸如COBE、WMAP和Planck之類的衛星已測量出宇宙中有多少光子：每立方厘米空間411個。在我們與遙遠的光源（例如發光的星系或類星體）之間出現的中間氣體雲，將吸收一部分穿過宇宙的光，直接讓我們瞭解這些元素和同位素的丰度。當我們將所有能量加起來時，宇宙中只有約5％的總能量是正常的事情：不多也不少。

除了這裏提到的觀察之外，還有各種各樣的觀察我們必須考慮。如果普遍的自然法則僅在某些特定條件下起作用，那麼這是不好的。如果您想認真對待所提議的宇宙學，就必須能夠解釋各種各樣的宇宙現象。您必須解釋：

我們在宇宙中看到的宇宙結構網及其形成方式，各個星系的大小、質量和穩定性，星系的速度在星系團內部滑動，在宇宙微波背景輻射中留下的溫度波動：大爆炸的剩餘輝光，在星系團周圍觀察到的引力透鏡，這些星團既是孤立的又是碰撞的。以及宇宙的膨脹率如何隨着時間的變化以我們觀察到的確切方式發生變化。我們可以將許多其他觀察結果折入該選擇中，但是這些觀察結果是出於特定原因而選擇的：在僅由正常物質，輻射和中微子的觀察量組成的宇宙中，我們無法解釋這些觀察中的任何一個。爲了解釋我們所看到的宇宙，還需要一些補充。

原則上，您可以想象只有一項新的調整可以解決所有問題。也許，如果我們足夠聰明的話，我們可以只添加一種新成分，或者對我們的規則進行一種修改以一起解釋所有這些觀察結果。順便說一句，那是暗物質背後的原始想法，正如1930年代弗裏茨·茲維奇（Fritz Zwicky）首次提出的那樣。他是第一個測量星系在星系團內部滑動的速度的人，發現質量大約是恆星所能解釋的大約100倍。他假設一種新的成分——暗物質——可能佔了所有因素。

我們知道，通過觀察和實驗，暗物質無法由物理學標準模型中存在的任何已知粒子構成。我們瞭解到，即使在很早的時候，暗物質也不可能是熱的或快速移動的；它要麼需要很大，要麼需要誕生時就沒有很多動能。我們瞭解到，它無法以任何明顯的方式通過強，電磁或弱力相互作用。而且我們瞭解到，如果將這種暗物質的一種成分添加到宇宙中，幾乎所有的觀測結果都會符合要求。

僅憑暗物質，我們就可以解釋沒有它就無法解釋的許多觀測結果。我們得到一個宇宙網；我們得到了星團，這些星團融合成小星系，長成大星系，最終成爲星系團。我們在這些星團中得到了快速移動的星系。當星系團碰撞時，我們將熱氣與引力影響分開。我們得到的星系在外部旋轉的速度與在內部旋轉的速度一樣快；我們得到了引力透鏡，與觀察結果一致；我們得到的溫度波動與宇宙微波背景一致，並且可以解釋找到與其他星系相距特定距離的星系的可能性。

但是我們還沒有得到一切。暗物質是我們可以添加的另一種“東西”，事實證明它是一種成分，而不是一種修飾，它可以一次解決超多的這些問題，但並不能完全解決所有問題。它無法解決（更大的）膨脹速度問題，也無法解釋（較小的）謎題，即爲何儘管正常物質的質量比爲5比1，但宇宙在空間上卻是平坦的。不知何故，宇宙總能量的不到2/3。

當然，暗能量是我們可以添加的第二個附加成分，用於解釋其餘的觀察結果。它只是空間本身固有的一種能量，只有在宇宙膨脹到足以稀釋和擴散時才變得重要。在最初的約7億年到十億年以來它並不重要之後，它構成了當今宇宙能量的絕大部分。當遙遠的星系在不斷膨脹的宇宙中遠離我們時，它會加速而不是減速。

沒有單一的修改可以一起解釋所有這些觀察結果。實際上，通過更改法則或添加新成分，您可以進行的任何其他單個修改都不會比暗物質或暗能量解決這些問題。大多數競爭性的想法，例如：

修改引力定律，具有暗能量是隨時間變化的動力場或實體，或發明某種腐爛的暗物質或早期暗能量，具有兩個致命缺陷中的一個（或兩個）。它們要麼需要的不是暗物質和暗能量所添加的兩個新參數，要麼是它們不能解決添加暗物質和暗能量所解決的所有問題。

在科學上，大多數人錯誤地使用了奧卡姆（Occam）剃刀——這種觀念認爲，在解釋之間做出選擇，最簡單的解釋通常是最好的。修改引力並不比添加暗物質和暗能量更簡單，如果修改需要兩個或多個附加參數，則並非如此。引入除宇宙常數以外的任何其他類型的暗能量並不容易。後者是暗能量中最“香草”的一類，適用於所有事物。取而代之的是，您必須做些像炮製這樣的解釋，即僅引入一個新實體，將暗物質和暗能量一起替換。

儘管很不安，但暗物質和暗能量是最簡單的解釋。暗流體的想法本身需要多個自由參數。今年早些時候推出的新相對論 MOND 或Bekenstein的張量-矢量-標量引力不僅增加了至少儘可能多的參數，如暗物質和暗能量，且它們仍然無法解釋星系團。問題不在於暗物質、暗能量就得對，而是其他所有的想法客觀上都更糟。無論我們的宇宙真的發生什麼，我們都應該繼續進行調查。這是我們永遠瞭解自然如何真正運作（無論是否簡單）的唯一方法。