壹.暗物質
暗物質的發現源於薇拉·魯賓在1970附近對仙女座星系(M31)的星系自轉曲線的測量。她測量了距離星系中心不同半徑處的物質旋轉速度，得到了下面這張圖。橫坐標是離星系中心的距離，縱坐標是自轉速度。我們知道，如果知道星系的質量分布，就可以通過開普勒定律(紅線)找到速度和距離的關系。至於質量分布，怎麽找？原理是通過測量光的分布，然後猜測壹些星系的年齡和恒星形成率，計算出壹個相對可靠的光度質量比。所以在計算質量分布的時候，已經假設所有的物質都會以壹定的比例發光。很多人說，如果暗物質是不發光的那種，那麽暗物質，比如地球行星，是不是不發光只反射光？其實這些物質相對於恒星的比例是很小的，在具體的計算中基本都考慮進去了。然而，測量結果(白線)令人驚訝，圍繞星系的軌道速度比計算的要快得多。
這說明星系中有很多質量是看不見的，因為V∝(GM/r)1/2需要更多的質量來支撐這麽大的速度。當然，妳可以用其他理由來解釋。天文學家不傻。當他們發現後，大家立刻想出了許多解釋。比如外圍物質由於某種原因不能有效形成恒星，所以不發光；或者幹脆說妳的測量是錯的。也許妳測到了背景中壹些不屬於這個星系的物質。然而後來的結果卻越來越“反常”，最後被命名為“暗物質”。發現這些不發光物質的物理性質與正常的能發光的物質有很大的不同。
現在測量暗物質不需要星系自轉曲線這種“愚蠢”的方法。更好的方法是通過引力透鏡，因為光在穿過大質量天體時會發生彎曲(下圖)。
所以，如果壹個大質量天體背後恰好有壹個光源，它就會變成這樣:
傳說中的愛因斯坦環與前景的引力場狀態密切相關，有時會變成下圖這樣。天文學家可以通過仔細觀察圖中被引力透鏡彎曲的背景星系來確定前景星系的質量分布。
通過類似的觀察，人們發現了許多著名的例子，如下面的子彈狀星系團:
藍色代表暗物質的分布，紅色是X射線觀測到的星系團中氣體的分布。可以發現，這個星系團實際上是兩個星系團正在進行合並的產物。在合並的過程中，氣體由於相互作用，相互穿過後已經完全變形。不發光的暗物質則完全不同。兩組物質還是很分明的，碰撞後對形狀沒有影響。可以發現暗物質之間的相互作用要比正常物質弱得多。
壹般認為暗物質粒子之間或者暗物質與正常物質之間的相互作用非常微弱。除了引力相互作用，只能進行弱相互作用。同時，暗物質粒子根據其可能的速度分為熱暗物質(HDM)、冷暗物質(CDM)和熱暗物質(WDM)。通過計算機模擬，天文學家現在認為宇宙中暗物質的主要成分應該是冷暗物質。然而，冷暗物質模型也存在壹些困難。比如，冷暗物質預言銀河系中的伴星系明顯比已知的伴星系多。暗物質也吸引了許多粒子物理學家。例如，中國諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中將壹臺實驗儀器(阿爾法磁譜儀)放在國際空間站上，直接探測暗物質粒子。還知道暗物質在宇宙中所占的質量比正常物質大得多，宇宙尺度上與引力相互作用有關的事件都是由暗物質主導的，包括星系的形成和合並。
總之，目前人們對暗物質的性質了解很多，也有壹些暗物質粒子的候選者。個人認為，直接探測到暗物質粒子並確認其物理成分只是時間問題。
二。暗能量
與暗物質相比，人們對暗能量知之甚少。
暗能量與2011諾貝爾物理學獎密切相關。它的發現主要源於1998年亞當·裏斯發現的有超新星的宇宙正在加速膨脹。(註:諾獎頒給了亞當·裏斯(Adam Riess)、布萊恩·施密特(Brian Schmidt)和索爾·珀爾馬特(Sal Polmatt)，但由於歷史原因，到底是誰最先發現了亞當·裏斯還是索爾·珀爾馬特，至今仍有爭議)。
壹般來說，越遙遠的宇宙意味著越古老的宇宙，因為光的傳播需要時間。同時，遙遠的宇宙離我們越遠(紅移越大)，因為宇宙在膨脹。這可以用著名的哈勃定律來表示:v = h0d。下圖是當年哈勃發的論文中的圖片。縱坐標是速度，橫坐標是距離，每個點代表壹個星系。
很明顯，由於宇宙中物質的相互作用，這種膨脹的速度會發生變化。因此，我們會發現哈勃定律不再是簡單的線性關系。而是看起來像下圖。
橫軸為紅移(與速度直接相關)，縱軸為等效亮度(與距離直接相關)。藍色虛線和黑色實現是幾個宇宙模型。細節並不重要。令人驚訝的是，從上到下的第三條藍線是最可預測的，即宇宙中所有的物質都對引力有貢獻，所以宇宙在減速膨脹。然而，Ia型超新星測量的數據點並不支持這樣的宇宙。測得的數據往往是壹個加速的宇宙。換句話說，宇宙中的主導力不是物質之間的引力，而是壹種莫名其妙的向外的壓力。人們稱這種壓力的來源為暗能量。
當然，天文學家也不傻。很多人提出了可能不引入暗能量的概念來解釋這種現象。例如，測量Ia型超新星的距離取決於它的壹個特性。即Ia型超新星爆發後亮度會逐漸變暗。其亮度變暗的速度與其峰值時的光度(即發出的所有光的能量)成線性關系。所以我們知道幾個Ia型超新星的光度。將這些數值與我們看到的光度進行比較，就可以知道它們的距離。下圖是幾顆Ia型超新星的光變曲線。縱軸是光度，橫軸是時間。可以清楚地看到，Ia型超新星變暗越快(斜率越大)，它們的光度就越小。
這種線性關系其實是建立在觀察的基礎上的。人們不太清楚是什麽原因導致了這種關系，也不知道在遙遠的宇宙中這種屬性是否會發生變化。但後來人們在Ia型超新星的方法之外，又使用了宇宙微波背景輻射(CMB)和重子聲波振蕩(BAO)的方法，獨立證實了暗能量的存在，並給出了相近的暗能量密度值。
暗能量的性質是什麽，在空間上是均勻分布的，還是有什麽結構？其實也不是很清楚，所以很難討論暗能量的物理起源。目前從天文學上能做的就是引入愛因斯坦常數λ，然後確定它現在的值有多大。愛因斯坦用廣義相對論計算宇宙的演化，結果發現是錯誤的，因為他計算的宇宙尺度不可能是常數，這與當時的宇宙靜態觀不符，於是他在方程中放入壹個常數λ，使得宇宙既不膨脹也不收縮。然而，盡管宇宙的尺度不變，人們很快發現這種平衡是不穩定的。也就是說，如果λ的值稍有變化，宇宙就會不可逆地膨脹或收縮。哈勃定律的發現讓人們知道宇宙常數的引入是愛因斯坦的壹個錯誤。但與此同時，暗能量的發現讓人們重新拾起這個常數，並利用它來創造壹個可以加速膨脹的宇宙。
暗能量的物理起源似乎並不清楚，但可以討論它的具體性質，例如λ是否是表征暗能量及其空間分布的合適參數。