当谈到宇宙时，您可以轻松地看到的并不总是能反映所有的一切。这是理论和观察/测量需要齐头并进的重要原因之一：观察可以告诉我们最好的测量能力所处的条件，而理论使我们可以将预期发生的结果与实际发生的事情进行比较看过。当它们匹配时，通常表明我们对实际发生的事情有了很好的了解。但是，如果它们它们做不到这一点，则表明正在发生以下两种情况之一：要么我们正在采用的理论规则不适用于这种情况，要么还有其他因素导致我们的观察结果没有直接揭示出来。
宇宙中许多最不匹配之处——我们所观察到的与我们仅根据所见所期望的不匹配——指向另外两个成分：暗物质和暗能量。但它们真的能是同一枚硬币的两面吗？我们通常不会将暗物质和暗能量集成在一起，但这并非完全超出可能性范围。以下是对该问题的答案。
在宇宙中有各种各样的谜题值得思考，但是在最大的宇宙尺度上，每个谜题本质上都是引力问题。问题是这样的：我们认为我们知道我们的引力理论是什么，因为爱因斯坦的广义相对论只是一次又一次地通过测试。无论我们抛出什么现象，这个违反直觉的理论所预测的结果都与我们观察到的结果完美匹配。
我们所看到的质量弯曲光，其精确量是爱因斯坦的理论所预测的：从太阳系中太阳弯曲的星光，到巨大的星系、类星体和引力透镜背景光的星系团。
我们看到的引力波具有爱因斯坦理论预测的精确频率和振幅，可以合并黑洞并激发中子星。
爱因斯坦的成功历程很长，从引力的红移到惯性系拖曳（Lense-Thirring）效应，再到双系统轨道上的黑洞的进动到引力时间的膨胀等等。从地球上的实验到太阳系内的观测，再到数十亿光年以外的信号到达，我们都想出了对广义相对论进行的每项测试，所有这些都表明在每种已知情况下它都是正确的。
当我们采用引力理论并将其应用于整个宇宙时，我们得到了一组方程，揭示了一个非常重要的关系。它们告诉我们，如果您知道宇宙是由什么组成的，广义相对论可以为您预测宇宙的行为和演化方式。您可以用您梦寐以求的东西从字面上使您的宇宙成为现实，包括正常物质、辐射和中微子等常规成分，这些成分是由标准模型中的粒子制成，再加上黑洞，引力波甚至是假设性物质诸如暗物质和暗能量之类的实体。
这些不同的成分以不同的方式影响宇宙，这很容易理解。您所要做的就是想象一下宇宙，就像它在更早、更热、更密集，更统一时一样，并描绘出随着时间的推移它将如何演变。随着时间的流逝，宇宙将膨胀，但是随着这种情况的发生，不同种类的能量将表现出彼此不同的行为。
例如，随着宇宙的膨胀，正常物质将变得更加稀薄：物质粒子的数量保持不变，但其占据的体积增加，因此其密度降低。但是，这也会吸引人，这意味着密度稍高于平均水平的空间区域将比其他区域优先吸引更多的周围物质，而密度稍低于平均水平的区域则倾向于把它们的事情交给周边地区。随着时间的流逝，宇宙不仅变得越来越稀，而且随着时间的流逝，它开始首先在小尺度上生长出密集的结构，然后在更大的尺度上生长。
另一方面，随着宇宙的膨胀，辐射不仅会变得更稀，而且会失去能量。这是因为光子的数量（例如质子，中子或电子的数量）也是固定的，因此随着体积的增加，数量密度会下降。但是，随着宇宙的膨胀，每个光子的能量（由其波长定义）也将减少。当任意两点之间的距离延长时，穿过宇宙的光子的波长也会随之增大，从而使其失去能量。
当我们观察宇宙中的星系、星系群和星团，甚至是形成了数十亿年的巨大的宇宙网时，我们可以检查：
它们的内部特性，例如恒星、气体和其中的其他成分根据与中心的距离而变化的速度，它们的聚类属性，例如您有可能在距任何给定星系一定距离处找到另一个星系，从它们引起的引力效应（例如引力透镜）推断，它们有多大，构成这些物体的正常物质位于何处（以及多少），包括气体、尘埃、恒星、等离子体等。当我们这样做时，我们发现我们观察到的物质——所有应存在于宇宙中的正常物质、辐射以及所有其他标准模型粒子——不足以解释我们观察到的物质。从每个星系的旋转速度到星系团内单个星系的运动，再到宇宙中星系的大规模星团，再到宇宙的整体质量密度，总的来说，那里存在太多的质量，大约是600％的因子，仅用正常物质即可解释。
所有这些观察到的现象都是非常真实的，因为我们无处不在的例子发生在无数的物体中，而且很少有物体在当前的正常物质和引力作用之间没有表现出这种不匹配。但是，我们有点幸运，因为只有一种成分，如果我们将其添加到宇宙中，则可以使所有这些内容恢复一致：暗物质。
如果除了正常物质之外，您还添加了以下另一种成分：
寒冷，这是因为宇宙在很小的时候就相对于光速缓慢移动，无碰撞，即它不会与正常物质、辐射或其他暗物质粒子发生碰撞并交换动量，黑暗，因为它对辐射和正常物质是不可见和透明的，所有这些现象以及许多其他现象突然与爱因斯坦引力的预测一致。少数“引力”改良阵营的人们提出了许多论据，这些论点解释了其中的一些现象——修正牛顿引力理论MODified Newtonian Dynamics，简称MOND），解释了许多在小宇宙尺度上发生的现象（几百万光-年或更短的时间）甚至比暗物质还要好，甚至更好——但您进行的任何修改也都必须包括暗物质或看起来与暗物质毫无区别的事物。它使暗物质成为存在于我们宇宙中的新奇的极具吸引力的候选者。
但是，还有另一个重要的证据，我们尚未讨论：宇宙微波背景。如果您在炎热的大爆炸的最早时刻开始模拟宇宙，并添加我们期望在那里存在的成分，您会发现到宇宙膨胀和冷却到足以形成中性原子的时候，在“大爆炸”的剩余辉光中将出现一种与温度成比例关系的温度波动模式：辐射的热浴池，该热浴池目前已红移为微波波长。
辐射本身最早是在20世纪60年代中期发现的，但要测量几乎均匀的背景下的缺陷是一项艰巨的任务，因为天空最热的区域仅比最冷的区域温暖约0.01％。直到20世纪90年代，我们才真正开始使用COBE卫星来测量这些原始的宇宙缺陷，然后由威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和普朗克望远镜（Planck）再次测量。今天，我们已经测量了九个不同波长带中整个微波天空的温度，精确到接近微开尔文（微开尔文），甚至小至0.05摄氏度。我们所拥有的数据只能只能用精致来形容。
在上图中，您看到的这种波动模式对您的宇宙非常敏感。各个波峰和波谷的大小和位置告诉我们宇宙中的事物，并且还排除了与数据不一致的宇宙模型。例如，如果您仅使用正常物质和辐射来模拟一个宇宙，那么您只会得到我们看到的峰和谷的一半左右，再加上峰的角度范围太小，加上温度波动为幅度要大得多。对于这组观察，需要暗物质。
但是，除了暗物质，还需要其他一些东西。如果您将所有已知的正常物质、暗物质、辐射、中微子等都带入宇宙，那么您会发现，这仅占必须存在的全部能量的三分之一给我们这个从宇宙接收的数据集。必须存在另一种其他形式的能量，并且与暗物质或正常物质不同，它不能聚集在一起。无论这种形式的能量是什么——并且需要使宇宙微波背景与我们的观测结果相匹配——除暗物质外，它还必须存在。
暗物质和暗能量的行为截然不同，但是它们在任何已知的直接检测方法都看不见的意义上都是“暗”的。我们可以看到它们的间接影响——对于暗物质，对宇宙形成的结构有影响。关于暗能量，关于宇宙如何膨胀以及宇宙中的辐射如何演化，但是它们的行为截然不同。最大的区别是：
暗物质成团块分布，而暗能量似乎在整个空间中平稳分布，随着宇宙的膨胀，暗物质的密度降低，但暗能量的密度保持不变，暗物质可以减缓宇宙的膨胀，而暗能量则可以有效地使遥远的星系在退离我们时似乎在加速。
您总是可以创建暗物质和暗能量的“统一模型”，许多物理学家都这样做了，但是绝对没有令人信服的动力。如果您认为存在，则必须针对以下问题提供令人信服的答案：
“为什么要引入一个新的，具有两个自由参数的统一组件，而不是引入两个独立的组件，为什么它更具吸引力呢？一个参数用于解释“暗物质”效应，另一个参数用于解释“暗能量”效应。彼此独立发展？”
当我们根据时间的相对重要性（根据它们所占能量密度的百分比）观察暗物质和暗能量如何演变时，这个问题显得尤为尖锐。从宇宙几万年的历史到大约70亿年的历史，暗物质约占宇宙能量密度的80％。在过去的约60亿年中，暗能量已成为宇宙膨胀的主导力量，目前约占宇宙能源总量的70％。
随着时间的流逝，暗能量将变得越来越重要，而包括暗物质在内的所有其他形式的能量将变得微不足道。如果暗物质和暗能量以某种方式相互关联，那么鉴于我们对自然的当前理解，这种关系是微妙的，对物理学家而言并不明显。对于暗物质，您必须添加一种会结块但不会碰撞或施加压力的其他成分。对于暗能量，该成分不会结块或碰撞，但会施加压力。
它们有关系吗？我们不能肯定地说。在我们有证据表明这两件事实际上某种程度上相关之前，我们必须采取保守的方法。暗物质形成并结合了最大的结合结构，但暗能量将这些单个结构推开。后者是如此成功，以至于在1000亿年左右的时间里，我们可见的宇宙所剩下的只是银河系的本地群。除此之外，只有一片空虚的虚无，没有其他星系在数万亿光年的情况下可见。
