2016年9月5日 星期一

暗物質與暗能量

暗物質 (dark matter)[2] 與暗能量 (dark energy)[3] 二者有些一樣,也有些不同。一樣的是它們與我們熟悉的光-就是電磁作用-不會交互影響,所以我們用可見光及無線電望遠鏡都觀察不到,是以我們以「暗」名之;不同的是它們在重力之下舉止很不一樣:暗物質與平常物質 (ordinary matter) 一樣,彼此之間是吸引力,但暗能量卻會造成重力的斥力。

現在對宇宙的暸解我們又了一小步。我們日常所見的平常物質,就是我們所熟悉、由原分子所組成的物質,只占宇宙總質能 4.9%。而暗物質占 26.8%,暗能量占 68.3%,這些都是我們只能間接觀察它們存在的質能。唉!我們所知越來越少了。不過,這幾個百分比這幾年更改過,而且精確到小數點第一位。就像宇宙的年紀現在我們可以堂而皇之的說 137.99 億年 [6],而不是像以前只能籠統的說大概一百四十億年。所以科學還是努力在進步。

暗物質的概念出現的較早,上世紀 30年代時,弗里茨ž玆威基 (Fritz Zwicky) 就提出了星團中有暗物質的概念。這個概念的源起很簡單,是國中物理。一個物體靠向心力維持繞行,其運動速度和向心力的根號成正比,而向心力由重力提供,重力又與互相吸引的二個質量成正比。所以我們觀察星體的運動速度,應該可以推算它們的質量。第一個暗物質的證據是霍勒斯ž巴布科克 (Horace Babcock) 在他的博士論文中提出的,是觀察我們附近的仙女座銀河 (Andromeda Galaxy) [5]-就是那個在幾十億年後將與我們所在乳道銀河 (Milky Way Galaxy) 撞成一團的那個銀河-的一些星體運動,他得的結論是有許多暗物質,否則那些星體不可能如此快速運動!他的數據只有四點,而且誤差很大。但他的結果被後來的其它觀察陸續證實。博士論文可以有如此重大的發現,有為者亦若是!

暗能量的議題其實源遠流長。從愛因斯坦寫下他的重力方程式後,一個經常徘徊在理論物理學家心頭的問題是宇宙未來的命運是如何?大爆炸後宇宙終將由其組成物質的重力相互吸引、終將塌縮回一歧點?亦或將無止境的擴張下去、終成荒蕪稀疏、物質寥落之境?愛因斯坦當時的選擇是宇宙是靜止的,後來成為他最後悔的事。在 1998 High-Z Supernova Search Team 發表了對 Type 1A 超新星的觀察,隔年的 Supernova Cosmology Project 得到宇宙的擴張還在加速的結論。如果宇宙中只有平常物質和暗物質,宇宙在初期大爆炸後快速擴張期後終將因這些物質之間的引力而減緩擴張的速度。顯然宇宙中還有另外一種能量,其重力作用為斥力,使得星體之間加速分離。愛因斯坦方程式中的宇宙常數 (cosmological constant) 是暗能量的可能解釋之一。這個發現距今不到二十年,天底下永遠有新鮮事。

之所以推薦這本書 《宇宙雞尾酒》[1] 是因為夠新,裏頭連最近量到的重力波都有提。前頭講的都只是簡介,新的結果在書中。作者凱瑟琳ž弗里玆 (Katherine Freese) 的專長是高能天文學 (high energy astrophysics),這是研究這類題目最合適的背景,譬如高能物理中的微中子 (neutrino) 就曾是暗物質的候選人之一。裏頭有張照片是四位女性教授的合照,其中一位曾經當過 Scientific American》的封面人物。是舊識也曾是競爭對手。翻書時不免前塵舊事才下眉頭,又上心頭。

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