【物理好好玩S2EP11】物理學家的「夢中情人」——暗物質

文、聲音|張嘉泓
(東方IC)

在現在已知的基本粒子中,只有微中子,與暗物質有點神似。微中子也不理睬人,暗黑成性。但物理學家計算了宇宙中現存微中子的數量,發現總質量並沒有達到我們對暗物質的預期。所以暗物質若存在,必定是一個還沒有被發現的新東西。

科學的發現,基本上就是揭露原本看不到的東西。因此物理研究的前緣領域,充滿了暗黑的想像,應該也不奇怪。

愛因斯坦的質能公式E=mc^2,可以說把科學家對暗黑的耽溺,往上推高了一個層級。這個公式顯示質量與能量是同一件事,因此花費能量可以產生擁有質量的粒子,而粒子也可以衰變、消失,轉化為能量。所以物理學家疑神疑鬼,總覺得可能還有質量很大的粒子可以存在,但產生所需能量遠高於現有加速器的能力,因此沒被正式發現。偶而在自然界產生,很快就衰變了。既然難得出現,就鮮少與大家交往,有如各處漂浮著若隱若現的鬼魂一樣。但有時這些鬼魂並不是因為太重而沒被發現,而是真的暗黑。

宇宙中質量加能量的總值,其中只有5%是會發亮的物質

我個人心目中,暗黑的極致首推宇宙中可能存在的暗物質,這是近幾年基本科學一個非常熱門的研究題材。一方面是它很奇特,另一方面更是因為暗物質的份量,推測比普通物質還多很多。天文學家很早就開始加總宇宙中所有的質量與能量,二十一世紀初,我們得到了非常精確的宇宙背景輻射電磁波圖像,進一步提供了關鍵性的突破。現在我們預期:宇宙中質量加能量的總值,其中只有5%是一般、會發亮的物質,這些就是我們在望遠鏡中看到的恆星與星際氣體。其餘都無法看見,27%是暗物質,68%則是暗能量。真難以想像,宇宙還真暗呢!暗物質既黑暗又暗黑,這兩個詞是不一樣的。黑暗是自己不發光,因此我們看不見,而暗黑是光明面不願與之有牽扯,作用少,也就獨來獨往。暗物質兩者都是。

黑暗的暗物質自然是望遠鏡無法直接看到的,但科學家的精心觀察,還是找到了蛛絲馬跡。后髮座星系團由約1000個星系所組成,1930年代,天文學家注意到它許多外圍的星系,移動速度快得超過想像。同樣的情況,後來也在仙女座星系,以及銀河系本身外圍的恆星上被看到。組成星系的恆星,或者組成星系團的星系,如同太陽系的行星一般,會繞著一個中心作圓形軌道運動。而運動的恆星不會飛走,自然是因為來自星系內其他恆星或黑洞的萬有引力,把它拉住。萬有引力與距離平方成反比,所以離星系中心位置越遠的恆星,引力越小,如此、恆星速度就必須比較慢才能維持在軌道上。然而觀察發現,星系內外圍恆星的移動速度,卻不隨距離越遠而變小,而幾乎維持同一個數值。這些外圍夥伴如此快的速度,不是星系內我們看得見的恆星總質量,可以拉得住的。於是天文學家猜測,在星系以及星系團內,還有不會發光,無法看到的物質,提供了額外的萬有引力。在1933年第一個提出這樣想法的天文學家兹威基(Fritz Zwicky),當時特別強調,這些不發光的物質,應該比可被看見的星系本身,還要重超過十倍百倍呢!大家得記得,宇宙中物質的多數是黑暗的!

你我日常四周,到處應該都是暗物質

這樣的想法一開始也沒有受到重視,但隨著科學進展,證據越來越難以忽視,天文學家也慢慢累積了對暗物質的了解。首先、暗物質不發光,因此不帶電,除了萬有引力之外,與普通物質的光明界作用微弱,十分暗黑。根據銀河系外圍恆星的速度精細推算,天文學家相信,星系或星系團的暗物質是以球型均勻分布的,相對的、星系本身常是盤狀的。據估計銀河系暗物質的分布球,半徑可能是銀河系本身的10倍以上。所以盤狀的星系,基本上是被包在暗物質所組成的一個大球裡面。就在你我日常四周,到處應該都是暗物質,我們如同生活在暗物質的海洋裡面。

要再經過一段時間,這樣的想法才開始吸引物理學家的興趣。在現在已知的基本粒子中,只有微中子,與暗物質有點神似。微中子也不理睬人,暗黑成性。但物理學家計算了宇宙中現存微中子的數量,發現總質量並沒有達到我們對暗物質的預期。所以暗物質若存在,必定是一個還沒有被發現的新東西。

物理學家開始揣想了一個故事:現在留在宇宙中的這些暗物質,一定是早年大霹靂的時候遺留下來的。那時有很長一段時間,宇宙溫度極高、能量大到什麼都能產生,而且所有物質都混合在一起,形成非常均勻的濃漿。但因爲溫度極高,濃漿卻像氣體一樣。針對這樣的氣體狀態,如上月的節目所介紹的,物理學家可以透過溫度,如獨裁者、老大哥一樣、掌握了解所有的細節。這就是為什麼、對如此早期宇宙的遠距認知,能夠令人相信。這時的暗物質與大家靠得很近,沒有社交距離,即使孤僻,還是時有往來。這個與普通物質的作用,會持續動態調整暗物質的數量,與大家達到平衡。但接著宇宙擴張、溫度下降,到了大霹靂後一秒鐘,宇宙大到暗物質與普通物質拉開了社交距離,而且越離越遠。暗物質孤僻的交往頻率,開始趕不上宇宙擴張的速度。於是暗物質從社交圈退場,完全進入暗黑模式。雖然同在宇宙中,但與普通物質等同是隔絕的,暗物質數量也就固定下來,不再變化,如同被凍結了一般。於是這就是現存的暗物質數量。

物理學家計算暗物質的數量,與天文學家的估計完全吻合

這實在是一個非常完美的劇本,雖然對暗物質的身份完全不了解,物理學家如一個青澀卻熱情的青少年,在心中幻想了一個夢中情人,想像著他的身影、個性及姿態。是不是有點像網路交友呢?但也難怪,物理學家根據一些自然的猜測,發現上述劇本計算出來的暗物質數量,與天文學家的估計完全吻合。實在是天作之合,再巧妙不過了。

這時天文物理家還從宇宙論的角度,幫這個暗黑的傢伙,找到了一個正面的角色。剛剛已經稍微提到,早期宇宙中的物質,是非常均勻分布的,意思是物質或能量的濃密程度,在宇宙中各處都一樣。我們很確定此事,是因為觀測到了早期物質所發出來、幾乎完全均勻的宇宙背景輻射。但現在宇宙中物質分布顯然不是均勻的,在大範圍的觀測上,由物質組成的星系呈現纖維狀、或牆面般的分布,而且星系之間有許多泡沫狀的圓形空隙。當然、如果宇宙完全均勻,就不會有太陽系、地球存在了。還好天文物理學家老早想到了解方:在均勻的背景下,某些地方若出現很微小的額外質量,因爲它所產生較大的萬有引力,會繼續吸引周圍物質靠近而聚集,使不均勻性繼續擴大。有人就戲稱這是資本主義的社會現象,富者越富、貧者越貧,永不回頭。也許今日宇宙的不均勻度也來自同樣的資本累積模式吧。

暗物質在大霹靂後一秒鐘,就與大家分道揚鑣

但這樣的想法有一個問題,宇宙中還一直維持均勻度的背景輻射電磁波,非常強勢,它會把剛剛出現、物質分布的皺褶立刻抹平。這樣的抹平效應,一直持續到大霹靂之後約40萬年,物質與電磁波開始分道揚鑣、彼此不再往來之後才停止。這時物質的不均勻皺褶才能如上述,開始漸漸累積。但經過物理學家的計算,從那時到現在,雖然已經137億年,但時間並不夠長,使皺摺可以累積到宇宙現在的不均勻度。

宇宙背景輻射圖(維基百科)

1980年時,後來的諾貝爾獎得主皮柏斯,想到了一個點子。如果宇宙如預料的充滿比物質還多的暗物質,而暗物質在大霹靂後一秒鐘,就與大家分道揚鑣了,那麼暗黑孤獨的暗物質分布,如果出現皺摺,並不會被周圍的電磁波抹平,因為它與電磁波已經沒有來往了。而暗物質有萬有引力,因此這些皺褶的確就會一直擴大。等到大霹靂之後約40萬年,物質可以獨立於電磁波了,它的周圍已經存在暗物質培養已久的皺摺,物理學家戲稱像一個一個的洞,物質自然就可以直接掉進去。簡單說,暗物質提早開始做了工作,普通物質搭了順風車,直接收割。就這樣形成了星系,也才有恆星,行星,以及今日的你我。如果這個說法成立,那正就是暗物質暗黑的特性,使它可以遺世獨立、不受干擾,修煉出可觀的不均勻度。多虧了這位低調又不怕寂寞的隱士、否則今天的世界將不會出現。

這樣的情節使得暗物質有了更具體的、宇宙論上的預測。天文學家觀測了大尺度星系的分布、還有宇宙背景輻射的不均勻度,都在數值上對暗物質的數量給出了非常精確的結果。現在最新的數字、暗物質佔宇宙總能量26.5%,不準度不到1%。

暗物質的蹤跡,都是天文學或宇宙論的間接證據

大家開始對暗物質寄與厚望。但在幾年前,它的大好前程開始蒙上了陰影。到現在為止,暗物質的蹤跡,都是天文學或宇宙論的間接證據,在粒子物理實驗上還是完全沒有痕跡。如此,我們對暗物質的身份還是完全的黑暗,不知道它究竟是什麼。我們知道總質量,但單顆暗物質究竟多重,物理學家的猜測可就天南地北了。更離譜的是:物理學家按照夢中情人的身型推算,現在應該早已經發現暗物質了才對。不要忘了,地球是泡在暗物質中的,這些暗物質再怎麼暗黑,不能完全無視我們的存在。如果與普通物質的作用過度微弱,在當初凍結之前,暗物質會來不及透過作用消耗掉一大部分數量,而導致凍結後留存太多。根據這樣不能太強、也不能太弱的條件,暗物質與原子核內質子的撞擊事件,應該已經觀測得到。有非常多的實驗,就設計來觀測樣本中質子的突然移動,但到今天為止,完全沒有任何痕跡。物理學家這幾年似乎已經慢慢回過神來,夢中情人終歸是個夢幻。

當然、聽眾很快就察覺,這樣的窘境,除了明白顯示物理學家的天真與一廂情願,並不代表暗物質不存在。天文學及宇宙論上的間接證據,還在繼續一直出現,奇怪的是粒子物理實驗就是沒看到。暗物質可能更輕、或更重、更暗黑,都有可能,物理學家得回到設計桌前重新努力。想想暗物質佔了宇宙能量的四分之一,我個人內心深處就很難接受,它是一個很一般的基本粒子,特徵就是暗黑、穩定,難道暗物質不會暗示著宇宙更深的秘密嗎?

這種感覺不知該說是失望、挫折、寂寥,還是期盼、悸動、興奮。也許跟年紀也有關吧,暗物質的問題,能在我有生之年得到解決嗎?畢竟地球繞日的學說要花上百年才有定論。只能說,大自然中充滿了未知的神秘,在人類還沒了解之前,它們也是暗黑的。

下一回的【物理好好玩】,我們將介紹:時光機器。

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