图文物理好好玩物理学家的梦中情人暗物质

　　所见所得，都很科学
　　在现在已知的基本粒子中，只有微中子，与暗物质有点神似。微中子也不理睬人，暗黑成性。但物理学家计算了宇宙中现存微中子的数量，发现总质量并没有达到我们对暗物质的预期。所以暗物质若存在，必定是一个还没有被发现的新东西。
　　科学的发现，基本上就是揭露原本看不到的东西。
　　因此物理研究的前缘领域，充满了暗黑的想像，应该也不奇怪。
　　爱因斯坦的质能公式Emc2，可以说把科学家对暗黑的耽溺，往上推高了一个层级。这个公式显示质量与能量是同一件事，因此花费能量可以产生拥有质量的粒子，而粒子也可以衰变、消失，转化为能量。所以物理学家疑神疑鬼，总觉得可能还有质量很大的粒子可以存在，但产生所需能量远高于现有加速器的能力，因此没被正式发现。偶而在自然界产生，很快就衰变了。既然难得出现，就鲜少与大家交往，有如各处漂浮着若隐若现的鬼魂一样。但有时这些鬼魂并不是因为太重而没被发现，而是真的暗黑。
　　宇宙中质量加能量的总值，其中只有5是会发亮的物质
　　我个人心目中，暗黑的极致首推宇宙中可能存在的暗物质，这是近几年基本科学一个非常热门的研究题材。一方面是它很奇特，另一方面更是因为暗物质的份量，推测比普通物质还多很多。天文学家很早就开始加总宇宙中所有的质量与能量，二十一世纪初，我们得到了非常精确的宇宙背景辐射电磁波图像，进一步提供了关键性的突破。现在我们预期：宇宙中质量加能量的总值，其中只有5是一般、会发亮的物质，这些就是我们在望远镜中看到的恒星与星际气体。其余都无法看见，27是暗物质，68则是暗能量。真难以想像，宇宙还真暗呢！暗物质既黑暗又暗黑，这两个词是不一样的。黑暗是自己不发光，因此我们看不见，而暗黑是光明面不愿与之有牵扯，作用少，也就独来独往。暗物质两者都是。
　　黑暗的暗物质自然是望远镜无法直接看到的，但科学家的精心观察，还是找到了蛛丝马迹。后发座星系团由约1000个星系所组成，1930年代，天文学家注意到它许多外围的星系，移动速度快得超过想像。同样的情况，后来也在仙女座星系，以及银河系本身外围的恒星上被看到。组成星系的恒星，或者组成星系团的星系，如同太阳系的行星一般，会绕着一个中心作圆形轨道运动。而运动的恒星不会飞走，自然是因为来自星系内其他恒星或黑洞的万有引力，把它拉住。万有引力与距离平方成反比，所以离星系中心位置越远的恒星，引力越小，如此、恒星速度就必须比较慢才能维持在轨道上。然而观察发现，星系内外围恒星的移动速度，却不随距离越远而变小，而几乎维持同一个数值。这些外围伙伴如此快的速度，不是星系内我们看得见的恒星总质量，可以拉得住的。于是天文学家猜测，在星系以及星系团内，还有不会发光，无法看到的物质，提供了额外的万有引力。在1933年第一个提出这样想法的天文学家兹威基（FritzZwicky），当时特别强调，这些不发光的物质，应该比可被看见的星系本身，还要重超过十倍百倍呢！大家得记得，宇宙中物质的多数是黑暗的！
　　你我日常四周，到处应该都是暗物质
　　这样的想法一开始也没有受到重视，但随着科学进展，证据越来越难以忽视，天文学家也慢慢累积了对暗物质的了解。首先、暗物质不发光，因此不带电，除了万有引力之外，与普通物质的光明界作用微弱，十分暗黑。根据银河系外围恒星的速度精细推算，天文学家相信，星系或星系团的暗物质是以球型均匀分布的，相对的、星系本身常是盘状的。据估计银河系暗物质的分布球，半径可能是银河系本身的10倍以上。所以盘状的星系，基本上是被包在暗物质所组成的一个大球里面。就在你我日常四周，到处应该都是暗物质，我们如同生活在暗物质的海洋里面。
　　要再经过一段时间，这样的想法才开始吸引物理学家的兴趣。在现在已知的基本粒子中，只有微中子，与暗物质有点神似。微中子也不理睬人，暗黑成性。但物理学家计算了宇宙中现存微中子的数量，发现总质量并没有达到我们对暗物质的预期。所以暗物质若存在，必定是一个还没有被发现的新东西。
　　物理学家开始揣想了一个故事
　　现在留在宇宙中的这些暗物质，一定是早年大霹雳的时候遗留下来的。那时有很长一段时间，宇宙温度极高、能量大到什么都能产生，而且所有物质都混合在一起，形成非常均匀的浓浆。但因为温度极高，浓浆却像气体一样。针对这样的气体状态，如上月的节目所介绍的，物理学家可以透过温度，如独裁者、老大哥一样、掌握了解所有的细节。这就是为什么、对如此早期宇宙的远距认知，能够令人相信。这时的暗物质与大家靠得很近，没有社交距离，即使孤僻，还是时有往来。这个与普通物质的作用，会持续动态调整暗物质的数量，与大家达到平衡。但接着宇宙扩张、温度下降，到了大霹雳后一秒钟，宇宙大到暗物质与普通物质拉开了社交距离，而且越离越远。暗物质孤僻的交往频率，开始赶不上宇宙扩张的速度。于是暗物质从社交圈退场，完全进入暗黑模式。虽然同在宇宙中，但与普通物质等同是隔绝的，暗物质数量也就固定下来，不再变化，如同被冻结了一般。于是这就是现存的暗物质数量。
　　物理学家计算暗物质的数量，与天文学家的估计完全吻合
　　这实在是一个非常完美的剧本，虽然对暗物质的身份完全不了解，物理学家如一个青涩却热情的青少年，在心中幻想了一个梦中情人，想像着他的身影、个性及姿态。是不是有点像网路交友呢？但也难怪，物理学家根据一些自然的猜测，发现上述剧本计算出来的暗物质数量，与天文学家的估计完全吻合。实在是天作之合，再巧妙不过了。
　　这时天文物理家还从宇宙论的角度，帮这个暗黑的家伙，找到了一个正面的角色。刚刚已经稍微提到，早期宇宙中的物质，是非常均匀分布的，意思是物质或能量的浓密程度，在宇宙中各处都一样。我们很确定此事，是因为观测到了早期物质所发出来、几乎完全均匀的宇宙背景辐射。但现在宇宙中物质分布显然不是均匀的，在大范围的观测上，由物质组成的星系呈现纤维状、或墙面般的分布，而且星系之间有许多泡沫状的圆形空隙。当然、如果宇宙完全均匀，就不会有太阳系、地球存在了。还好天文物理学家老早想到了解方：在均匀的背景下，某些地方若出现很微小的额外质量，因为它所产生较大的万有引力，会继续吸引周围物质靠近而聚集，使不均匀性继续扩大。有人就戏称这是资本主义的社会现象，富者越富、贫者越贫，永不回头。也许今日宇宙的不均匀度也来自同样的资本累积模式吧。
　　暗物质在大霹雳后一秒钟，就与大家分道扬镳
　　但这样的想法有一个问题，宇宙中还一直维持均匀度的背景辐射电磁波，非常强势，它会把刚刚出现、物质分布的皱褶立刻抹平。这样的抹平效应，一直持续到大霹雳之后约40万年，物质与电磁波开始分道扬镳、彼此不再往来之后才停止。这时物质的不均匀皱褶才能如上述，开始渐渐累积。但经过物理学家的计算，从那时到现在，虽然已经137亿年，但时间并不够长，使皱折可以累积到宇宙现在的不均匀度。
　　宇宙背景辐射图（维基百科）
　　1980年时，后来的诺贝尔奖得主皮柏斯，想到了一个点子。如果宇宙如预料的充满比物质还多的暗物质，而暗物质在大霹雳后一秒钟，就与大家分道扬镳了，那么暗黑孤独的暗物质分布，如果出现皱折，并不会被周围的电磁波抹平，因为它与电磁波已经没有来往了。而暗物质有万有引力，因此这些皱褶的确就会一直扩大。等到大霹雳之后约40万年，物质可以独立于电磁波了，它的周围已经存在暗物质培养已久的皱折，物理学家戏称像一个一个的洞，物质自然就可以直接掉进去。简单说，暗物质提早开始做了工作，普通物质搭了顺风车，直接收割。就这样形成了星系，也才有恒星，行星，以及今日的你我。如果这个说法成立，那正就是暗物质暗黑的特性，使它可以遗世独立、不受干扰，修炼出可观的不均匀度。多亏了这位低调又不怕寂寞的隐士、否则今天的世界将不会出现。
　　这样的情节使得暗物质有了更具体的、宇宙论上的预测。天文学家观测了大尺度星系的分布、还有宇宙背景辐射的不均匀度，都在数值上对暗物质的数量给出了非常精确的结果。现在最新的数字、暗物质占宇宙总能量26。5，不准度不到1。
　　暗物质的踪迹，都是天文学或宇宙论的间接证据
　　大家开始对暗物质寄与厚望。但在几年前，它的大好前程开始蒙上了阴影。到现在为止，暗物质的踪迹，都是天文学或宇宙论的间接证据，在粒子物理实验上还是完全没有痕迹。如此，我们对暗物质的身份还是完全的黑暗，不知道它究竟是什么。我们知道总质量，但单颗暗物质究竟多重，物理学家的猜测可就天南地北了。更离谱的是：物理学家按照梦中情人的身型推算，现在应该早已经发现暗物质了才对。不要忘了，地球是泡在暗物质中的，这些暗物质再怎么暗黑，不能完全无视我们的存在。如果与普通物质的作用过度微弱，在当初冻结之前，暗物质会来不及透过作用消耗掉一大部分数量，而导致冻结后留存太多。根据这样不能太强、也不能太弱的条件，暗物质与原子核内质子的撞击事件，应该已经观测得到。有非常多的实验，就设计来观测样本中质子的突然移动，但到今天为止，完全没有任何痕迹。物理学家这几年似乎已经慢慢回过神来，梦中情人终归是个梦幻。
　　当然、听众很快就察觉，这样的窘境，除了明白显示物理学家的天真与一厢情愿，并不代表暗物质不存在。天文学及宇宙论上的间接证据，还在继续一直出现，奇怪的是粒子物理实验就是没看到。暗物质可能更轻、或更重、更暗黑，都有可能，物理学家得回到设计桌前重新努力。想想暗物质占了宇宙能量的四分之一，我个人内心深处就很难接受，它是一个很一般的基本粒子，特征就是暗黑、稳定，难道暗物质不会暗示着宇宙更深的秘密吗？
　　这种感觉不知该说是失望、挫折、寂寥，还是期盼、悸动、兴奋。也许跟年纪也有关吧，暗物质的问题，能在我有生之年得到解决吗？毕竟地球绕日的学说要花上百年才有定论。只能说，大自然中充满了未知的神秘，在人类还没了解之前，它们也是暗黑的。
　　作者張嘉泓
　　编辑曼惪翋
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