【物理好好玩S2EP11】物理學家的「夢中情人」——暗物質
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。
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。
