【暗物質】

方格 · 發表於 2012-5-16 07:58:40

本帖最後由方格於 2012-5-16 08:04 編輯

【暗物質】

Work begins on world's deepest underground lab

該不會這暗物質就是通往另一個平行宇宙的門

這個世紀最偉大的發現之一是我們以前所能觀測到, 探測到的物質及能量, 其實還不到整個宇宙組成的4%.

宇宙中有22%的暗物質及74%的暗能量。

所謂的暗物質是一些物質, 它們無法發出或反射出足夠的電磁幅射而被觀察到, 但它們的存在卻能由它們的重力作用於可觀測的物質上而推論得到.

暗能量是更為奇怪的東西, 它散佈於宇宙各處, 但至今對它一無所知.

當今在宇宙學及粒子物理學中最重要的問題莫過於回答暗物質及暗能量到底是些什麼東西.

可以預見, 這個重要的問題將帶領整個人類的知識文明做一個極大的躍昇, 對於宇宙的起源, 生命的誕生, 會有更完整的暸解.

美國科學家利用哈伯太空望遠鏡，把看不見的暗物質（dark matter）繪成立體圖，讓暗物質具體呈現在世人眼前。

新研究證實，宇宙大霹靂之後，暗物質分布後才有星系的形成。

暗物質不發出光或電磁輻射，人類目前只能透過引力產生的效應，得知宇宙中有大量暗物質存在。

科學家以往只能模擬暗物質的情況，加州理工學院教授麥西領導的團隊，以弱引力透鏡觀測法研究暗物質，運用哈伯太空望遠鏡觀測五十萬個遙遠星系一千個小時，繪出暗物質面貌。

麥西團隊的研究結果日前在西雅圖的美國天文學會大會中發表，並刊登在「自然」期刊。

在整個宇宙中，普通物質只占六分之一，其他都是暗物質。

對天文學家來說，要繪製宇宙的地圖，就像在夜間拍攝市區的空照圖，顯示的只有街燈。

暗物質看不見，所以我們只能直接看到明亮的星系，而麥西團隊繪出暗物質立體圖，等於首度在白天拍到市區、郊區和道路的面貌。

根據現有理論，大霹靂發生後，冷暗物質（cold dark matter）形成宇宙的粗略架構，這些結構因本身的重量而瓦解，形成龐大的星系暈（halo）。

星系暈的引力吸進普通物質，變成星系形成的中心。

另一方面，麥西團隊的研究所得和現有知識衝突。

現有理論認為，普通物質密集處幾乎和暗物質重疊，麥西團隊所見卻並非如此，有的暗物質團是單獨存在。

英國德翰大學教授法蘭克指出，如果人類目前的天文知識是正確的，規模大到一定程度的暗物質團應該也有星系存在。

法蘭克表示，問題關鍵在於，暗物質團單獨存在的情況有多普遍，如果發現許多龐大星系四周並無暗物質，會讓科學界震驚。

麥西團隊發現暗物質團單獨存在，可能是觀測資料中的雜訊造成，但也可能真有其事。

麥西表示，他不認為暗物質團單獨存在的發現，是數據誤差或分析方法的瑕疵造成。

宇宙中可見的物質，不過像是在未知物質組成的不可見海洋上飄流的殘骸。

撰文╱方勵之，美國亞利桑那大學物理系教授，主要研究領域包括核子物理、雷射物理、理論天文物理學與宇宙學等。

在2003年2月11日，美國航太總署召開記者會，公告最新測得的宇宙學參數。

其中有關宇宙間物質成份的結果是：4%的質量是重子物質（baryon）、24%暗物質、72%暗能量。

亦即，宇宙主導成份是「暗」的，重子佔極少數。

這裡「重子物質」指的是質子、中子以及由它們構成的各種物體，例如人的身體就是由重子所構成的。

所以，從宇宙學的眼光來看，人類真正是由稀有物質構成的。

暗物質很多，也許就在你身邊，但是一般人的肉眼是看不到的。

暗能量更是處處皆有，包括在你的身體裡，而且你也不會有任何感覺。

當然，人感覺不到的東西多的是。通訊用的電磁波，人就不能覺察，只能用手機或其他設備接收。

但是暗物質不同，至今世界上還沒有一個設備探測到暗物質的訊號。

雖然曾有一個實驗團隊宣稱探測到暗物質的訊號，不過它並沒有得到同行的公認。

這就是位於義大利的巨石峰國家實驗室（Gran Sasso National Laboratory，見左上圖）所進行的DAMA（源於dark matter二字的前兩個字母）實驗。

筆者去年暑期造訪這間實驗室，它位於亞平寧山脈主峰巨石峰之下1400公尺的隧道裡（左下圖為實驗室在地底的示意圖，裡面分ABC三區，區域間以通道相連）。

隧道長10多公里，陰潮幽暗，濕度達100%，雖然有強力通風及空調設備，仍然不免感到鬱悶。

DAMA在這裡堅持了約10年，儘管實驗結果沒有得到承認，但他們還是要堅持下去。

是什麼原因促使DAMA及其他搜索團隊，在歷經10年仍然找尋不到暗物質的情況下，仍然要堅持下去？

因為他們相信天文物理學家的結論，認為暗物質高達24%。

那麼，又是為什麼，對這種至今探測不到的物質，天文物理學家會對這個數據深信不已？

這就要把故事拉回70年前。

下落不明的質量

1930年代初，瑞士天文學家茲威基（F. Zwicky）發表了一個驚人結果：在星系團中，看得見的星系只佔總質量的1/300以下，而99%以上的質量是看不見的。

質量下落不明！

茲威基用的是一種最古老的方法：以明察暗。

其原理同盤查走私的一種簡單方法相同。

比如一艘貨輪，如果船主申報貨物的數量和質量不足以說明貨輪的吃水深度，則它很可能夾帶黑貨。

在茲威基那裡，「貨輪」是星系團，「申報的貨物」是看得見的星系，而「黑貨」就是下落不明的物質。

這是最早的暗物質的存在證據。

茲威基的結果雖驚人，不過，許多人並不信，更多人半信半疑。

直到1980年出版的《中國大百科全書》上還寫著：「這個問題（指是否有下落不明的物質）迄今還未得到令人滿意的解決。」

實際上，1978年已經出現第一個更令人信服的證據，這是測量物體圍繞星系轉動的速度。

我們知道，根據人造衛星圍繞地球運行的速度和衛星的高度，就可以測出地球的總質量。

根據地球繞太陽運行的速度和地球與太陽的距離，就可以測出太陽的總質量。

同理，根據物體（星體或氣團）圍繞星系運行的速度和該物體距星系中心的距離，就可以估算出星系範圍內的總質量。

結果發現，星系的總質量遠大於星系中可見星體的質量總和。

結論似乎只能是：星系裡必有暗物質。

自此之後，暗物質存在的證據愈來愈多。

宇宙中暗物質的含量，最初是由研究星體形成時得到的。

我們今天生活的銀河系和所有其他的星系，都是由宇宙早期的氣體「凝結」成的，而造成「凝結」的原因是萬有引力（或重力）。

氣體之間的重力吸引可以導致氣體結合形成星體。

然而仔細計算後發現，氣體或重子物質是太少了，它們之間的引力遠不足以形成今天如此眾多的可見星系；

但是如果將暗物質考慮在內，引力則會大大增加。

也就是說，暗物質能率先形成團塊結構。在這種暗物質團塊引力的幫助下，氣體才可能形成星體。

所以說，人類雖然不是由暗物質構成的，但是如果沒有暗物質，可能就沒有我們今天賴以生存的星球。

另一方面，暗物質也不能太多，不然星球形成就太多太快了。

用這種方法推算，暗物質應不太多也不太少，佔宇宙物質總量的20~30%正合適。

這是1990年代初的事，各種搜尋暗物質的實驗（包括DAMA）就此開始了。

加速膨脹的宇宙

有關暗能量的歷史更長。不同於暗物質，暗能量最早來自理論猜測。

第一篇現代宇宙學的論文，即愛因斯坦1917年2月8日發表的論文中，引進了一個新物理參數，他稱之為「普適的，但如今尚屬未知的常數」。

這就是後來稱為宇宙常數，再稱為暗能量的濫觴。

愛因斯坦引進一個未知常數的目的，是為了使他的理論能描繪出一個靜態的宇宙。因為在他那個時代，宇宙的靜態和永恆是天經地義的事。

1929年，哈伯（E. Hubble）發現，宇宙並非靜態，而是在膨脹。

從此，愛因斯坦就丟棄了宇宙常數，終其一生，極不喜歡這個數。

宇宙常數的確不十分討人喜歡，它的性質極為反常。

普通的物質（重子及暗物質）具有正的質量和正的壓力，而對宇宙常數來說，如果它的質量是正的，壓力就是負的。

反之，如果壓力是正，質量就是負。

所以，宇宙常數在宇宙學中的待遇並不好，它常常被假定為零，即不存在。

然而「一個有害的妖魔，一旦放出瓶子，就不容易重新禁錮起來。」

（《引力論》，麥思納等著）的確，宇宙常數是否存在不是取決於任何人的好惡。

時下的結論是，宇宙常數不僅不能遺棄或禁錮，而且，它才真正是現今宇宙的主導。

同樣在1990年代初，天文學家在研究星體形成時發現，當宇宙中有70%的質量來自於宇宙常數時，這會是一個很好的模型。

它能統一、協調地解釋許多不同的觀測結果。

不過那時還沒有旁證，特別是當時還沒有證實宇宙常數的一個最主要的效應：宇宙加速膨脹。

由正質量正壓力物質構成的宇宙，膨脹總是減速的，而如果宇宙質量由宇宙常數主導，膨脹便會加速。

檢驗加速減速最直接的方法，就是比較宇宙早期和晚近的膨脹速度。

觀察早期宇宙，要靠極亮的天象，超新星爆發就是其中一種。

根據北宋天文官員的記錄，公元1054年銀河系中的一個超新星爆發，「晝見如太白……色赤白，凡見二十三日」，這個超新星爆發的遺跡稱為蟹狀星雲（見右頁圖）。

1995年超新星宇宙學研究開始起步，它的主要工作是搜尋在遙遠星系中的超新星爆發；到了1998年，已經發現了數十個這類爆發。

從這些成果的確可以得出宇宙膨脹愈來愈快的結論。

從此，70%的宇宙質量由宇宙常數主導，便成為主流模型，這個量也改稱為暗能量。

大宇宙對小粒子

暗物質和暗能量一共佔宇宙質量的96%（24%+72%），而它們到底是什麼東西，如今尚屬未知。

成千的粒子物理學家正在這個領域努力工作，以爭頭功，理論家也提出了各種各樣的猜測和預言。

目前流行的看法是，暗物質可能是某種或某些相互作用極弱的重粒子，而暗能量就是真空的能量。

所以，實驗物理學家便致力於建造極靈敏的探測器，以捕捉暗物質粒子。

為了壓低干擾，這些實驗大都設在隧道裡、礦井下或海水中。

天文物理學家對於粒子並不怎麼熱中；不過，對於粒子物理的結果，宇宙學家時有「否決權」。這就是以大制小。

在已知的粒子中，最有可能是暗物質的就是微中子。

這種粒子的作用很弱，可以穿越地球，而且數量很多。

按照宇宙學的理論，平均每立方公分中約有100個微中子（這就是說，在你身體的範圍裏，少說也有10萬個）。

所以，只要每個微中子的質量夠小，24%的數量很容易達到。

1980年代，至少前後兩次，有粒子實驗物理學家聲稱偵測到微中子的質量。

如果屬實，暗物質就應是微中子了。

然而宇宙學家不相信這個結果，因為如果宇宙質量由微中子主導，星體的形成就有問題。

後來果然證實，兩個實驗都不成立。

最近，粒子實驗再度發現微中子可能是有質量的，不過這個值遠小於宇宙學家的否決的範圍。

一般而言，宇宙學不能或很難對粒子物理論斷提供有效的證明，但是它往往能提供有效的否證。

換言之，宇宙學對微觀物理是個有力的殺手。

「不被宇宙學所否決」是當今粒子物理必須通過的檢驗，這就是受到暗物質、暗能量問題的刺激，所發展出的粒子宇宙學（particle cosmology）或宇宙粒子物理學（cosmological particle physics）。

最後，不能不提到一些相反的看法。

自從暗物質的問題一出現，就有人提出，根本沒有暗物質，而是重力理論必須修改。

修正了重力理論，暗物質的證據就消失了。

最近又有人提出，70%的宇宙常數或暗能量也不需要，因為那是重力在大尺度上變弱，所以看起來像是有宇宙暗能量。

不管抱持哪種觀點，科學家仍具有一個基本共識，那就是物理學對宇宙成份的了解，不能只停留在其中的4%，而對其餘的96%所知有限，或根本無知。

也許有一天，我們終將揭露宇宙大船中匿藏的大量黑貨；但我們也有可能發現，那不是黑貨，而是通向新物理學的門檻。

兩種暗物質探測器

1）閃爍探測器

原理︰尋找暗物質通過時所發出微弱的光脈衝。

這裡通過的是液態氙。

優點︰

■可測量脈衝的波形，有可能區分暗物質與普通物質。

■可測量入射粒子的方向。

2）低溫探測器

原理︰尋找暗物質通過超冷晶體時所產生微弱的熱脈衝。

優點︰

■簡單

■對低能粒子非常敏感

■粒子能量可精確測定

•正執行暗物質搜尋的計畫：

1）1990年代初期開始執行的「液態惰性氣體區域比例閃爍」（ZEPLIN）計畫，由美國加州大學洛杉磯分校的王漢國和克萊恩（David B. Cline，本期雜誌〈尋找暗物質〉一文作者）、義大利托里諾大學的皮契（Pio Picchi）兩個小組負責執行，主探測器為低溫探測器，材質為液態氙。

2）低溫暗物質搜尋計畫（CDMS），最新一代的CDMS II位於美國明尼蘇達州蘇旦礦井（Soudan Mine），已經從去年底開始採集數據，主探測器為低溫探測器，材質為矽與鍺。

3）義大利羅馬附近的巨石峰國家實驗室正進行的「暗物質」（DAMA）實驗，主探測器為閃爍探測器，材質為碘化鈉。

4）1997年於英國波爾比開始進行的英國暗物質合作計畫（UKDMC），主探測器為閃爍探測器，材質為碘化鈉。

5）將於2004年開始進行探測的義大利巨石峰實驗室CRESST計畫。

主探測器為低溫探測器，材質為鈣鎢氧化物。

在2003年2月11日，美國航太總署召開記者會，公告最新測得的宇宙學參數。

其中有關宇宙間物質成份的結果是：4%的質量是重子物質（baryon）、24%暗物質、72%暗能量。亦即，宇宙主導成份是「暗」的，重子佔極少數。

這裡「重子物質」指的是質子、中子以及由它們構成的各種物體，例如人的身體就是由重子所構成的。

所以，從宇宙學的眼光來看，人類真正是由稀有物質構成的。

暗物質很多，也許就在你身邊，但是一般人的肉眼是看不到的。

暗能量更是處處皆有，包括在你的身體裡，而且你也不會有任何感覺。

當然，人感覺不到的東西多的是。

通訊用的電磁波，人就不能覺察，只能用手機或其他設備接收。

但是暗物質不同，至今世界上還沒有一個設備探測到暗物質的訊號。