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暗能量看不到也摸不著﹐科學家該如何找到它﹖
愛因斯坦的廣義相對論重新改寫科學家對於時間﹑空間﹑與質量的認知﹐也開啟科學家對廣大宇宙研究的大門。在宇宙物理學如同大霹靂快速發展之時﹐科學家也發現愛因斯坦最早提出的宇宙模型可能並不完全正確。正確來說﹐科學家發現過去對宇宙的理解﹐可能真的太少了。少到科學家至今所觀測到的所有物質﹐可能仍不到整個宇宙組成的百分之五。並不是說這些能量或物質距離科學家太過遙遠﹐而是他們可能就在附近而科學家卻全然不瞭解它。
其中佔了將近宇宙組成七成的「暗能量」﹐到底是什麼來頭﹖科學家能徹底瞭解它﹐同時能為科學家宇宙的存在﹐提供一個正確的解釋模型嗎﹖又或者科學家能掌握它﹐來改變宇宙的未來嗎﹖暗能量(dark energy)到底是什麼﹖這聽起來有夠中二的名字﹐難道是暗影大人的新能力嗎﹖
其實暗能量的「暗」﹐指的是科學家看不到也摸不到﹐用上各種波段的電磁波都察覺不到﹐甚至現今沒有任何儀器能偵測到它的存在。因為科學家無法感受到它﹑不知道他們的型態﹐所以稱為暗能量。也就是說﹐如果暗影大人或是哪個最終BOSS的絕招是「暗能量波動」﹐當巨大的能量朝你襲來﹐不用擔心﹐站在原地就好﹐因為它只會穿過你的身體﹐打不中你。同樣的你可能聽過的「暗物質」﹐指的也是科學家無法探知的未知物質。也就是說﹐暗物質並不是指某種特定物質叫做暗物質﹐任何科學家現在還無法探測到﹐都可能是暗物質的其中一種。
既然科學家摸不到也看不到﹐科學家怎麼知道暗能量存在﹐還是僅存在科學家的中二想像中呢﹖科學家得將時間回推到最早認為宇宙中有未知能量存在的那個人﹐他不是別人﹐就是鼎鼎大名的愛因斯坦。1916年愛因斯坦推導出廣義相對論﹐解釋物質和能量如何影響時空的彎曲和演化。愛因斯坦當時認為宇宙應該是靜態﹐但是若宇宙中只有物質﹐宇宙應該會受重力吸引而塌縮﹐因此需要與反向的能量來平衡重力﹐這股能量平均地存在在空間當中。愛因斯坦當時引入了宇宙常數Λ來平衡他的靜態宇宙模型﹐而直到非常近期的1998年﹐暗能量(dark energy)這個詞才由物理學家麥可·特納提出。
在愛因斯坦之後﹐著名宇宙學家傅里德曼提出不同看法﹐他認為宇宙不一定是平衡的也可能正在收縮或膨脹當中﹐並根據廣義相對論推導出Fridemann方程式。暗能量不只存在於理論上的預測﹐同時期天文學家開始發現科學家熟知的銀河系並無法代表整個宇宙﹐原來夜空中很多像星雲的天體﹐其實是遙遠的星系！宇宙遠比以前認為得大的太多了！1929 年﹐哈伯進一步發現這些星系竟然正在遠離太陽系﹐而且距離太陽系愈遠的星系﹐遠離的速度就愈快！宇宙竟然真的是以地球為中心﹐而地球利用強大的排斥力﹐將其他星系用力向外推開嗎﹖當然不是﹐想像一下﹐宇宙就像一個葡萄乾麵包﹐上面佈滿的葡萄乾就是各種天體﹐當麵包發酵膨脹時﹐不論站在哪顆葡萄乾的視角﹐所有天體的距離都是互相拉遠﹐而且距離愈遠的天體﹐彼此遠離的速度就愈快。
也就是說﹐哈伯觀測到的結果顯示整個宇宙正在膨脹。但還有一個問題﹐就是這個宇宙的膨脹速度是隨著時間經過越來越快的加速膨脹﹐還是膨脹速度正隨著時間在趨緩的減速膨脹呢﹖為什麼這個問題很重要﹖因為如果是減速膨脹﹐靠現有的重力理論就可以解釋﹐宇宙中天體所提供的重力﹐正在使宇宙減速膨脹﹐甚至宇宙的結局可能會是宇宙重新塌縮。但如果宇宙正在加速膨脹﹐那麼只考慮重力就不夠了﹐為了抵抗向內塌縮的重力﹐勢必要有一股力量要將宇宙向外加速推開。這時﹐就需要加入暗能量的存在了。
為了確認宇宙正在減速或加速膨脹﹐好推算暗能量是否存在﹐科學家再次將目光投向宇宙深處。隨著觀測技術愈來愈進步﹐天文學家可以透過不同方式﹐觀測更早期的宇宙。愈遠的天體發出的光﹐需要經過愈長的時間才能傳到地球。假設科學家觀察離地球一億光年遠的星球﹐由於科學家看到的影像是從星球出發後﹐經過一億年後才到達地球﹐因此在望遠鏡中看到的其實是該星球一億年前的樣子。只要利用這點﹐如果科學家將望遠鏡頭對向更加遙遠的宇宙深處﹐就能看到更早期的宇宙樣貌﹐幫助科學家瞭解宇宙過去的樣子。
科學家主要透過三種方法﹐分別用來觀測晚期﹑中期﹑到早期的宇宙。第一種方法是觀測Ia型超新星爆炸﹐它指的是當一顆緻密白矮星到了生命末期﹐吸收大量鄰近伴星的氣體﹐使得內部重力超過某個極限﹐引發失控的核融合而形成的超新星爆炸。這個爆炸會在瞬間釋放出許多能量﹐亮度甚至可以媲美整個星系﹐因此即使是很遙遠的超新星也可以被地球觀測到。最受天文學家關注的是﹐因為每個Ia型超新星爆炸時產生的尖峰光度都相同﹐可以直接作為觀測或是亮度的比對參考點﹐又稱為標準燭光。當它離科學家愈遠亮度就愈小﹐只要觀測亮度就可以得知它離地球的距離。
接著透過光譜分析﹐科學家還能得到這個超新星遠離我的的速度。這就像是救護車在靠近和遠離我們的時候﹐警笛的聲音頻率會因為我們和救護車相對速度的改變而產生變化﹐同樣的道理放在電磁波上﹐當超新星遠離地球﹐電磁波頻譜的頻率會下降﹐科學家稱為頻譜「紅移」。最後﹐只要科學家同時觀測好幾顆超新星﹐並且量測每一顆的距離和遠離地球的速度﹐看看是不是真的離地球越遠的超新星離開的速度越快﹐就可以知道宇宙正在加速或是減速膨脹。
第二種方法是觀測宇宙大尺度結構﹐宇宙中星系的分佈其實是不均勻的﹐有些地方有星系團﹐也有一些地方是孔洞﹐整個宇宙就像是網子一樣。這是因為宇宙在形成星系時﹐向內的重力以及向外的氣體與光壓力會彼此抗衡﹐就像科學家在擠壓彈力球一樣﹐向內壓時內部壓力會增強﹐導致物質向外拋射﹐壓力減弱後又會停止拋射﹐這樣來回震盪的過程﹐就在宇宙中形成一個個震波漣漪﹐稱為重子聲學振盪(BAO﹐baryon acoustic oscillations)。有趣的是﹐當好幾個地方都在震盪﹐就會產生類似好幾個水波互相撞在一起的干涉現象。而這個宇宙規模的超大水波槽中﹐波腹部份聚集較多物質就會形成星系團﹐波節部份不足以形成星系就形成孔洞﹐是不是覺得宇宙就像是一鍋湯﹐而地球只是裡面毫不起眼的一顆胡椒粒呢﹖不過即使是連一粒胡椒都不如的地球﹐透過觀測宇宙星系分佈並透過理論計算﹐科學家還是可以得知這些結構的大小﹐並且推知這些結構上的星系距離科學家多遠﹐最後再搭配紅移光譜﹐一樣可以算出宇宙膨脹的速度。歐幾里得太空望遠鏡的其中一項任務﹐就是專門觀測重子聲學振盪﹐來研究宇宙大尺度結構。歐幾里得太空望遠鏡有望帶給科學家對宇宙的全新認知﹐關於這一部分﹐科學家很快會再來深入介紹。
第三種方法是透過觀測宇宙微波背景輻射﹐它是宇宙的第一道曙光﹐在此以前宇宙能量很高﹐光和電漿相互作用﹐不會走直線。但是到了宇宙三十八萬歲時﹐宇宙已經冷卻到足以讓電子與原子核結合﹐宇宙終於變得乾淨了﹐光也終於可以走直線。而三十八萬歲時的早期宇宙的畫面﹐至今仍不斷經過遙遙137億年的時間抵達地球﹐被科學家觀測到﹐稱為宇宙微波背景輻射。有趣的是根據這些照片﹐科學家能發現早在137億年前﹐宇宙各處就不是均勻。透過分析這些微波的分佈﹐科學家能計算出當時宇宙的組成成份。這時科學家發現﹐目前的已知物質也就是元素週期表上看得到的原子﹐只佔所有能量的4.93%﹐而看不到的暗物質﹐佔27.17%﹐那還有67.9%﹐將近七成的組成分是什麼﹖科學家認為就是暗能量。
暗能量佔的比例這麼高﹖那科學家未來有機會從空間中汲取無限的能量嗎﹖先不要想的這麼美﹐其實暗能量在宇宙中的密度很低﹐依照質能等價公式﹐質量跟能量是可以互相換算。換算下來暗能量每立方公分只有10的負24次方公克﹐相比之下﹐水的密度是立方公分1公克！真的微乎其微。之所以暗能量在宇宙中佔的能量比這麼大﹐是因為它均勻的存在在廣大無垠的宇宙中﹐不像一般的物質﹐只集中在一些星系和星體中。
現在科學家知道暗能量存在﹐而且量也不少﹐但回到最關鍵問題﹐這些暗能量到底是怎麼來的呢﹖
科學家普遍認為暗能量是來自「真空能量」﹐根據量子力學﹐科學家過往認為的真空﹐其實會不斷短暫的出現粒子並消失。而這些量子漲落便會產生真空能量。而量子力學除了能在真空中產生真空能量以外﹐這個過程甚至可能幫助科學家開啟蟲洞。
為了重新認識宇宙﹐科學家此時再次拿出了宇宙常數Λ和Fridemann方程式﹐建立了一個可以完美解釋前面三種觀測結果的模型ΛCDM模型。ΛCDM是近代在解釋宇宙微波背景輻射﹑宇宙大爆炸時﹐最常被使用的理論。目前對於宇宙歷史與加速膨脹的圖像﹐也都基於此模型。
不過ΛCDM理論仍有兩個致命的問題待解決。第一個是理論中的宇宙常數Λ﹐應該要與位置﹑時間無關﹐是一個不隨時間變化的常數。然而針對觀測早期和晚期宇宙所計算出來的宇宙常數數值卻不一樣﹐要如何解釋這個觀測差異﹖第二個問題是假設暗能量是真空中的量子漲落所造成﹐依此推算出的宇宙常數數值﹐還跟觀測差了120個數量級！也就是10後面有120個零﹐整個宇宙中的原子數量也才82個數量級而已！
因此科學家也提出其他可能的暗物質理論。比如認為暗能量不是來自真空能量﹐而是由一種未知的粒子場所驅動﹐而這個場與時間有關﹐導致早期和晚期宇宙的觀測結果有差異。還有人認為根本沒有暗能量存在﹐宇宙會膨脹﹐是因為愛因斯坦的廣義相對論在宇宙學這種大尺度中是不適用的！就像牛頓的萬有引力公式在地球上管用﹐到了太陽系規模就會出現誤差。或許在宇宙規模還有比廣義相對論更完備的其他理論等待科學家發現！另一派科學家也認為沒有暗能量﹐科學家會看到加速膨脹﹐只是因為銀河系剛好位於宇宙大尺度結構的孔洞中﹐也就是葡萄乾麵包裡面空氣比較多﹐口感比較鬆的地方﹐由於這個地方總體重力比較小﹐天體也就是葡萄乾之間向外膨脹的速度比較快﹐但不代表整個葡萄乾麵包都在加速膨脹﹐宇宙加速膨脹只是局部觀測的假象。
這些理論或許可以解釋部份的問題﹐但沒有一個能解釋所有觀測數據﹐而且由於觀測的限制﹐這些理論都缺乏數據的佐證。因此目前科學家只能說﹐暗能量的效應確實存在﹐但科學家還不知道它確切是什麼。有人可能想問﹐研究暗物質對科學家真的那麼重要嗎﹖其實﹐它不只影響了宇宙過去演化的歷史﹐也影響著地球將來的命運。由於宇宙膨脹﹐物質的密度會因為膨脹被稀釋﹐但如果暗能量是常數﹐就代表密度不會改變﹐因此宇宙會膨脹的愈來愈快﹐導致遙遠的星系加速離地球遠去﹐最後暗能量會超過所有的基本作用力﹐包括重力﹑電磁力和核力﹐星系﹑太陽系﹑地球都將被拉開﹐甚至中子和質子都互相分離﹐使原子不復存在﹐進入大撕裂時期也將是宇宙最孤獨的結局。不過這是一百多億年後的事情﹐在那之前地球會先被死去的太陽吞沒﹐科學家應該要先煩惱的是要如何移民其他星球才是。
最後總結一下﹐暗能量到底是什麼﹖很抱歉﹐經過了幾十年的努力﹐這個問題依舊是一個問號﹐但藉由宇宙學的研究﹐使科學家更謙卑更加發覺自身的渺小﹐科學家或許已經掌握許多物質運作的原理﹐也開發出許多高科技產品﹐但這些只是整個宇宙的5%﹐宇宙中還有許多未知等待科學家去探索﹐而它深深關係到科學家的過去和未來。
...<div class='locked'><em>瀏覽完整內容，請先 <a href='member.php?mod=register'>註冊</a> 或 <a href='javascript:;' onclick="lsSubmit()">登入會員</a></em></div><div></div> 我是覺得應該用暗物質來形容比較好，宇宙物理學的第二定律萬物惟質，就是在說明一切能量不論如何呈現，都只是物質而已；以人為喻，跑得快或慢，力氣大或小，穿衣多或少，這些都只是人的呈現形式，用帥哥或雜魚來形容，都不影響其名之為人（物質）的本質。
而依第一定律萬物恆動來想，既是推力構築的宇宙，宇宙的加速或減緩膨脹，自然取決於推力大小；以宇宙規模來計量，觀測點的差異就微不足道＝不影響結論，所以宇宙的加或減應該是加減並存才對，看跟誰比，宇宙很大，總有相對更快的，也有相對趨緩的。
最後常談一段，暗物質只是光停下來的狀態，光的行進不是一步到位，而是幾近無限連鎖推撞；例如在密閉的地下室打開燈，過程就是物質獲得動能而產生連鎖推撞移動＝光照地下室；而關上燈就是失去了後續物質動能的補充，使連鎖推撞停下＝地下室無光；失去動能後的物質，其微小難以觀測，即稱其為暗物質，其來源為物質化光失去動能後的遺留，暗物質跟物質沒有任何本質上的不同，它只是有微小難以觀測的特點罷了。...<div class='locked'><em>瀏覽完整內容，請先 <a href='member.php?mod=register'>註冊</a> 或 <a href='javascript:;' onclick="lsSubmit()">登入會員</a></em></div>
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