物理

以明察暗,以大制小︰尋找暗物質

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)
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物理

以明察暗,以大制小︰尋找暗物質

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)
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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。