【文╱吳俊輝(台灣大學物理系暨天文物理研究所教授,劍橋大學宇宙學博士)】

 

一般的星系大多籠罩在雲暈狀的暗物質中(圖中所示球形區域)。

 

 

2013年4月3日,歐洲核子研究組織(CERN)正式發表了造價約六百億新台幣的「阿爾發磁譜儀」(Alpha Magnetic Spectrometer,簡稱AMS)的新研究成果,該計畫由華裔諾貝爾物理獎得主丁肇中教授領軍、歷時18年,共有包含台灣在內的16國一起合作,已在國際太空站上進行了近兩年的觀測,目的就是為了找尋神祕的「暗物質」(Dark Matter)!近來華文媒體爭相以「解開宇宙重大謎團」、「發現暗物質線索」等等為標報導該成果,寫得多半讓人有看沒有懂,所以我們只簡單地問:暗物質真的找到了嗎?它和我們之前介紹過、能讓世界全然改觀的第五元素「暗能量」(參見《BBC知識》No.18本專欄)有何異同?

 

看不見卻無所不在的「暗物質」

依據今年3月普朗克太空計畫的新結果(參見《BBC知識》No.20本專欄),目前宇宙的組成物質中約有68%為暗能量、27%為暗物質、5%為一般物質。前二者所以名之為「暗」,是因為它們都不會發光,也因此很難被直接偵測,而兩者間的差別僅在於暗物質具萬有「引力」、暗能量具萬有「斥力」。兩者都是在結合觀測與理論後所間接推得的理論產物,在自然界中從未被偵測到。

暗能量主要是為了解釋宇宙加速膨脹的現象(2011年諾貝爾物理獎),而暗物質的提出則具有多重動機,第一次被討論已是近一個世紀以前。傳統上的主要動機是為了解釋一般星系在旋轉時,為何外圍轉速要比預期中還來得快。也就是說在理論上,暗物質會以雲暈(halo)的方式籠照著整個星系,藉以提供星系外圍快速旋轉所需的重力。近十多年來的另一動機則是來自宇宙觀測上的「重力透鏡效應」(Gravitational Lensing),也就是說宇宙中的星光有時會被莫名地扭曲,而這極可能是受到暗物質團塊的重力偏折,就像光在通過透鏡時會發生偏折一樣。

 

「暗物質」是何方神聖

如今雖然科學家們普遍認為暗物質占宇宙組成物質的近三成,但在現實中卻一直找不到它存在的直接證據。在理論物理的架構下,可能的暗物質候選者有很多,包括軸子(axion)和超對稱粒子(Supersymmetric Particle)等,這些候選者各個都披有迷幻色彩,其存在與否都會對現代物理學造成衝擊,因此若能在宇宙或實驗室中偵測到暗物質,人類的科學成就將會迅速地更上層樓,第一位發現者也必然會獲得諾貝爾獎。丁肇中教授所領導的跨國大型計畫AMS,精神即在於此。

 

仔細聆聽宇宙叢林中的「暗物質」

但暗物質既然看不到也摸不著,那要如何搜尋呢?這個過程就像是在未知的叢林中透過蛙鳴來尋找一種隱形蛙,由於我們已事先建立好各種動物和叫聲的對應知識,所以當聽到任何聲音時,便能夠分辨是何種動物,分析是否含有隱形蛙。這個技術的難度即在於防止誤判,所以不但要對隱形蛙有深入的研究,更要具有精確偵測並分析聲音的能力。

宇宙中的物質彼此間會有不同的交互作用,因而產生各種不同的宇宙射線,偵測這些射線就如同在聆聽叢林中的聲音一樣,可以推測它們是由哪種物質所產生的。暗物質的熱門候選者之一為「弱作用大質量粒子」(Weakly-Interacting Massive Particle,簡稱WIMP),它們會隨時間產生出電子和正子(電子的反粒子),但由於正子在一般自然界中並不多見,它就像是一種特殊的蛙鳴,故常被拿來做為偵測WIMP暗物質的媒介。

AMS在十八個月間共偵測到超過三百億個宇宙射線,約占該計畫原本預計偵測數量的一成,所以AMS未來會長期在國際太空站上持續進行下去。這些被偵測到的宇宙射線中,約有六百八十萬個被確認是電子或正子,其中至少有四十萬個為正子。這些正子的能量分布不但與一個理論模型完全符合,資料也顯示它們來自於宇宙的四面八方,而非來自某一特定方向,AMS因此受到學術界及媒體關注。

 

完整內容請見《BBC知識國際中文版》第21期(2013年5月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

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    往事知多少?
    《豪門的安全措施,絕對比窮戶多得多。而這,等於在說明:豪門之人
    其心即表面意識中,在「提防」、「害怕」的分量比窮戶之人者多得
    多。又,外表顯得傲氣十足、威風凛凛之人,其心中提防度,絕對比
    看起來不起眼的泛泛之輩多得多。而「提防度」,其實,也就是「害
    怕度」。於是,名利權勢之力大之人,就會有看不起名利權勢之力小
    或無之人的趨勢,而就顯出傲氣十足、威風凛凛來!但,其氣勢,說
    穿了,其實,乃在「提防」,說得更澈底,則其實,乃在「害怕」!
    肇祺於至今活了六十七年當中,以肉眼看到的,只有一個人,其顯出
    來的氣勢,真的,傲氣十足得驚人!那是很多年前之事了。很少看電
    視新聞報告節目的肇祺,偶然地,看到了一位得了諾貝爾獎的科學家
    ,從美國飛到臺灣中正機場,剛下飛機,許多記者搶着在問他話的鏡
    頭。由他的名字,他的人的長相,能夠斷定他是一個華人。可是,他
    ,一理都不理任何一位記者,顯得傲氣十足、雄赳赳得驚人地,只在
    做要趕緊避開記者們的行動。當時,肇祺看那鏡頭,看得笑啦!因為
    ,肇祺很清楚:他顯出的傲氣十足、雄赳赳得驚人其態度,乃因其心
    即表面意識,呈現出了極度「害怕」狀況,於是,他,不甘向任何記
    者作答,他,只要趕緊逃離記者!而其所以如此,乃只由一個原因:
    這裏是臺灣。肇祺相信,倘他到別的地方,則不僅絕對不會顯出當時
    那種態度,且反而一定會對記者笑瞇瞇地談論其「偉大」成就的。然
    而,這裏是臺灣,他,怕得要死,於是,就顯出了肇祺從來沒見過的
    極度「驕傲」態度來。有關他所以到臺灣必怕之因,相信很多人曉得
    ,但卻無人想揭穿其真相。然而,卻因他的卑鄙,而害得肇祺的內兄
    自殺啦!因為,他賴以得到諾貝爾獎的論文,原本是肇祺的內兄撰的
    !只因為臺灣沒有設備做其實驗,而寄到美國去託朋友做之該論文,
    落到了他手裏,卻不料他做了實驗後,不還作者,而就以其個人名義
    發表了該論文,而獲得了諾貝爾獎!他,當然,也聽到肇祺的內兄因
    他而自殺之事啦!所以,他到臺灣,怎麽能不怕呢?不僅其獲取到諾
    貝爾獎的論文是偷人家的,那種極度不名譽之舉而已,他,且等於也
    害死了一個不可多得的世界性物理學家啊!在此實況下,他,怎麽還
    有臉到臺灣來呢?當時,肇祺的內兄,雖也把其真相呈報了執政最高
    峯,但卻如同石沉大海!他所以敢到臺灣來,憑的,相信就是這一點
    啦!然而,他,一到臺灣,那極度「害怕」所顯示的傲氣十足、雄赳
    赳得驚人表現之鏡頭,卻偏偏會被肇祺的肉眼看到!即使人間的法律
    、道德寬恕得了諾貝爾獎得主之惡,但,大宇宙的報償法則,卻一定
    會對他算帳的!而這,又不管其受害者是肇祺的內兄與否。肇祺所以
    舉此實例,乃只在說明:一個人顯出「驕傲」到極點的外表時,其實
    ,其心即表面意識,卻是正在極力地「提防」、極度地「害怕」,所
    以,人,不該被其傲氣所吞沒、不該被其傲氣所懾住,因為,那時際
    ,其人只不過是一隻紙老虎!而至於自殺身亡的肇祺的內兄,卻也因
    其自負之高導致的「自暴自棄」,而成為:非得其悲慘結果不可的弱
    者!然而,最堪悲的,卻還是,現象界的很多事實,尤其是必須伸張
    正義之事實,往往,都會被從暗地又拋入更暗的深坑而埋沒掉此事啦
    !而這,即是好人不好活的世界其實況!》
    摘錄自CSA 光 華 雜 誌 2000 秋季號 102 期 (神理摘要)