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暗物質 — 宇宙學中的宅男/乾物女

2017/3/13 — 16:14

自從互聯網出現,人們足不出戶便可以通曉天下大事、享受各種娛樂後,社會上便開始出現一堆隱蔽青年。這個風氣還愈來愈盛行,電車男、螢之光這類講宅男/宅女/毒 X/乾物女的日劇、電影相繼播出。不少專家都嘗試探討這個現象出現背後原因,坊間也有很多不同觀點。

小弟對此也有自己一套睇法,而原因就是因為我們的宇宙也充滿一種類似的、「自閉」不喜歡 social 的物質——暗物質 (dark matter) ,並且佔的比例比普通物質(正常人)多。

在這張哈伯空間望遠鏡像片,可從重力透鏡產生的效應,看到星系團 CL0024+17 內部被發現有暗物質圈。 Credit: NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford

在這張哈伯空間望遠鏡像片,可從重力透鏡產生的效應,看到星系團 CL0024+17 內部被發現有暗物質圈。 Credit: NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford

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暗物質有多「毒」?它們又是甚麼?

和毒 X /宅男/乾物女一樣,宇宙中的「隱青」都極不喜歡與其他「人」 social ,除了某些必要無可避免之時。正如其名,暗物質不會發光,是黑暗的。你可能會問:「不會發罷了,生活上很多東西都不會發光啦,有甚麼出奇?」是,的確很多東西不會直接自己發光,但也會和與光有相互作用,好像反射光。

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暗物質不同,它除了重力*之外,與其他物質幾乎沒有相互作用。在我們物理學上已知基本粒子中,除了微中子 (neutrino) 外沒有類似粒子。但微中子質量非常細,最多都只得 1-2 electron volts/c,比起電子還輕很多,沒可能解釋到宇宙演進和星系自轉曲線問題(下面再詳細講)。所以一般相信暗物質是由一種或多種不同於一般物質(包括電子、質子、中子、微中子等)的基本粒子所構成。

其中一個最受歡迎的侯選「人」是大質量弱相互作用粒子 (WIMP, weakly interacting massive particles) 。這些尚未被發現、近乎沒相互作用但質量大的粒子有可能性是超對稱粒子 (lightest supersymmetric particle, LSP) 。超對稱 (supersymmetry) 是一個用來擴充現有標準模型但尚未證實的理論,有機會下次再詳細講。

另一個不屬於 WIMP 的侯選「人」是軸子 (axion) ,一種用來解釋強相互作用(strong interactions) 中 CP 問題,可能存在但未經證實的粒子。

最後比較冷門是修正牛頓重力理論 (MOND, Modified Newtonian Dynamics) ,即是指我們認知的重力理論其實不對,根本沒暗物質這東西。這個理論由莫德采·米爾格若姆 (Mordehai Milgrom) 提出,指當一個系統的加速度細過 1.2x10-10 ms-2 時重力會變得很不同, inverse-square law 不再適用。不過這個理論除了星系自轉曲線外,未必如暗物質般解釋到其他天文/宇宙學上的現象,又衍生出其他問題,好像背後沒一個完整基礎理論解釋這個理論怎來。(ps: 最近好像有些突破,不過還在很初步的階段。)

暗物質不發光,那我們又怎知它們存在?

上面說暗物質看不到,那我們又怎知它們存在?答案是透過間接觀察它們對其他物質、宇宙的重力影響。

M33 的星系自轉曲線圖

M33 的星系自轉曲線圖

其中最著名的,要數由同藝術/體育工作者一樣「冇經濟貢獻」、由天文學家發現的星系自轉曲線 (galaxy rotation curves) 問題。這亦是「證明」暗物質存在最先發現的證據。 30 年代開始天文學家相繼發現螺旋星系的光度與半徑關係、外圍恆星的速度跟理論有出入。其後 70-80 年代隨著科技水平提升,天文望遠鏡精準度提高,不久前死了的薇拉·魯賓 (Vera Rubin) 憑著準確量度出很多不同螺旋星系入面恆星圍繞星系中心的公轉速度,得出類似上面的星系自轉曲線圖。運用簡單的牛頓力學,克卜勒定律 (Kepler’s laws) ,她和其他科學家推斷出除了可以觀察到的正常物質外,星系中應該還有很多觀察不到的黑暗物質。(詳細公式、推論請看此。)

另外兩種證據就是子彈星系團 (bullet cluster) 與重/弱重力透鏡 (strong/weak gravitational lensing) 的觀察現象。它們同樣是透過重力透鏡 (gravitational lensing) 效應證明在可見物質外還存在看不到的暗物質。

X-ray photo by Chandra X-ray Observatory

X-ray photo by Chandra X-ray Observatory

最後除了天文學上的證據,還有宇宙微波背景 (cosmic microwave background, CMB) 這樣宇宙學上的證據。要與觀察到的宇宙微波背景吻合,我們的宇宙需要大量冷暗物質 (cold dark matter, CDM) 。這個是現今宇宙標準演進模型, ΛCDM 模型(詳細可以翻看小弟處子文)。

今次講到這裡,下次再談。

註:*因為廣義相對論說所有有能量(包括質量)的東西都會對時空做成扭曲並受其影響,換句話即是受重力影響。

慎入:高手級別

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