【探索14-5】宇宙的未解之謎－看暗能量暗物質與廣義相對論的關係
講者｜交通大學物理研究所 高文芳教授
撰文｜陳文翊
●愛因斯坦與宇宙常數
愛因斯坦在思考宇宙的架構時，認為宇宙從大尺度的結構來看是靜止的，而只有物質的吸引。愛因斯坦引入了一個宇宙常數 (lambda)，修正廣義相對論方程式，試圖得到一個靜止的解
其中R代表三維球宇宙的半徑，v是半徑增加的速度，a是半徑變化的加速度， (rho)是物質的能量密度，G是萬有引力常數，c 是光速。從上面的式子不難看出，靜止宇宙（v=a=0）沒有宇宙常數的幫忙是不行的。
有趣的是，愛因斯坦方程式的左手邊，每一項都是只和幾何相關的物理量，而右手邊則是與物質、能量有關的物理量。當時愛因斯坦把宇宙常數項放在左手邊，除了表示它是一個常數值，也暗示它是屬於幾何相關的物理量。但是物理學家很快發現愛因斯坦宇宙模型的解並不穩定，些許的擾動就會造成膨脹或收縮，加上1929年哈伯(Hubble)發現宇宙是在膨脹的事實，讓愛因斯坦感嘆引入宇宙常數是他一生最大的錯誤。
●宇宙常數跟暗能量的關係
但是在1998年，兩個利用Ia超新星觀測宇宙的團隊有重大的突破，發現宇宙是加速膨脹的。這些Ia超新星都是質量約為1.4倍太陽質量的白矮星，所以它們爆發時產生的亮度(能量)都會相同。那時候的天文學家發現在非常遠處的超新星比預期來的黯淡，後來一個解釋的方式是，那些在數十億年前由超新星所發出的光，它的紅移(redshift)現象顯示宇宙早期膨脹速度比現在慢，因此發現宇宙是加速膨脹這件事。因為在廣相的角度來看，所謂的膨脹是空間本身的膨脹，而這種膨脹最終會因為重力的吸引而減緩下來，需要存在一種新型的能量去驅動宇宙膨脹，這種新型態的能量就是今天的主角暗能量。
最近的觀測數據，加上宇宙微波背景輻射的小角度溫度差異觀測實驗，顯示暗能量最可能的來源就是宇宙常數。因此我們在愛因斯坦方程式再次引入宇宙常數
這次將常數放在右邊，代表一種形式的能量，也就是所謂的暗能量，這是一種對暗能量的源頭最簡單的解釋。
另外是量子力學的觀點來看，物理系統會有最低能量，稱之為零點能量(zero-point energy)或真空能量(vacuum energy)，即使是宇宙，在極小的尺度下也要考慮量子效應，宇宙不會是空無一物，虛的粒子－反粒子對(particle-antiparticle pairs of virtual particles)會自真空出現，走一小段距離後又再次消失，因為出現的時間太短，所以無法直接觀測它們，但它們間接的效應非常重要不能忽視。
●暗物質的出現與觀測
在1959年，沃德斯(Volders)發現螺旋星系的轉動並不符合牛頓力學所預期的，照牛頓運動方程式的推測，螺旋星系物質的繞轉速率，應該要隨離中心的距離越遠而繞轉的速度越慢，就像太陽系的行星一樣，但事實上觀測出來的結果發現，在離中心一定的距離內，所有物質繞轉的速率雖有微小的波動，卻是相當接近。因為天文學家對螺旋星系質量的分布，只能靠觀測來自星系發出的亮度分布得到，因此推斷有許多看不見的物質參雜在螺旋星系其中，影響物質繞轉的速度，此物質也就是所謂的暗物質。後來也有其他暗物質存在的證據，像是重力透鏡(gravitational lensing)，像是遠方星系團(galaxy clusters)所發出的光，如果在往地球方向的路徑上有暗物質存在，會使光彎曲，因為人會覺得光是走直線，而使得在地球上的我們看到的影像變成是暈(halo)。
目前天文學家認為暗物質是一種非重子(nonbaryonic)所形成的粒子，行為像是一大團的氣體，與一般粒子只有極弱的交互作用，並且有著極小的初始分散速率(primeval velocity dispersion)，不會耗散(dissipationless)，也就是無法藉由輻射能量來冷卻。後來藉由觀測宇宙背景輻射(cosmic microwave background)推斷，宇宙的組成是26.8%的暗物質、4.9%的一般物質，剩下的68.3%則是暗能量。
●結語
但用暗能量與暗物質來解釋宇宙的觀測結果也不盡完備。在暗能量的部分，像是目前用各種理論去估計零點能量大小，估算出來的值比實際上觀測到的值，上下相差121個數量級。還有是量子力學與廣義相對論也有矛盾之處，如何正確處理量子重力場相關的物理，是當前物理學家重大的挑戰之一。
在尋找暗物質的過程中也遇到不少麻煩，現今的基本粒子標準模型內，沒有任何粒子可以符合天文的觀測結果，天文學家一般相信構成暗物質的是一種尚未被發現的粒子，天文學家們假設暗物質僅參與重力交互作用，且與周遭普通粒子的交互作用十分微弱，因此要觀測暗物質會是件十分困難的事，從一開始探測器靈敏度不夠，到後來是建構探測器本身的物質多少會參雜放射性物質，這些放射性物質在衰變時發出的訊號會影響觀測。
因為種種尚未被解決的問題，使得物理學家們也持續的建構出其他的理論，像是弦論，或是直接修正牛頓的萬有引力公式的MOND，但這些理論依舊存在其他問題。在未來，天文學家跟物理學家們，因為想要達到可以解釋一切現象的目標，依舊會勞心勞力的建構與修正理論，以及設計各種實驗去驗證理論的正確性。
-- 參考資料：
- The Cosmological Constant and Dark Energy(http://arxiv.org/abs/astro-ph/0207347)
- 宇宙常數，敗部復活，科學人2004年10月號
- 從減速到加速，科學人2004年3月號
- 尋找暗物質，科學人2003年4月號
- 暗能量宇宙學簡介
- What is the Universe Made Of?
- Cosmological constant wiki
- Dark energy wiki
- Dark matter wiki
- 宇宙最初三分鐘
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本文整理自：104/11/21由高文芳教授在臺大應力所國際演講廳所主講之「黑暗的年代：暗能量和暗物質稱霸武林的天下」演講內容。
