黑暗的宇宙

李杰信

目前專家共識，我們的宇宙，由73%黑暗能量（dark energy）、23%黑暗物質（dark matter），和4%我們熟悉的物質組成。

先談談我們熟悉的那4%的物質。

中學時死背周期表：氫氦鋰鈹硼、碳氮氧氟氖、鈉鎂鋁硅磷……，朗朗上口，互相炫耀?；瘜W老師循循善誘：這些可是組成天地間所有物質的基本元素，記住三、五十個，終生受用不盡。幾十年過去了，這些組成天地間100%物質的基本元素，曾幾何時，竟然跌份縮水，成4%了？宇宙96%物質已不在人類周期表管轄范圍之內？

15世紀前，人類意氣風發，自認雄踞宇宙中心。哥白尼和開普勒粉碎了這個美夢。好，就讓太陽做中心吧！但伽俐略又看到太陽系以外還有好多個太陽，我們只偏居銀河系一個不起眼的角落。厲害的還有哈勃（Edward Hubble），在20世紀初，沖出10萬光年小小的銀河系，看到宇宙竟然還有成千上萬個像銀河系一樣的星系。1990年代，哈勃望遠鏡上天，一眼看到了137億年前“大霹靂”時的宇宙盡頭，再加上對一些“超新星”和宇宙背景電磁波的精確測量，發現：不得了??！宇宙好像被一個巨大的“反重力場”力量向外推，另外從星系間互動的速度，也發現宇宙的實際總質量，都比我們能看到的物質，要多出5、6倍之多?！胺粗亓觥绷α渴窃趺磥淼?，我們不知，多出的質量是怎么來的，我們也不知。因為不知，所以我們只能稱它們為“黑暗”能量和“黑暗”物質。雖然這些“黑手黨”身影藏在暗處，但它們的作為卻是欲蓋彌彰，占據宇宙73%加23%，絕對強勢的比例，比人類周期表上宇宙元素的總和，還多出24倍！

人類把宇宙主人位置拱手相讓，太陽系也不是銀河系的貴族區，銀河系只是宇宙上億個星系中的一個。到此為止，人類還能阿Q精神：我們小歸小，但和整個宇宙組成材料相同，大家還是血脈相連的好親戚。而“黑暗”能量和“黑暗”物質出現后，人類竟然淪落成宇宙微不足道的另類分子，連組成生命的材料都不是宇宙的首選設計！人類呀，認命吧。

宇宙對人類的蔑視還沒罷休。人類以有限的能力，發現我們能以電磁波光速偵測到的宇宙，年齡為137億年。我們的宇宙可能是一個更大宇宙中的一個小孤島宇宙。我們的宇宙像小孤島，因為我們最多只能回望到137億年前發出的光，而比137億年更老的宇宙，即使漂蕩其間，我們永遠看不到?，F在人類變得特謙虛，現在看不到，或永遠看不到的東西，已然不敢說它不存在了。宇宙學家想通了這一點，就打開了想象力，反正無法以科學驗證，只要不違背我們這個宇宙的物理定律就行。現在專家們認為，“平行宇宙”（parallel universe），或稱“多重宇宙”（multiverse）可能存在。各宇宙因出生成長凋謝過程不同，所以就各有各不同的物理常數和定律。并且，這些宇宙的數目應為無窮，此起彼落，互動連連，生死循環，沒完沒了，才能以科學思維解釋，無需引進“造物主”上帝的概念。

過去500多年來，人類一再被宏偉的宇宙羞辱和修理，知識越累積，人類越無知。我們充滿異類黑暗玩意的137億光年大小的宇宙，僅僅可能是無限多個宇宙的一員。宇宙多到連名冊都無法建立，渺小的人類還談得上在宇宙占據著怎樣的地位嗎？

但是，人類在宇宙占據的地位畢竟是一個重要課題。不管宇宙有多大，我們多渺小，你和我在此熱烈地討論這件事，就給宇宙注入了無比的活力和歡樂。我們雖是另類材料組成，但物以稀為貴，人類可能是宇宙的鉆石呢！

我們的宇宙73、23和4這個比例，不能說只是為人類設計的，但這個比例卻制造出一個絕對特殊的環境，孕育出了有智慧的生命。73、23和4這三個數目字，玄機深藏，我們試著解讀一下。

臨界密度

1920年代，哈勃發現，我們的宇宙像是充氣中的氣球，不停地膨脹。觀測到宇宙膨脹，的確是件了不起的大事，但由此引發出的問題更需要解決。宇宙為什么會膨脹？它就這么永遠膨脹下去嗎？星系間的萬有引力能抵消這股膨脹力量，再把宇宙往回拉成收縮狀態嗎？

宇宙膨脹總得有個起點。1960年代發現了宇宙背景電磁波，目前就定下以137億年前的“大霹靂”事件，做為宇宙膨脹的開始。宇宙脹呀脹地往外飛了80多億年，突然間膨脹速度加快，好像有巨大的黑暗能量在暗中推動，離奇到不可思議。更令人膽戰心驚的事，就是宇宙間充斥著看不見的黑暗物質，帶著螺旋星系飛快轉動，包括我們銀河系在內。

發生了這么多事，我們總得整理出一個頭緒。人類的本性希望宇宙千秋萬世不要變化，今天夜里看到的星星，最好萬代以后的子子孫孫也能欣賞贊嘆。人類在地球能生存的年限，以目前收集到的古生物化石記錄估計，不到一千萬年，如白駒過隙，轉瞬滅絕。宇宙幾百億年后最終的膨脹或收縮，其實對人類而言, 本不需操心，可謂干卿何事？但人類就是老大不愿意讓宇宙膨脹到“大撕裂”（big rip），或最終以“大擠壓”（big crunch）收場。雖然這些事件發生時，人類肯定早已從宇宙蒸發，做不成現場證人，但仍一廂情愿地要求宇宙不要永遠快速膨脹，更不得最終收縮。最友善的宇宙，該是慢慢地、無止盡地向不膨脹也不收縮的最終狀態接近。要想達到這個完美的終極境界，就需要一個精心微調出來臨界密度（critical density）為1的宇宙。

臨界密度小于1的宇宙將永遠膨脹，春蠶到死絲方盡，用完宇宙最后一滴能量，最終以達到絕對零度低溫深凍的大撕裂散花收場。臨界密度大于1的宇宙，膨脹一陣子后會逆轉收縮，最終以大擠壓完結。這兩類宇宙環境起伏太大，可能孕育不出靈慧的生命。智能型生命的存在，指向我們宇宙的臨界密度為1……，最終極境界是不收縮也不膨脹。

其實宇宙學家是以0.73+0.23+0.04=1.00來表達這三個絕對數目字，并不是以三個相對的百分比73%+23%+4%=100%來計算。各類型宇宙的臨界密度不一定非是1.00不可，黑暗能量和黑暗物質可多可少，但智能型嬌弱的生命，人類衷心認為，只能從精心微調、臨界密度為1的宇宙中孕育出來。所以，在我們自認為臨界密度非等于1不可的宇宙，兩組數字混淆使用，勉強可以接受。

下面談談占臨界密度絕大比例為0.73的黑色能量。

黑暗能量—免費的午餐

1998年的天文觀測，證實我們宇宙的膨脹速度加快了，并且仍在加速狀態，已持續了50多億年。

宇宙“大霹靂”后開始膨脹，直覺上不難解釋。依這個邏輯推演，膨脹可以持續，但物質間的萬有引力在后面拽，速度應該漸漸變慢下來，才講得通。但宇宙只按照人類的意愿膨脹了80億年，近期的50多億年，包括現在在內，我們的宇宙竟然找到了能量庫，開始加速前行。

這神秘的黑暗能量，到底從哪里來的呀？這是當今宇宙對人類智慧最大的挑戰。

前沿的理論說，這股神秘的能量，來自宇宙的虛無空間，并還為它取了個炫名：“真空能量”（vacuum energy）。

黑暗能量搖身一變，成了真空能量。真空呀真空，真正大空。大空之境，何來能量？

物理的量子力學中有一個重要概念，就是“測不準原理”（uncertainty principle）?！皽y不準原理”說，宇宙間任何物理現象的測量，都有誤差。舉個簡單的例子，就量一杯熱水的溫度吧。量溫度要用溫度計。溫度計本身的溫度肯定比要量的熱水溫度低。溫度計插到水中后，開始從熱水中吸熱，熱水的溫度降一點，和溫度計插入前的溫度顯然不同。所以，我們雖然量到了熱水的一個溫度，但這個溫度已經變了，差別可能相當細微，卻已不是原來的溫度了。更別談一杯水的溫度本來就不均勻，是上面的溫度呢？還是杯底的溫度呢？好，為了精確起見，就把杯子縮小，杯子里的水就更接近同一溫度。但相對的，溫度計的體積更大了，對杯中水的溫度干擾更大，測出的溫度誤差更大。

在宏觀世界里，一杯水的溫度量得準不準，不是重要的事。管它是48.76攝氏度還是48.82攝氏度，不妨礙一口喝下去就成。但在微觀世界里，高速飛行的粒子躲在量子“測不準原理”守護神的后面，它們的身影永遠籠罩著一層神秘的薄紗，真人永不露相。在微觀的量子世界里，“測不準原理”無所不在，尤其對幾個重要關口，防衛得更緊，零絕對溫度就是一個例子。粒子一般在絕對溫度不等于零的環境中取得熱能，轉換成動能飛行。聰明的人類就想，好，有溫度你動，那我就把你關進絕對溫度為零的環境中，沒熱能可用，你粒子就得乖乖地從空中掉下來，一動不動地躺在那里讓我看個夠?！皽y不準原理”說：沒門兒，沒有所謂精確的絕對零度這回事，我又怎么可能赤裸裸地讓你看清楚呢？在絕對零度上下，我是會量子震蕩（quantum fluctuation）的，形成一團朦朧的霧，你視線又模糊了，還是看不清楚吧！

另一個關卡，就是真空。真空中本來什么都沒有，人類掉以輕心，沒花心思嚴肅對待?！皽y不準原理”把真空看得更緊。你說真空就是真正的空，零能量零結構一切空空空零零零嗎？告訴你，沒有所謂絕對精確的真空。在絕對真空上下，我有真空震蕩（vacuum fluctuation）戲碼，老鼠掀簾，露一小手，顯出真空能量和真空結構給你看看，我真空家當還不少呢！

物理學家理解到真空的奧秘后，就設計出測量真空的實驗，看看真空中到底有些什么結構。哇，不得了?。≌婵罩芯谷徽娴挠辛孔恿?、量子纖維、真空能量等，其中最出名的實驗是卡齊米爾效應(Casimir Effect)。

卡齊米爾效應很簡單。在真空中放兩片不帶電平行安置的金屬板，把它們之間的距離逐漸拉近，兩板之間居然產生一股向內推的壓力。這個力量太神奇，所以每一代物理學家都使用最先進的儀器，重復這個實驗，作用在兩板間的力量就越量越精確，奠定了卡齊米爾效應的正確性。（圖1）

卡齊米爾效應指出一條明路。不能小看真空，它有能量內涵和復雜結構。

宇宙中的真空能量，極為纖弱，在“大霹靂”后很長的一段時間，它的地位卑微，一直是被忽略的對象。三十年河東，三十年河西，真空能量開始坐大，曾幾何時，竟然在理論上可能成為主宰我們宇宙的力量。

從能量的結構分析，我們的宇宙有三類能量。第一類由物質而來。這類能量的密度，隨著膨脹宇宙空間體積的增加，相對逐漸變弱。第二類由電磁波組成。像物質能量一樣，它的密度除了也隨宇宙體積的增加變弱，外加電磁波在更大的空間中，波長變長，能量相對遞減。所以電磁能量密度，在增大了的空間，比物質能量密度衰減的速度快。第三類能量來自虛無飄渺的真空。這類能量密度與空間大小無關，是一個固定能量密度。第一、二類能量總值雖然從“大霹靂”后就固定不變，但密度隨空間加大而降低，而真空能量密度恒定，不增不減，以不變應萬變。更厲害的是，當宇宙體積不斷膨脹變大，由真空而來的總能量，也水漲船高，宇宙越大，真空總能量就越高。只要宇宙不停膨脹，不花一個子兒就能獲得無窮無盡的能量，取之不盡，用之不絕，永無能源危機。

目前估計，“大霹靂” 后80億年內，物質能量密度和電磁能量密度的總和大于真空能量密度，宇宙基本以近等速膨脹，50多億年前，宇宙膨脹夠大了，真空能量密度開始行主導權，注入所謂的真空黑暗能量，造成宇宙膨脹速度加速。如果人類還想要一個最終不脹不縮的宇宙，真空能量密度只能定在0.73這個數值上，其它的0.27中有0.04是我們能看到的熟悉物質能量密度，剩下的0.23是黑暗物質。

有的專家認為，類似這種真空能量的黑暗能量，在大霹靂最最初時段發過一次力，在10-34到10-32秒間，以超光速把宇宙一下子膨脹了1030倍。還有，這個能量從今以后最好逐漸與時遞減，才能保有以人為主觀意愿不脹不縮的宇宙。這又是另外一篇大文章，在此暫時不談。

目前人類最聰明的想法認為，黑暗能量來自真空能量，而真空能量是宇宙不折不扣的終極免費午餐。

黑暗物質

黑暗物質的存在，至少來自三個線索。第一，從螺旋星系的轉速來看，包括銀河系在內，星系外圍暈部轉速太快，遠遠超過可見物質重力場操控能力，如無黑暗物質護航，早已飛離星系遠逸。第二，從超大星系團中個別星系間互動情況來看，速度已遠遠超出星系團脫離速度，如無黑暗物質額外重力場參與，應早已勞燕分飛，團聚不再。第三，宇宙間重力場透鏡比比皆是，沒有巨大黑暗物質重力場的聚光，無法成像。

所以，現代天文學家的共識，皆認為黑暗物質的確存在，但麻煩的事是這類物質深藏暗處，神龍首尾皆不見，偵測不到，苦?。?/p>

追尋黑暗物質，第一個要問的問題，就是這些看不見摸不著的黑暗物質，是由我們熟悉的物質變過去的嗎？這些物質，是蠟炬成灰淚已干后由絢爛轉成黑暗，從我們望遠鏡中的視野永遠消失，可能嗎？

“大霹靂” 后100秒內，我們熟悉的物質總量，基本上以質子和中子形式出現，已經到位。因為當時的宇宙在極高溫狀態，約10億度的溫度，質子和中子有足夠的能量形成氘核子（質子和中子各一）。此時氫核子，也就是質子，和氘核子之間相對總量的比值固定下來。自此以后，宇宙溫度轉低，再無能力制造出氘核子。所以，這個比值是我們熟悉物質的簽名式，在過去宇宙演化的137億年中，通過望遠鏡對每個時期氫氘核子相對蘊藏量的光譜測量，就能得到我們熟悉物質的演變歷史，決定它們是否燒光轉暗，變成黑暗物質的一部分。

專家通過望遠鏡的時空隧道，選了大霹霹后期，宇宙中年和現代宇宙三個時期，仔細測量氫氘核子相對蘊藏量的變化，發現，這個比值別來無恙，沒變，137億年來忠心耿耿，沒有投靠黑暗物質，還在為我們熟悉物質的宇宙效力。

氫氘核子的比值的確解決了第一個問題的主要部份。但有人問，黑洞（black holes）是黑暗物質的一部份嗎？還有，褐矮星（brown dwarfs），不發光的星云，星系間小的氫雪球等等，它們可能是黑暗物質的一部份嗎？總體來說，它們的存在，能用電磁波尋出蛛絲馬跡，黑暗物質看不見，但看不見的不一定是黑暗物質。這類物質歸于后者，屬于我們熟悉的物質那一類。

我們熟悉的物質宇宙由四類力量推動：引力，電磁力，弱核力和強核力。四類力量，各有管轄地盤，后三類已互發簽證，三通(電磁力，弱核力和強核力)無阻，只有引力部份，仍然無組織無紀律，自我逍遙，歸隊無期。

黑暗物質很可能在大霹靂時，和我們熟悉的物質先后出現，只是它的物質基因，除開牛頓力學中的引力部份與我們熟悉的物質相通外，其余的物理特性，一概不知。

那，黑暗物質到底是什么東西呢？

在媒體上常常提到的黑暗物質是微中子（neutrinos），它又稱‘熱黑暗物質，不帶電荷，以光速奔馳，在宇宙中的蘊藏數量巨大。微中子在1930年代就被預測存在。你我的身體，每秒鐘被來自太陽和宇宙眾星系千億個微中子穿透，但我們渾然不覺。其實，它們更視地球和太陽如無物，隨意穿梭，所向披靡。人類絞盡腦汁，在地層深處，安置了最靈敏的偵察裝置，經過了50多年的努力，終能一窺它們的盧山真目面。在1945、1995和2002年，諾貝爾物理獎三度頒發給在微中子研究有成就的科學家們。

微中子雖然是黑暗物質的血親，但總質量太輕，占不到黑暗物質總質量的1%。微中子不是黑暗物質主力部份。

另一模擬較能成氣候的黑暗物質叫“微弱作用重粒子”（weakly interacting massive particles, WIMPS），它屬于‘冷黑暗物質類，當然也不帶電荷，理論上的要求是它的質量越高越好，企盼著它是主力黑暗物質部隊，為人類解惑。

中國從1990年代就和意大利合作，在羅馬附近一個1,400米深的地下“黑暗物質” （DArk MAtter, DAMA）實驗室，進行捕捉WIMPS的工作。

最近在歐洲日內瓦投產使用的“大強粒子碰撞機”（Large Hadron Collider）的主要任務之一，就是尋找WIMPS或是它的遠房親戚。

結語

天文物理學家認為，黑暗能量應該存在，它可能由真空能量而來。真空能量是量子世界的產物，相當神秘，威力可能和想象中一樣強大，但到目前為止，僅是理論上的沙盤推演，并無天文數據佐證。更難解的關鍵問題是，黑暗能量為什么能產生一股“反重力”的推力？這是對當今人類智慧的一個最大挑戰。

黑暗物質的存在，有實驗數據證實。它生來就有自閉個性，幽暗隱居，人類追尋之路艱難。它很可能是在“大霹靂”初期宇宙能源充沛時，比我們熟悉的物質早一腳出現，搶先用掉大部份能源，造成它擁有極高能量的體質。人類目前卯足了勁兒，打造出“大強粒子碰撞機”，期望能夠得著黑暗物質高來高往的能量，要不或許也能找到它一個遠房能量較低的窮親戚，至少能間接推證它的一些特性。

最聰明的人類，為了解決黑暗能量和黑暗物質問題，吹響了“集結號”。

圖1：卡齊米爾效應實驗。兩個在真空中不帶電的卡齊米爾平行板（Casimir plates），在近距離內，經由真空震蕩（vacuum fluctuation），互相吸引，證明真空中有能量存在。