智慧之窗: (科學與信仰) 神秘的暗物質

2017年6月
◇黃小石

我們因著信,就知道諸世界是藉神話造成的;這樣,所看見的、並不是從顯然之物造出來的。 希伯來書十一章3節

我們宇宙中所有一般物質的質量總和,只不過是宇宙總質量的4.6%左右,其餘是「暗物質」、能量和「暗能量」。暗物質比物質多五倍,暗能量比普通的能量多三倍。到現在為止,我們還不知道什麼是暗物質,至於什麼是暗能量,那就更不用說了。所以我們的宇宙是充滿著我們看不見也摸、又想不通的東西。但是我們藉著間接的觀察、及一些理論的計算,使我們不得不承認宇宙間的確有些神祕的物質與能量的存在。既然看不見,我們怎麽知道它們存在呢?

暗物質

我們之所以稱之為暗物質,第一是因為我們看不見它們,又不知道它們是什麼,所以無論是從感官或思維的角度,我們都處在黑暗中,我們像是瞎子摸一頭看不見的象。我們推證它的存在,是因為這些神祕的物質與可見的普通物質之間有吸引力,也就是說它們能產生「重力場」,也與物質一般,可以生發扭曲光線途徑的效應;但是它們對光的本身卻沒有作用力,就是說它們既不反射光,也不吸收光(沒有電磁效應),故此我們看不見它,只能由它們的重力場產生聚光現象,以及他們對附近星體軌跡及速度的影響,我們推測他們必然存在,所以我們稱它們為「暗物質」。

在1930年代已經有天文學家觀察星系的運轉得太快,遠超過它們的亮度所標明的質量所當有的速度,這現象是一位女性天文學家先發現的。她叫薇拉.魯賓(Vera Cooper Rubin),一位經典科學家–為了好奇、興趣而研究科學,不是為了聲名、榮譽而去賣命,不像現代許多正在萌芽的年輕科學家,為了好找工作,放棄了起初的愛。

薇拉.魯賓博士

在距離紐約市約150公里的帕基普希城裡(Poughkeepsie, NY),有一所小規模而高水準的文理學院,是當時譽稱「七姊妹」之一的瓦莎學院(Vassar College),這「七姊妹」是相當於美國紐英格蘭地區的「長春藤八校」的女子學院。這所瓦莎學院算是耶魯大學的女校。在1948年有一位天文學系的畢業生,她也是天文學系那年唯一的畢業生,薇拉.古伯,她就是那位還沒有結婚的薇拉.魯賓。那時她還不到二十歲,從小就熱愛天文。

畢業後她進了康乃爾大學天文物理系深造,受教於莫理遜、貝德、費曼幾位當代物理大師。1950年獲得碩士學位,並嫁給學物理化學的同學羅伯特.魯賓先生。畢業後她決定去華盛頓的喬治城大學進修天文學博士學位,受業於享有盛名的伽瑪夫(George Gamow 1904 – 1968)教授。1954年學成。雖然她早期的研究並不受重視,但是她反而覺得沒有壓力,可以安心的做研究。她一生中觀測分析200多個星雲的光譜,奠定了暗物質必然存在的根基。

星雲的奇異光譜

魯賓的觀察主要是基於在星系中星球(恆星)的光譜。每個星球的成份是類似的,主要都是氫與氦,這些元素的光譜是很明顯的。當這星球的運動軌跡是部份朝著地球而來,它的光譜就會向短波長的方向移動,這是所謂的藍移現象;若這星球的軌跡是離開地球而去,它的光譜就會向長波長的方向移動,這是所謂的紅移現象,這是出於多普勒效應(Doppler Effect)。我們可以從分析星光波長移動,來計算這星的相對速度。我們再從這星球離開它所屬星系中心的距離及它旋轉的速度,推算這星球軌道內部星系的總質量(牛頓重力定理)。同時一個星系的質量是可以從其「亮度」推算的。離開星系中心越遠的星球,它的(旋轉)速度也越慢。可是魯賓發現在星系中的星球速度比預期的快得多;唯一可以解釋這現象的假設,就是在這星系中含有大量看不見的物質,而且這看不見的物質比可見的物質還多得多 。我們知道在銀河系的中心有個超重的「黑洞」,這雖可以解釋內部星球的高數度,但是不能解釋在邊緣星球相對的超高速度,看來這看不見的物質到處都是,並均勻地分佈在銀河系中。

暗物質是什麼?

目前沒有什麼很好的理論,呼聲較高的是所謂的「弱相互作用質量粒子」(WIMPS),包括神秘的中性子(Neutralino-目前沒有它存在的證據)、微中子、軸子(解釋何以中子沒有磁偶極矩-目前沒有它存在的證據);也有主張是「棕矮星」,中子星或「超級黑洞」等由一般的物質所組成的東西,但是這些仍然與電磁波有交互作用。是可以看得見的。到目前為止,除了重力場之外,我們還沒有什麼暗物質 直接的證據。

薇拉.魯賓一生最得意的成就

她第一篇論文是在1951年發表,三十年後她的結果終於被注意到了,在1981年她被選為美國科學院院士,1993年獲得美國國家科學勳章等多項殊榮。記者問她一生對科學最大的貢獻是什麼,她說是她所撫養的四個孩子。他們都是博士科學家:老大David生於1950年,是地質學家,老二Judith是女兒生於1952年,宇宙線物理學,老三Karl生於1956年,是數學家,老四Allan生於1960年,也是地質學家。可想當年這為年輕的媽媽(生老大時才22歲),又帶孩子,又得做研究的光景了。

到底什麼是最有意義,需要有長遠的眼光,以及一個有意義的價值標準(不然每個人都可以宣告自己的生命是最有意義的),甚至連我們所能看見的物質宇宙,也只不過是實存的一小部份。若生命是被造的,那就不在乎別人怎麽看,甚至也不在乎自己怎麽看,而在乎那位造我們得上帝怎麽看了。