派翠西亞柏莎一窺暗物質清晰面貌

身為粒子物理學家的我,研究最基本的粒子 我研究,粒子和粒子之間,如何在最基礎層次上交互作用 多數研究生涯中,我一向都在使用加速器 就像離此不遠的史丹福大學,也有一台一樣的,那種電子加速器。 粒子物理學家,向來是從最細微,最小尺度來研究物質 但是最近，我的注意力轉向了 宇宙間最大尺度的物質。那是什麼? 稍後我將立刻向各位解釋-但是,我為什麼轉移注意力呢？ 因為,最小和最大尺度兩者間,其實有微妙的高度關聯 所以,我即將要談,21世紀對宇宙的最新看法 宇宙的構成成分是什麼，目前物理學最熱門的議題為何? 即便不能完整含括全部最重要議題,至少也含有其中好幾個。

最近，我們意識到 宇宙中的普通物質 我說的「普通」物質,也就是你,我自己 行星，恆星，銀河系 這些都是算為普通物質,且只不過佔宇宙的 幾個百分比而已 近乎四分之一，或者大約四分之一 宇宙中的物質,全是些看不見的東西 所謂不可見，我指的是它不吸收電磁波 在電磁波頻譜中,它既不放射,也不反射。 它和電磁波譜,沒有互動可言 而電磁波,正是我們平常用來檢測物質的方法 當它根本對電磁波不作反應,你如何知道它存在呢？ 透過重力效應,是可以知道的。 事實上,在宇宙中,大尺度物質 的重力效應,全是由「暗物質」在操縱 相關證據,稍後我會再和各位分享

現在先講,這大餅圖中,還有一大塊無名,那是什麼？ 剩下的一大塊,是一種稱為「暗能量」,極神秘物質 細節,稍後再說 現在，我們來談談「暗物質存在」的證據 在這些星系中，尤其是在一個像這樣的螺旋星系中 大部分恆星的「質量」(mass)都集中在星系的中央附近 這是很巨大的質量。也因為它,恆星在星系中,沿著圓形軌道在運動 所以我們看到這些恒星沿圓圈這樣運動 不難想像-這和懂不懂物理沒差別-直覺上就應該知道 比較靠近星系質量中央的恆星,繞行運轉時,速度較高 和外圈的恆星相比,同意嗎

如果你測量這些恒星運動的軌道速度 應該是邊緣的會比裏面的慢 換句話說，如果我們以速度作為距離的函數 這篇短講不會有很多圖表,這是唯一一張 我們認為,速度會隨它和星系中央的距離增加 而減慢 當我們實際進行測量的時候 出乎意料，我們卻發現這些速度都是幾乎不變動的「恆量」 當你以距離為函數 若它為恆量時,這意味著,這些恆星 正感受得到,一些我們看不見的物質所產生的重力效應 這個星系以及其他每一個星系 似乎都是內嵌在這樣一個不可見的暗物質雲層中 而這片物質雲,比星系本身,更加的接近於球形 而且這片物質雲的範圍,比星系本身更廣得多 所以,當我們看見的是星系,注視著的,是星系,但實際上那背後有一團暗物質雲 主導著這星系的結構和運動

這些星系,在太空中,並非任意的散佈 它們有成群聚合的傾向 舉一個例,非常有名的后髮座（Coma）星系團 這個星系團中有數以千計的星系 這些白色的，模糊的，橢圓的東西就是星系 這些星系團-我們幫它拍一張照片 十年後再拍一張,它還是一點都不會改變 但是,星系團,其實是在極高速的運動狀態中 它們其實是在這個星系團的一個「重力勢阱」中運動著 所以,所有這些星系都在運動 我們可以藉由測量這些運動，它們的軌道速率 計算得出星系團中有多少「質量」

再一次，我們發現實際上那裏的質量 要比按照「看得見的」星系,計算得出的結果還多 當我們看其他部分的電磁波譜 也看得到星系團裏有很多氣體 但那些氣體並不能解釋這些質量的存在 事實上，這裏多出來的質量大約有10倍 是以暗物質型態,存在著 暗物質是普通物質的10倍。 我想,如果大家都能更直接地看到暗物質,豈不更妙 所以,我在這裏放一個大藍色泡泡 提醒你們:「暗物質就在那兒!」 但,是否可以在視覺上「看」見它呢？可以。

現在我帶大家實際瞭解,怎樣看見暗物質： 這裏是一個觀察者 無論是一隻眼睛；或者也可以是一個望遠鏡 假設在宇宙中有一個星系 我們怎樣看得到那個星系的呢？ 一束光從那星系離開、穿過宇宙 經過了也許幾十億年 然後進入望遠鏡,或映入你的眼簾中 現在,你如何猜測星系的位置在哪裡？ 嗯,我們按光線來的方向,去猜,它的位置 當光線抵達我們的眼睛時,我們就是這樣猜的 例如，這束光這樣出來 我猜星系一定在那。 現在,假設我在螢幕中央放一個星系團-- 別忘了,連暗物質也在那兒 現在，如果我們考慮,另外一束這樣走的光線 我們現在需要考慮 當愛因斯坦他發展出廣義相對論時,曾經預言過的 也就是,由於有「質量」的關係而發生的「重力場」 不僅會使粒子的運動軌跡偏轉 而且也會使光本身偏轉

所以這束光不會沿直線行進 而是，會彎曲，並最終仍抵達、進入我們的眼睛 這個觀察者,會看到的星系,是在哪裡呢？ 你們會回答。上面。對嗎？ 我們向後倒推，然後斷定星系在這裏 這裏還有其他,也從這個星系而來, 並且也進入觀察者眼睛的光線嗎？ 是的,非常好。我看到你們有人比向下的手勢。 一束光,它也可以往下走,然後彎曲 並進入觀察者的眼睛, 這觀察著便會在這裏,看到一束光。

現在,考慮到,我們生活在一個 有三度空間的宇宙中 太空是三度空間的 那麼,還有其他光線,可以進入我們的眼睛嗎？ 是的，光線可以排列呈現-按你們比出來的手勢-它是個,圓錐形 所以,許多束光,匯聚成一個圓錐形 意思是,這些光都經過了星系團的彎曲 然後進入觀察者的眼睛裡 因為有呈圓錐形的光,這樣進入我的眼睛,所以,我會看到什麼？ 一個圓圈,或環形。這被稱為「愛因斯坦環」--因為愛因斯坦首先預測到這個現象 當然,弧形原本應該是相當完美的弧,前提是,如果光源,偏導體和眼球 正好全都在一條筆直的線上 如果它們被略微偏轉，我們將會看到一個不同的圖像

你們今晚就可以在接待櫃檯,做一個試驗 你就看到這個圖像會是什麼樣子 因為我們可以設計一種透鏡 它的形狀,很合適用來產生這種現象 我們稱它為重力透鏡 所以,這就是你們的儀器 （笑聲） 但是請忽略上半部 只看它底座的部分就好了 所以,我家無論誰打破一隻高腳酒杯 我都把底部留著用,先拿到玻璃店去 把頭切掉,然後重力透鏡就出現了,妙吧 它的形狀很合適產生透鏡效果 這個實驗的下一步驟就是 找一張餐巾紙-本人是物理學者,所以我會拿一張有學問一點的方格紙.(笑聲) ok,拿一張餐巾紙。在正中央畫一個小小的星系模型。 然後把透鏡挪到星系正上方 然後你將看到一個,愛因斯坦環 把杯底透鏡往旁邊挪一點 環會分裂成好幾個弧 把它移到任何圖像上都可以 在方格紙上你可以看到 方格的線條產生怎樣的扭曲 所以，你可以說,這是一種非常精確的模型 用來解釋「重力透鏡」產生的現象為何

下一個問題：在天空中,我們看的到這現象嗎? 當我們觀察一個星系團的時候,看的到弧形嗎? 答案是:可以。 這是來自哈柏望遠鏡的圖像。 現在看到的許多圖像 來自稍早的哈柏望遠鏡拍攝所得 首先,先說這些金色的星系 它們是星系團中的星系 也被內嵌在一團暗物質中 那團暗物質,就是使光發生彎曲的物質 就是它們,引起了我們對「後景星系」 的視錯覺,或者說,幻影 你所看到的這些條紋,所有這些條紋 其實都是來自更遠處的星系,扭曲的圖像

我們能做的,就是根據所見的這些圖像 扭曲程度的大小,計算出在這團星系中 可能有多少的「質量」 這個質量的總量是非常龐大的 你也可以藉由觀察它（圖像）而得知一個現象 這些弧線的中心並不是些單一的星系 這些弧線的中心,是一些更廣,更大的結構 那個結構,就是暗物質 星系團,是被嵌入在暗物質中的 這是最接近於看到 以肉眼看得到的暗物質效果

非常快的回顧一下剛才所說的，希望你們都還跟的上。 我們有證據顯示 證明宇宙有1/4是,暗物質 這是些,受重力作用,被吸引住的東西 這些恆星,圍繞星系運動的速率太大 必須被嵌在暗物質中 是星系在星系團中,運動速度太大 以至於星系也必須,被嵌在暗物質裡 從我們所看到的這些重力透鏡的效應,這些扭曲 我們說,這證明,星系團是嵌在,暗物質中

好。現在我們轉向「暗能量」 所以為了瞭解暗能量的證據，我們需要討論一些 史蒂芬霍金在上一段節目中談到的那個現象, 也就是宇宙正在擴張的事實。 所以如果我們想像無限宇宙中一小部分， 我放4個漩渦星系， 假設你放一支卷尺 也就是,這裏的每一條線都對應一個卷尺 水平或垂直,好測量東西的位置。 這樣一來，你將發現 時間每過去一天，或一年， 或經過的是幾十億年 星系間的距離正在變得更大。 然而這並不是因為星系正在彼此因移動而 在空間中,漸行漸遠 以空間來講,它們不一定是「在動」。 有此漸行漸遠的現象,是因 空間本身正在擴張。 這是宇宙或者空間擴張的意思。 它們相隔越來越遠。

正如史蒂芬霍金也提到的， 在大爆炸之後，宇宙空間以非常快的速率擴張。 但是因為重力而發出吸引效應的物質 嵌在這個空間中, 而它是傾向於減慢空間擴張速率的。 所以擴張的速率就隨著時間經過,而減慢。 上個世紀，大家都在辯論著 宇宙擴張，是否會永遠持續下去 或者是否會減慢 逐漸減速,但永遠持續的擴張 或者漸漸減速,趨近於停止 還是減速,停止,然後開始反轉,再次從收縮開始另一個循環 這辯論持續了近十多年, 兩組物理學家和天文學家 開始著手測量 宇宙擴張 正在減速的速率是多少 這是藉由比較 它今天和幾十億年前相比,減少了多少擴張。

根據實驗結果，答案是令人吃驚的， 宇宙今天正在以更快的速率擴張， 這是和幾十億年前相比 所以,事實上,宇宙空間的擴張正在加速。 這是令人非常驚訝的結果。 沒有令人信服的理論依據能解釋這種情形的發生原因。 先前，從來都沒有人預言過會有這樣的發現。 它和預期的是完全相反的。 所以我們需要某些東西可以解釋這現象。 現在我們的發現是,在數學中， 你可以把「能量」這個名詞放在這個解釋裡。 但它是一種和我們所見過的任何一種能量， 都完全不同的能量 我們叫它暗能量， 而且,它具有使宇宙發生「擴張」效果的影響力 只是,在動機的部份 目前我們還缺乏一個比較好的說明。 這動機要從何解釋起,有點難。

現在,我想強調的是 首先,暗物質和暗能量 是完全不同的東西。 談到宇宙的組合成分,這兩樣東西恰似兩大謎題 它們的影響,也是天差地別 暗物質,因為它的重力發生引力, 它傾向於促成固定結構的形成。 所以星系傾向於集結構成星系團， 原因是重力帶來的吸引作用。 另一方面，暗能量， 卻在星系之間產生越來越多的空間。 它會使星系之間的重力吸引作用-漸漸減小, 因此暗能量也就阻礙了結構的成形。 藉由觀察星系團， 它們數量上的密度如何 以時間為函數，它們的數量是多少 我們可以比較瞭解暗物質、暗能量 彼此如何在結構的形成上互相競爭。

先前我說過,我們沒有 任何真正有說服力的論述能解釋暗能量。 我們有解釋暗物質的證據嗎？是的，我們有。 好幾種學說論述都有相當有力的假設動機。 所謂“相當有力”指的是什麼？ 我的意思是說我們有數學上前後一致性的理論 可以導入導出並解釋 一種很不一樣的現象 一些我還沒有討論到的現象， 它們預言到 弱作用力的新粒子。

這才是你在物理中所想要的： 從數學上合理一致的理論建立起來的某個假設 經過實際發展後變成可以解釋其他事物的一個假設。 但我們無從得知兩者是否都是 可用來解釋暗物質的最佳答案 二者之一為是,或,以上皆是?以上皆非?沒人說的準 雖然說我們是在尋找這些暗物質粒子 不過,說到底,其實它們根本就在這裏,就在這個房間裏， 它們也沒從門口進來 因為,暗物質粒子是能穿透一切的。 它們穿得過建築,穿得過地球; 它們非常懶得打交道

所以要找到它們的一種方式,是建造探測器 一台對暗物質粒子穿過,會極度敏感的探測器,甚至還會碰撞暗物質粒子。 是一種在發生暗物質粒子穿越時,會振動的水晶。 我的一個同事和他的合作者 已經建造了這樣一個探測器。 他們把探測器放在明尼蘇達州某處很深的地底鐵礦坑中， 非常深的地底。前幾天 他們剛公佈過目前最敏銳的結果,顯示： 他們還沒看到任何東西，但他們為暗物質的質 以及相互作用強度作出了參考限制質。 現在已發射衛星望遠鏡 將會探訪星系中心， 看看我們是否可以觀測到暗物質粒子湮滅 能製造出它偵測的到的伽瑪射線 大型強子碰撞器 - 一個粒子物理加速器， 於2008年年底啟用 或許,這台機器能製造出 暗物質粒子。

因為暗物質粒子是如此不活潑， 他們其實會逃離探測器， 留下來的證據是些消失的能量。 不幸的是，很多新的物理學 也一直不停的製造出「丟失的能量」 所以，兩者之間，很難辨別 最後,放眼未來,我們正努力設計新的望遠鏡 專門研究暗物質和暗能量： 有一些是地面的望遠鏡。而現在又有3架漫遊太空中的太空望遠鏡 它們彼此熱烈競爭 都以研究暗物質和暗能量主要目標。 所以，回答這些大問題： 什麼是暗物質？什麼是暗能量? 是物理學的大哉問 我想你們一定有很多問題。 我期待著在接下來的 72小時當中和你們面對面的討論。謝謝。 （掌聲）