丁源森 | 聊一聊暗物質

表象與本質

駭客任務（The Matrix）是我最喜歡的電影之一。故事的大綱是主角尼歐（Neo）在壞人電腦為了馴服人類而生成的虛擬空間中，察覺到了事物的矛盾，從而看穿了感官的表象，進而認識到了現實的本質。電影裡的慢動作打鬥畫面固然讓人津津樂道，但駭客任務之所以能成為經典估計還是要歸功於其所投影出的哲思。而與這哲思遙相呼應的是古希臘哲學家柏拉圖的洞穴比喻。

柏拉圖在洞穴比喻裡描繪了一群囚徒被困在一個黑漆漆的山洞裡。他們的頸部和身體俱被鐐銬在洞穴的一面牆上。而這面牆上的背後上方是洞穴的出口。雖然出口是明亮的，時而也有小動物路過，但是由於囚徒們的視野有限，只能看到小動物的投影，因此大部分囚徒都默認他們看到的影子即是現實，直到有像尼歐一樣的囚犯打開了思想的枷鎖，認識到了影子只是現實的表象，從而發掘了背後的廣闊天地。

而這，也是我們如何發現暗物質的。

暗物質的發現

話說約在1970年，天文望遠鏡開始能比較好地探測到星系裡星星和氣體的移動。而這科技的突破，對於天體物理學家來說是夢寐以求的。由於星星是受星系重力的影響，通過研究它們的軌跡，理論上就可以給星系量個“體重”。那時候大家的認知是，越在外圍的星星，由於星系的重量開始下降，那麼其運行的速度理應會比在內部的星星來得緩慢。這就如我們太陽系裡，越往外的行星，比如說天王星等，繞太陽的速度都會比地球緩慢。可是那時候天體物學家卻驚然發現，觀測數據與理論預期剛好相反，外圍的星星依然以飛速在繞行！

星系含大量暗物質

要知道這有點像在玩旋轉木馬，如果要轉得飛快而不發生意外，那麼安全繩就必須非常牢固。而在星系裡，這安全繩就是星系的重力，只是讓大家不得其解的是，這星星高速移動所需要的安全繩，可是要比在星系裡可見的物質的總重量還要大上個10倍！也就是說，星系明明看起來是個瘦小子，但稱起來卻是一個大胖子！而這表象的矛盾，迫使我們重新認清了事物本質。而唯一合理的解釋就是星系裡除了有可見的物質外，還必須有大量我們看不見的物質。而這就是所謂的暗物質。

雖然說暗物質可以解釋星星的運行，但科學精神要求的是如果暗物質是確確實實的存在，那它必須可以經得起推敲。而在目前龐大的天文研究體系中，無論是宇宙大爆炸裡各元素的生成，還是星系的具體分佈等，暗物質都已被反覆證明是不可或缺的樞紐，它的存在是板上釘釘的事，我這裡就不一一闡述這些其他實驗。

暗物質是個好幫手

不過要說這其中比較有趣的，就必須說到暗物質的“引力透鏡”效應。簡單來說，愛因斯坦的廣義相對論說明，當觀察某星系時，如果這視野中剛好穿過一團大量的暗物質，那暗物質的巨大重力會引起時空扭曲，導致這星系在觀測時變形且被放大。這有點像是透過一個玻璃瓶的底部去看一個光源，那光源透過玻璃的折射會產生變形。雖然說這種超大團的暗物質不常見，不過這有趣的現象也是經過哈勃望遠鏡反覆核實，側面再次印證了暗物質。

更重要的是這透鏡效應在研究宇宙裡一些很古老的星系特別重要。一些非常古老的星系由於離我們太遠，一般都是無法直接去研究的。而這時候暗物質偶爾會跑了個龍套，客串了一下放大鏡，無心插柳地幫助了天體物理學家，從而讓我們能窺探宇宙早期的情況。

暗物質仍是個謎

說了這麼多，暗物質到底是什麼呢？這裡是要讓大家遺憾了。雖然現在我們知道它無所不在，方方面面地影響著天體的運作，不過它具體是由什麼組成的目前還是個未解之謎。

但也許留個遺憾也不是什麼壞事。這警惕著我們的渺小，像極了柏拉圖筆下那一群被困在地球的囚徒。但是人類了不起的地方恰恰是，即使被束縛著，還是能透過無限的想像力不斷竊取宇宙的秘密。

我們是囚徒，也是尼歐。

本文英文版鏈接：The Matrix, Plato and dark matter

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