《重力簡史》：關於暗物質只有一件事可以確定⋯⋯
重力是日常世界中最微弱的重量，但在宇宙中卻是最強大的力量。儘管17世界以來，人們便知道重力的存在，我們對他的了解卻非常有限，至今也仍未解開其核心之謎⋯⋯
看不見的宇宙
1960年代與1970年代末期，華盛頓州卡內基研究所地磁系（Department of Terrestrial Magnetism of Carnegie Institution of Washington）的薇拉．魯賓（Vera Rubin）與肯特．福特（Kent Ford）開始研究螺旋星系（spiral galaxies）。這些星群的巨大漩渦大概占了所有星系的15%，其中當然也包括我們的銀河系。羅賓與福特開始量測在螺旋星系的恆星，其繞著中央巨大「凸起」旋轉的速度有多快。
這兩位天文學家挑選看得到側邊的螺旋星系，因為在這種體系中的恆星會隨著我們的視線移動。運用超級靈敏的光譜儀，他們可以量測出比過往任何人都還要準確的恆星速度。
距離每個星系中央極為遙遠的恆星，其所受的引力應該也比較小。因此，羅賓與福特預期這些行星也會像太陽系中距離太陽極遠的那些行星一樣，運轉的速度越來越慢。
然而，結果並非如此。
這兩位天文學家盡可能地找到離每個螺旋星系中央最遠的恆星，卻發現這些恆星公轉的速度依然一樣。這些恆星公轉的速度太快了。它們就像坐在加速旋轉木馬上的孩童，可能會從旋轉木馬般的螺旋星系中被甩出來，飛越過星際的空間，因為母星系的引力無法拉住它們。但是引力卻拉住了它們。
今日的天文學家跟19世紀時的前輩一樣，對牛頓的引力定律都有著不可動搖的信念，因為引力在這麼多世紀以來，成功解釋了許多事物。14所以對於螺旋星系中恆星的異常運作，他們的解釋與亞當斯及勒維耶對於天王星異常運作的解釋相差不遠。天文學家認為，螺旋星系中的恆星之所以不會飛到星際空間中，是因為這些恆星受到更多望遠鏡未見物質的引力牽引所致。而這些物質非常非常的多。
值得注意的是，每個螺旋星系都嵌在「暗物質」（dark matter）所構成的巨大球形雲霧中，就像被一大群蜜蜂所包圍的光碟片一樣。暗物質不發光，或至少光量不足以讓當前最靈敏的儀器所測得，而且重量通常是可見恆星的10倍。
海王星的發現，只不過顯示我們忽略了太陽系中一顆行星的存在。然而，暗物質的發現遠遠重要許多，因為這顯示我們忽略了宇宙中大部分的物質。
事實上早在1930年代，宇宙中存在的物質比任何人猜想的都還要多的第一個線索就已經出現。加州理工學院瑞士裔美籍天文學家弗里茨．齊維奇（Fritz Zwicky）那時觀察著星系團，驚訝地發現，組成星系團的那些星系旋轉得如此快速，照道理應該會被拋到無窮遠的地方去。荷蘭天文學家揚．歐特（Jan Oort）也在同期發現，太陽附近的恆星似乎以更快的速度繞著銀河系中心轉動，這超出太陽軌道內可見物質產生的引力所能解釋。
齊維奇認為星系團中必定存在著更多望遠鏡看不到的物質，歐特也認為銀河系中必定存在著更多望遠鏡看不到的物質。因為暗物質所產生的額外重力，才能牽引住星系與恆星，而暗物質一詞，正是由齊維奇從德文Dunkle Materie創造。
宇宙中存在著「看不見的物質」的想法，終究沒有進入天文學主流，也許是因為這原本就令人難以置信。但羅賓與福特對於恆星在螺旋星系中公轉的極精確觀察改變了一切。15大量恆星速度異常的數據，終於讓此事浮上檯面。
重力不只揭示了暗物質的存在，還可以用來推斷暗物質的分布狀況。這是因為從遙遠星系傳送到地球的光線，在途中經過暗物質時，會被暗物質的重力所彎曲或「偏折」（lensed）。根據遠處星系影像的扭曲或「輕微偏折」（weak lensing），可以推斷出暗物質的分布。目前在智利的山頂上正在建造一座運用此種效應的望遠鏡，也就是大型綜合巡天望遠鏡（Large Synoptic Survey Telescope），它顛覆了望遠鏡原理，16經由所搜集的光來呈現出暗的影像。
暗物質存在的證據不只來自螺旋星系，還來自其他重要地方。宇宙在138億2千萬年前從巨大的爆炸（大霹靂）中誕生，自此之後不斷的膨脹及冷卻。冷卻的碎片凝結成為1,000億個左右的星系，其中也包括我們的銀河系。這個說法最大的問題在於，它沒有預測出宇宙一個相當重要的特點：我們的存在。
星系之所以會形成，是因為大霹靂火球中部分區域的密度略大於其他區域（在宇宙誕生的初始瞬間爆炸中，產生了「量子化」的過程，據信「密度擾動」〔density fluctuations〕就是在此時烙印在宇宙之中—不過這又是另外一個故事了17）。因為密度稍大區域的引力較強，可以比其他區域更快拉動物質，進而又增大本身的引力，讓它們拉動物質的過程更為快速，就像是富者越富的情況那般。但重點在於：這個過程太過緩慢。
從宇宙誕生的那一刻起到現在為止過了138億2千萬年，對於建立出像銀河系這麼大的星系來說，這個時間實在太短了。除非有更多更多我們用望遠鏡看不到的物質存在——這些物質的引力加速了星系的形成。這些物質就是暗物質。
宇宙中的暗物質為可見物質的5到6倍重—可見物質就是像你、我、恆星與星系這類由原子構成的物質。事實上，透過觀察到大霹靂火球「餘輝」的歐洲太空望遠鏡「普朗克」（Planck），我們可以有更加精準的估算。宇宙中4.9%的質能為原子，26.8%為暗物質（剩下的68.3%則為「暗能量」，這在1998年才被發現，暗能量看不見並充斥整個太空中，還具有相斥的引力，但這同樣也是另外一個故事了18）。
至於暗物質的定義——暗物質究竟是什麼——我們的猜測都半斤八兩。有個說法是，它是由目前還未被發現的次原子粒子所構成。像「超對稱理論」（supersymmetry）這類物理學上的推測理論，假設有種新基本粒子大量存在，這種粒子「感應」不到電磁力，因此也不會產生光這種電磁波。另一個想法是，暗物質是由冰箱大小的黑洞所構成，每個質量有木星這麼大，它們是在大霹靂火球內的劇烈環境中誕生。19
如果暗物質是由「初始」黑洞所構成，並假設它們均勻遍布整個宇宙，那麼離我們最近的一個初始黑洞大約距離我們有30光年遠，約是太陽系附近最近恆星南門二星（Alpha Centauri）的10倍之遠。如果暗物質是由次原子粒子所構成，那麼此刻它正在飛穿你的身體，不過就跟子彈穿過雲霧一樣，它對你身體的原子不會有影響。若是你能確認它的定義，那麼諾貝爾獎就在斯德哥爾摩等著你去領了。
採用現今的說法，我們可以說海王星當年曾是暗物質，不過若我們乘坐時光機回到19世紀，我們將會發現海王星不是唯一的暗物質行星。另外還有一個如幽靈般不確定存在的行星，它叫做火神星（Vulcan）。
注14：並非所有人都對牛頓的引力定律堅信不移。以色列雷霍沃夫魏茨曼科學研究學院（Weizmann Institute in Rehovot）莫德采．米爾格若姆（Mordehai Milgrom）所領導的少數天文學家相信，若加速度不到重力加速度的10億分之一，那麼重力會轉變成更強的形式，並不會依循力的平方反比定律而隨著距離快速變小。修正的牛頓動力學（Modified Newtonian Dynamics；MOND）可用單一公式來描述所有螺旋星系中恆星的公轉運行。相較之下，若要以暗物質來解釋，則需要多種不同分布且不同數量的暗物質，才能解釋每個螺旋星系的恆星運行。修正的牛頓動力學與愛因斯坦的相對論相容，是耶路撒冷希伯來大學（Hebrew University of Jerusalem）的雅各布．貝肯斯（Jacob Bekenstein）於2000年所發現。參見‘Relativistic gravitation theory for the MOND paradigm’(http://arxiv.org/pdf/astroph/0403694v6.pdf)。
注15：Vera Rubin, N. Thonnard and Kent Ford, ‘Rotational Properties of 21 ScGalaxies with a Large Range of Luminosities and Radii from NGC 4605(R=4kpc) to UGC 2885 (R=122kpc)’, Astrophysical Journal, vol. 238, 1980, p.471 (http://adsabs.harvard.edu/abs/1980ApJ…238..471R).
注16：更多關於大型綜合巡天望遠鏡的資訊，請參考：http://www.lsst.org/。
注17：Marcus Chown, Afterglow of Creation, Faber & Faber, London, 2010.
注18：出處同上。
注19：黑洞是太空中一個重力極為強大的區域，此區的重力強大到沒有任何東西可以逃脫，即使光也一樣，所以才會如此黑暗。我們目前發現2種黑洞類型。一種是恆星質量黑洞，這是巨大恆星走到生命盡頭時，引力瓦解恆星本身所造成。另一種為「超級質量」黑洞，其質量可達太陽質量的300億倍，起源還未知，潛伏在包括銀河系在內的每個星系核心處。不過有些物理學家主張還可能有第三種黑洞類型的存在：在大霹靂初始瞬間爆炸中所創造出來的迷你黑洞，它們至今依然存在。
（本文摘自《重力簡史：牛頓的蘋果如何啟發重力法則、相對論、量子論等重大物理學觀念》）
作者：馬可士・鍾（Marcus Chown）
出版：商周出版
