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天下文化首頁 主題 我們怎麼知道宇宙中有多少暗物質和暗能量呢?
科學自然

發表日期

2017.12.08
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文章摘錄自

這世界難捉摸
這宇宙的絕大部分,你不知道,你爸不知道,你媽不知道,你們全家都不知道,但現在你有機會知道,自己能不能...
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我們怎麼知道宇宙中有多少暗物質和暗能量呢?



圖:摘自本書
 

這宇宙的絕大部分,
你不知道,你爸不知道,你媽不知道,你們全家都不知道,
但現在你有機會知道,自己能不能知道了。
這本書用漫畫跟冷笑話,把你跟尖端物理學家之間的知識鴻溝,一點一滴無痛的補起來,
讓你腎上腺素大暴發,驚喜連連,不斷發現:什麼?蛤?啊!原來是這樣!

到目前為止,我們非常具體的在宇宙圓餅圖上加了標籤。5%聽起來像是大略估計,但是當你知道暗物質占了27%,而暗能量是68%時,你必定料想物理學家用了不只一個方法來得到這些數字。

那麼,我們怎麼知道宇宙中有多少暗物質和暗能量呢?

關於暗物質,我們無法使用到目前為止所學的工具(重力透鏡和旋轉星系)來對它一點一點的進行測量,再全部加總。星星和暗物質間不見得有正確的相對位置,能讓我們用這些方法。況且,總是會有更多暗物質隱藏在我們找不到的地方*。
(*也許和你搞丟的襪子和不知放到哪的鑰匙,都在同個地方。)

關於暗能量,我們真的不知道它是什麼,所以也無法直接測量。

感人的是,由於我們對這些事情的了解不足,因此設法用了幾種不同的方式測量它們的百分比。目前為止,這些不同方法得到的結果似乎都相當一致。

目前就我們所知,測量暗物質和暗能量多寡最準確的方式,是檢驗宇宙的嬰兒照:那是當宇宙仍然嬌小可愛時的照片*。
(*恭維孕育你的東西總是好事。)

我們將在後面的章節討論宇宙的嬰兒照如何拍攝的,以及它代表的意義。現在,你只需要知道這張照片確實存在。這張照片的正式名稱為「宇宙微波背景」(CMB),看起來像這樣:


宇宙寶寶(不含尿布)圖:摘自本書。

好吧,它不是那麼可愛。事實上,它像是一團有縐紋的混亂塊狀物上(就像大多數嬰兒)。

這張照片捕捉到了從早期宇宙形成中逃出的第一個光子。

重要的是,照片中形成的皺紋和圖案的數目,對宇宙中暗物質、暗能量和正常物質的比例非常敏感。換句話說,如果你改變比例,那麼照片中的圖案就會不一樣。

事實證明,我們若要看到照片中的圖案,就需要約5%的正常物質,27%的暗物質和68%的暗能量。任何其他比例得到的圖樣,都會與觀察到的不同。

從超新星標準燭光中,我們學到了另一種測量暗能量的方法,那就是觀察宇宙的擴張速度。我們知道暗能量正在以愈來愈快的速度,把所有東西向外推動。

根據我們對物質和暗物質的估計,可以計算出需要多少暗能量,才能達到觀察到的擴張效果,這樣一來我們就可以估算出暗能量的數量了。

 


圖:摘自本書

最後,我們可以經由觀察宇宙現在的結構,來了解暗物質、暗能量和正常物質的比例。宇宙的星星和星系是以非常特殊的型態呈現的。

使用計算機模擬,我們可以從目前狀態回溯到大霹靂剛發生之後,看看你需要多少暗物質和暗能量,才能讓模擬結果看起來跟觀察的現狀一樣。例如,如果在模擬中沒有足夠數量的暗物質,那麼模擬的星系形狀就不會像現在看到的,並且模擬星系也無法像我們知道的那樣,很早就形成。暗物質由於有巨大的質量和引力,因此能幫助正常的物質聚集,使星系早日形成。

同時,如果你試圖只用正常物質和暗物質來解釋宇宙中的一切能量,而不管暗能量(即暗物質占95%),那麼星系不會正確的產生出來。

令人驚奇的是,這些方法得到的結果都是一致的。它們都顯示,我們的宇宙大致是由正常物質(占5%)、暗物質(占27%)和暗能量(占68%)的組合構成的。

即使我們不知道這些東西是什麼,我們仍可以相當有自信的說,我們知道它們有多少。我們不知道它們是什麼,但我們知道它們確實存在。歡迎你們來到精準但無知的時代。

【書籍資訊】
摘自《這世界難捉摸》

天下文化數位編輯

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