本期文章

能使世界全然改觀的第五元素:黑暗能量

文╱吳俊輝(台灣大學物理系暨天文物理研究所教授,劍橋大學宇宙學博士)    

古希臘時代的地心說,主張人世間是由「土、水、風、火」四大元素所構成,而現今的科學家主張,目前宇宙中含量最多的主宰元素,叫作「黑暗能量」(Dark Energy)。這個相當科幻的詞除了肩負著當代的科學使命,對人類的哲史發展也可能是一種啟示。我們若能操控這種力量,世界將為之改觀,因此身為現代人,你不能不認識它!



讓人類生活全面改觀的神物



什麼是黑暗能量?依物理上的定義,就是具有「萬有斥力」的物質。它們彼此之間、以及和其他物質之間,都具有相互推斥的力量。如果能收集並掌控這種物質,那麼人類的歷史將會全面改寫。



例如要將人造衛星或太空船送上太空,就不再需要冒著火箭爆炸的風險,因為只要在太空船下方掛上一桶黑暗能量,然後將它慢慢釋出,便可提供升天的推力。若要製作高速列車,就不再需要發展磁浮技術,因為只要在列車下方塗上一層黑暗能量,列車便能自己騰空飄起。



同樣的道理,汽車從此不再需要輪子;高樓發生火災,不需費時去擠逃生梯或使用緩降機,因為只要穿上塗有黑暗能量的背心,便能由高樓層直接躍下,萬有斥力會在落地前提供如充氣墊般的緩衝保護;所有房子或建物都不再受到地震、海嘯威脅,因為底下全塗布了黑暗能量,全都飄浮在半空中。



這樣的生活,彷彿是科幻電影中的情節,但只要有人能夠掌握黑暗能量,它隨時有可能成真。那麼,黑暗能量到底是打哪來的,是誰發明的呢?



充滿戲劇性的興衰史



「黑暗」本身就富有神祕感,而「能量」則有正向力量的意含,這樣的特質確實反應出它在科學殿堂中的角色和地位。



它的概念最早是愛因斯坦在二十世紀初所提出的,那是在哈柏發現宇宙膨脹之前,當時的人們以為宇宙是靜止的,因此愛因斯坦便發明了這個具有萬斥力的概念,以和宇宙中一般物質的萬有引力平衡,讓宇宙能不脹不縮地保持靜止。當時這個新物質被稱作「宇宙常數」,因為它是愛因斯坦方程式中被新增的一個常數項。但後來哈柏等人發現宇宙實際上並非靜止,所以這個斥力的概念便被打入冷宮近半個世紀,因為它不但在自然界中找不到,而且也違反一般的物理經驗。野史上還說,愛因斯坦自稱這個「宇軸常數」學說是他生平中所犯下的最大錯誤。



然而在二十世紀要結束前的一九八八年, 由薩爾‧帕爾馬特(Saul Perlmutter)、布萊恩‧施密特(Brian Schmidt)及亞當‧瑞斯(Adam Riess)等所領導的兩個獨立團隊,不約而同地藉由觀測超新星而發現宇宙正「加速」膨脹,他們也因此在二○一一年獲得諾貝爾物理獎。



要讓宇宙加速膨脹,需要一股外推的力量,就像汽車加速需要推力一般,而搜尋理論物理的世界,會發現現成可用的外推斥力模型便是當時連愛因斯坦自己都摒棄的宇宙常數。這個具有斥力的物質在廣義化後被稱為「黑暗能量」,或俗稱「第五元素」(Quintessence,沿用古希臘的世間元素說),泛指具有萬有斥力的物質。愛因斯坦如果地下有知,必定笑得合不攏嘴!





宇宙中物質組成的比例圖,其中的主宰物「黑暗能量」約占七成!

似有若無的存在



根據近年的研究,黑暗能量必須高達宇宙總能量的七成,才足以解釋目前所觀測到的宇宙加速膨脹現象。但這是透過理論間接推算出來的,實際上並沒有人真的偵測到黑暗能量的存在。這正是目前科學界所面臨的窘境,科學家們也因此起了一個似有若無的名字:黑暗能量,暗喻它晦暗若無,但卻又無所不在。這其實是和所謂「黑暗物質」(Dark Matter)理論有異曲同功之妙,它們同樣是看不見也不曾被摸著,不同的只是黑暗能量具有萬有斥力、占宇宙七成多,而黑暗物質具有萬有引力、占宇宙兩成多(參見上圖)。兩者相加,這些我們認為存在卻又偵測不到的物質,竟占目前宇宙學模型的九成五?!



這不禁讓人想起十九世紀末科學家為了研究電磁波的傳遞,而發明了「以太」(Aether)這個理論物質作為傳遞電磁波的介質,當年的亞伯特‧邁克生(Albert Michelson)便是因為致力於偵測以太及其移動速率,而成為史上第一位獲得諾貝爾物理獎的美國人。諷刺的是,二十世紀初的一個新理論在瞬間就推翻了以太之說,這個新理論便是愛因斯坦的「狹義相對論」!


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