【宇宙大爆炸5】認識暗物質、暗能量與宇宙的命運
你有沒有想過，天空那麼多星星、銀河，真正構成宇宙的東西，到底有哪些比例？今天我們把「宇宙成分」當作一道食譜來看：光是我們熟悉的元素（像氫、氧、碳）只佔很少一部分，剩下的大部分都是看不見、摸不到的“隱形配料”——暗物質和暗能量。弄清楚這些成分的比例，不只是好奇心驅動：它直接決定宇宙會怎樣膨脹，會變慢、停下，還是加速膨脹？這些都可以用愛因斯坦廣義相對論下的Friedmann方程（宇宙膨脹的方程式）去計算。
重子的世界與暗物質：有光的和無光的物質
先說清楚「重子物質」（baryonic matter）。這就是元素週期表上那些我們熟悉的原子：原子核由質子和中子（合稱重子）組成，電子在外圍。你、我、地球、恆星、超新星爆炸製造的元素，都是重子物質。這類物質會發光、會吸收光，能被望遠鏡直接看到或用光譜檢測。
暗物質則完全不同：它不發光、不吸光，也幾乎不與電磁力互動（所以望遠鏡看不到），目前唯一清楚會做的事是產生萬有引力。換句話說，暗物質像是宇宙中的隱形黏土，用重力去牽引可見物質，影響星系的運動與結構。它可能由一種或多種「奇怪的基本粒子」組成，這些粒子很重、和普通物質互動極少，因此用地面粒子加速器很難直接造出或偵測到。
銀河旋轉曲線：暗物質被提出的直接理由
最直觀的暗物質證據來自銀河的旋轉。想想太陽系：行星越遠離太陽，公轉速度越慢，這可以用牛頓重力定律算出來。把同樣的想法放到整個銀河系上，我們預期越遠離銀河中心的恆星應該轉得越慢。但實際觀測到的是，銀河外圍的恆星速度反而保持快（速度曲線變平坦），遠比只由看得見質量（恆星和氣體）所能解釋的速度要高很多。
這個現象可以有兩種解釋：一是重力理論本身有問題（像過去牛頓被愛因斯坦取代那樣需要修改）；二是銀河周圍有大量不可見的質量。我們目前主流的做法是後者：假設存在一個包圍銀河的暗物質暈，質量在中間較密、外圍較稀，這樣的分布正好能把計算出來的轉速「補強」到觀測到的值。其他獨立觀測（例如星系團、引力透鏡與碰撞星系團）也支持暗物質的存在，使得單純修改引力的說法變得不足以解釋所有證據。
宇宙微波背景：早期宇宙的回聲告訴我們成分比例
暗物質之外，另一個重要工具是宇宙微波背景輻射（CMB）。CMB可以想像成宇宙的「童年照片」：在大爆炸後約38萬年，宇宙從一個亮熱的光—和—物質混合體冷卻到光可以自由穿行的時候，留下了一片溫度非常接近但有微小起伏的背景輻射。這些微小的溫度波動像海面上不同大小的波浪，科學家把它們做成統計圖譜（功率譜），會看到一系列高低起伏的峰。
這些峰的位置和高度不是隨意的：它們反映了早期宇宙中「聲波」在光和物質混合流體裡反覆壓縮與膨脹的歷史。簡單比喻：想像一鍋沸水裡的波動，波的大小和鍋裡材料（含多少液體、重量、黏度）有關；同樣，CMB的頻譜對宇宙中各種能量成分非常敏感。比如：
- 第一個峰的角尺度告訴我們宇宙的幾何：現在的觀測顯示宇宙在大尺度上是近乎「平直」的（類似歐幾里得幾何）。
- 峰之間的相對高度會受重子（普通物質）多寡影響，因為重子增加會加強壓縮的效果。
- 整體的峰形還會受暗物質數量影響，因為暗物質只透過重力參與，但在早期結構成長非常重要。
因此，精確測量CMB的波動，科學家就能夠用電腦模擬不同配方（例如：某成分占多少%）給出的理論光譜，然後和真實資料比對。結果顯示，只有非常窄的一組配方才能同時滿足CMB、超新星與其他大尺度結構的觀測。
標準燭光與宇宙加速：超新星的證詞
1990年代末，天文學家觀察到遠方某類型超新星（Ia型）比預期更暗，換句話說它們離我們比沒有加速膨脹時要遠。這項發現直接指出宇宙膨脹在最近的宇宙史上是加速的。要讓宇宙加速膨脹，模型中就需要一種「負壓力」的成分，能夠產生一種等同於萬有斥力的效果，這就是暗能量（或宇宙常數 Λ）的引入。
把超新星（測距）和CMB（早期結構）以及銀河分布中的聲波尺（baryon acoustic oscillations, BAO）這三種獨立的資料放在一起比較，就像把三張不同角度的照片疊合：只有一個非常小的參數空間（即某種特定比例的重子、暗物質與暗能量）能同時符合三者。這就是為什麼現代宇宙學常常說：暗能量約佔宇宙總能量密度的七成（約73%），而總物質（暗物質加重子）約佔三成（約27%），其中重子只有約5%。
暗能量是什麼？真空的神祕壓力
暗能量通常被簡化為「宇宙常數」或真空能量：即使在看似空無一物的真空中，量子力學告訴我們場的零點能量不可能完全為零，真空有其能量。這種真空能量在廣義相對論中等同於可以產生負壓力、使空間膨脹加速的項。問題是，從場論估算得到的真空能量數值，理論上會比觀測值大許多個數量級，這就是著名的宇宙常數之謎（為何觀測到的值這麼小卻非零）。
此外，暗能量非常微弱而均勻，直接用實驗室尺度測試非常困難，因此我們目前只能靠天文觀測間接推斷其存在與性質。雖然這樣的證據相當堅實，但本質上它仍是當代物理學最大的未解之一。
從成分到命運：為何比例重要？
Friedmann方程把宇宙的膨脹速率（和它隨時間的變化）和各種能量密度聯繫起來。可以把它想像成一個「預算表」或「食譜」：各成分（重子、暗物質、暗能量）各佔多少，就決定了膨脹會如何演化、結構會如何成長，甚至可以推算出宇宙的年齡。知道今天的成分比例，就能反推早期演化，也能預測未來：若暗能量持續主導，宇宙會越來越稀薄、星系間距離繼續拉大，未來星系會彼此更孤立。
還有哪些未解的問題？
儘管我們已有一套能夠非常精確解釋多種觀測的標準宇宙學模型（ΛCDM模型，其中Λ代表宇宙常數，CDM代表冷暗物質），但關鍵成分的本質仍然未知：暗物質的具體粒子是什麼？暗能量是真空能還是某種動態場（或根本需要修正重力理論）？量子場論與觀測之間的數值差距為何如此巨大？這些問題都還在活躍研究中。
總結來說，現代宇宙學透過多重獨立觀測（銀河旋轉、宇宙微波背景、超新星、BAO等）已經把宇宙這道「配方」的比例量得相當精準：大約七成的能量是暗能量，剩下的三成是物質（其中只有一小部分是我們能看到的重子）。了解這些比例不只是數字遊戲：它讓我們能用愛因斯坦的方程預測宇宙的過去與未來。雖然許多本質問題仍未解，但科學家的工具越來越敏銳，未來十年、二十年可能就會有更驚人的發現——那時候，也許我們就能真正看見那兩項隱形配料的真面目。
