認識暗物質與暗能量：揭開宇宙「看不見」的真相

當我們仰望夜空，以為看到無數星星和銀河已經窺見宇宙的全貌，但天文學家會告訴你，其實我們看到的不過只是宇宙冰山一角。大部分的宇宙，既不是星星，也不是行星，更不是肉眼可見的東西。根據現代天文學觀測和理論模型，組成宇宙的物質和能量，超過九成都是我們無法直接看見的──它們就是「暗物質」(Dark Matter)和「暗能量」(Dark Energy)。即使在生活中我們接觸不到，但它們卻決定了宇宙的未來和命運。這篇文章會深入淺出帶你認識這兩個現代宇宙學的關鍵主角。

宇宙的大拼圖：我們其實只看到一小部分

首先，讓我們來看看「宇宙組成」這道難題。根據美國太空總署(NASA)及普朗克衛星(Planck)等現代天文觀測，科學家發現宇宙中的普通物質（即我們熟悉的原子所組成的物體，包括地球、星星、銀河、空氣等等）只佔了宇宙全部的約5%。那剩下的95%究竟是甚麼？這就要談談暗物質和暗能量：

暗物質：約27%，它看不見、摸不到，但有「質量」和「重力」的影響。
暗能量：約68%，是一種推動宇宙加速膨脹的神秘力量。

或者可以這樣比喻：如果宇宙就像一盞百年老店出售的糖水，裡面的椰奶只是小部分可見配料，但湯底（暗物質）和調味（暗能量）才是主體和靈魂，偏偏從外表完全看不出端倪。

什麼是暗物質？從宇宙搖籃到銀河旋轉

早在1930年代，天文學家茲威基(Fritz Zwicky)觀察銀河系群的運動時，發現它們的旋轉和聚合速度遠超過目測的質量應該產生的重力。這好像你看一班人拉拔河，但以為就一兩個壯漢，實際上繩子的另一頭還藏著重量級選手。幾十年後，美國天文學家羅賓·魯賓(Vera Rubin)詳細研究銀河的旋轉曲線(rotation curves)，發現銀河邊緣的星體自轉速度不會隨距離減慢（本應像太陽系行星般，外圍速度應該較慢），反而保持高速。

這種現象唯一能解釋的，就是銀河中存在大量「看不見」的質量──即暗物質。它不會發出光，不吸收或反射電磁波，所以望遠鏡看不到，但我們可以間接感受到它的「重量」或影響。後來，從「引力透鏡」(gravitational lensing)現象──包括光線在宇宙中被不明物體偏折的現象──我們進一步確認暗物質的存在。

暗物質的性質：看不見卻無處不在

如何形容暗物質？想像你身處沙井旁邊，有風卷起垃圾雜物，但你完全看不到風，卻能確定風的存在。暗物質也一樣，無法用現有傳統方法直接偵測(例如光或熱)，但又間接地、強烈地影響著銀河和宇宙的大結構。

根據觀測，暗物質的幾個主要特點如下：

不與光作用：普通物質會發光或反射光，暗物質不會，這使我們只能透過它的重力效應推斷其存在。
無法直接偵測：至今沒有任何實驗裝置能真正捕捉到暗物質，連強大的地下探測器也是「捕風捉影」。
大量遍布宇宙：從銀河尺度到宇宙最大尺度（宇宙網絡），暗物質都深度參與結構形成。

暗物質是甚麼？我們知道與不知道的部分

儘管暗物質的間接證據大量存在，但「它本身究竟是甚麼？」卻是近代物理門徒都未能解答的大哉問。

最常見的假設是暗物質是一種全新型態、極少與普通物質作用的粒子。包括：

WIMPs（Weakly Interacting Massive Particles，弱互作用大質量粒子）：這是模型中最火熱的候選者，一種質量大但只透過重力和弱核力與其他物質互動的粒子。實驗嘗試探測至今，仍未有斬釘截鐵的結果。
Axions（軸子）：一種非常輕質量、難以捕捉的粒子，正被全球多個團隊以不同技術嘗試尋找蹤影。

另外也有人提出暗物質可能不一定是粒子，或許是重力理論需修正，但現時物理界多數認同暗物質的「粒子假設」最符合現有觀測。

有趣的是，暗物質的「冷」與「熱」也很重要。冷暗物質(cold dark matter)行動遲緩，有助於大型宇宙結構（例如星系團、銀河系）的形成。根據宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave Background)和大型天文觀測，冷暗物質假設Fits the data best，目前亦是主流理論。

暗能量：推動宇宙加速膨脹的主因

說到暗能量，這是比暗物質更「無形」的存在。自愛因斯坦提出廣義相對論以來，這個理論其實預設宇宙不是靜止的，有機會是收縮或膨脹。1929年哈勃(Edwin Hubble)發現遙遠星系正在遠離我們，標誌宇宙膨脹的證據。但，令人驚訝的是，從1998年起，兩組研究團隊分別以超新星為「標準燭光」測量遠方星系，發現宇宙膨脹不僅沒有減慢，還在越來越快。

這種加速膨脹，違反了普通重力論下「萬有引力應帶來減速」的常識。就好像你觀察地面車輛本來因摩擦會越來越慢，結果居然加速向前，說明必有某種「推動力」在發揮作用。天文學家把這種力量叫做「暗能量」。根據重力效應，暗能量對宇宙空間造成一種「負壓力」或「反向重力」，導致空間本身實際上在以越來越快的速度膨脹。

暗能量的本質：仍然充滿謎團

暗能量的本質至今未有確切答案，主流假說有兩大方向：

宇宙常數Λ（Lambda）：愛因斯坦提出的Λ，是一種宇宙空間「本身」就有的能量密度，不隨時間減少，好像真空裡也暗藏著能量。
動力學場（如quintessence）：這是更先進的理論，認為暗能量是隨時間變化的動態場，其密度不一定恆定，例如像有「活性」的場在宇宙間作用。

目前所有觀測（如宇宙微波背景、超新星、星系分佈測量）都指向某種幾乎均勻充斥宇宙的暗能量，在大尺度下維持宇宙整體的加速膨脹。

或許我們可以這樣比喻：暗能量就像你煮湯時鍋底那把火，你沒看到明火，但湯越滾越熱你感覺到它存在。暗能量不容易偵測，卻一直在幕後推動宇宙不斷擴大。

我們如何研究這兩個「看不見」的角色？

面對看不到摸不著的暗物質與暗能量，現代天文學家主要依靠間接方式去了解和「描繪」它們。例如：

大規模星系分佈：透過SDSS、DESI等大型天文巡天，統計上分析宇宙結構如何演變，推敲暗物質及暗能量的影響比例。
宇宙微波背景：分析早期宇宙150億年前微弱殘留輻射中的細微「皺紋」，可計算出暗物質與暗能量比例。
引力透鏡效應：背景星系和星體的光線經過暗物質聚合區域時會彎曲，從而間接「描繪」出暗物質的分佈。
地下探測器與對撞機：如LUX、XENON等用極為敏感的材料嘗試捕獲暗物質粒子的碰撞蹤跡，而大型強子對撞機(LHC)也正尋找各種可能的暗物質候選粒子。
超新星觀測：以標準燭光釐定遠方宇宙膨脹速率，並反演出暗能量的參數。

生活中的暗物質與暗能量：和我們有何關係？

雖然這兩個名詞聽起來遙不可及，但其實它們已深深影響著我們的生活與未來。正如你看不見的電磁波（WiFi、GPS訊號等），雖然「無形」，但帶來深遠的影響。暗物質如果不存在，我們的銀河無法團結成形，太陽系、地球可能根本無法存在，更不要說生命。而如果沒有暗能量，宇宙膨脹會受重力吸引調控，甚至會收縮，最終走向結束。

我們對暗物質和暗能量的研究，令人類思考「我們在宇宙中的定位」和「未來的終極命運」。是永遠冷冷地膨脹？還是可能將來大逆轉？這些都關乎於暗能量真正的本質。