淺談暗物質及暗能量

文/林緒嚀

本教教義新境界第一章＜宇宙之本體＞，提出了幾個科學、哲學及宗教界所關心的問題：「大宇宙本體之最終成分如何? 宇宙動力之基本則律何所自來？」教義針對上述的問題提出了電子論、和子論及旋和力論作了詳細的說明。而目前天文物理等科學家也透過不同的實驗得到了許多新的發現來為這宇宙的本體作適度的闡述。

師尊在民國七十年發表＜從宇宙生命談肉體生命與精神生命＞一文中，描述無形宇宙與有形宇宙的關係：「無形涵蓋有形，無形運化有形，無形創造有形」，並言：「這個定律是宇宙亙古不易的真理，以待吾人的追求究竟。」

在1994年因「慧星撞木星」的天文千年奇景，本教和美國太空總署的科學家有合作計劃，目的是要彰顯無形運化有形，打開人類向宇宙進軍的方向。相關的聖訓提到『黑暗物質』是有形無形之間能量轉換區域，也是具有擔任無形運化有形的媒介。本文針對科學界暗物質的發現成果和教義所提的宇宙定律來探討兩者是否有其相似性。

無形涵蓋有形

在有形的物質世界之外是否存在無形的世界，這個問題在宗教裏已經是大家的共同認知了，大家也理所當然的接受這個觀念。若以科學的角度而言，科學家至今都可能無法提供一個明確的證據來說服大家，科學家不斷的研究，也發現了新的證據，得知目前我們所看到的宇宙物質世界的組織架構可能不太合理，不合理在何處呢?答案很簡單，就是質量多寡不合理，就像我們去買東西，遇到貪小便宜的老闆，用的秤不合格，當你買了之後，提在手上，感覺到好像輕了一點，你可能就會想把它再量一次的道理一樣。

暗物質存在的證據

此時就有許多的科學家跳了出來，說我來量一量，就在1930年代初，瑞士天文學家茲威基（F. Zwicky）第一個跳出來量，發表了一個驚人結果：在星系團中，看得見的星系只佔總質量的1/300以下，而99%以上的質量是看不見的。質量下落不明！茲威基用的是一種最古老的方法：以明察暗。其原理同盤查走私的一種簡單方法相同。比如一艘貨輪，如果船主申報貨物的數量和質量不足以說明貨輪的吃水深度，則它很可能夾帶黑貨。在茲威基那裡，「貨輪」是星系團，「申報的貨物」是看得見的星系，而「黑貨」就是下落不明的物質。這是最早的暗物質的存在證據。

茲威基的結果雖驚人，不過，許多人並不信，更多人半信半疑。直到1980年出版的《中國大百科全書》上還寫著：「這個問題（指是否有下落不明的物質）迄今還未得到令人滿意的解決。」但隨著科學家執著的心，非得把它量出來不可，持續進行著量測的工作。

在1932年歐特(Jan Oort)藉由研究太陽周圍的恆星在垂直於銀河盤面方向的運動，據此估計太陽附近的銀河系盤面物質的密度。歐特研究的結果，便是有名的「歐特極限」 (Oort limit)，數值上等於 ρ₀=0.15 M_⊙ pc^-3，但是對恆星以及星際物質的觀測，卻發現這些看得到的物質的重力強度，並不足以解釋恆星的運動，還必須有差不多等量我們看不到的物質才行。

1933年瑞士天文學家瑞基 (Fritz Zwicky)觀測后髮座星系團當中成員星系的運動，計算其本身受重力束縛運動所需的重力場，也發現看得到的物質所產生的重力場，最多只占總數的10%；換句話說，我們看得到的物質，包括星系以及星系間的介質，都不足以將星系團吸引在一起。

其他像是經由觀測重力透鏡效應 (gravitational lensing) ── 也就是遠方天體的光被沿途星系的強大重力彎曲而「聚焦」的現象，因此而觀測到遠方天體多重的影像，或是形成光弧、光環等情形 ── 以及在更大尺度，觀測超星系群等運動，也都得到類似的結論：宇宙中含有數量龐大而不會發光的物質。

1970年代，薇拉‧露蘋（Vera Rubin）及其同事在仔細研究銀河系及其他大型螺旋星系，試圖決定距離星系中心不同距離的星球在軌道上運動的快慢，他們的研究得到驚人的發現：距離星系中心遠處的恆星，它們的軌道速率並未如預期隨著距離增加而減慢。

我們的銀河系是個螺旋星系，從外表看起來，有個如盤狀的結構，在銀河盤面上的恆星多和太陽一樣，繞著銀河系中心運動。我們的太陽以近乎圓形的軌道，以 220 km s^-1的速率繞行銀河系的中心，繞行一圈需時約兩億四千萬年。這樣的運動是離心力與重力平衡的結果。

考慮一質點質量為m，在距離為r處繞著質量為M的物體中心做圓周運動

GM(r) m/r² = ηm v(r) ² / r

此處的 M(r) 包含了所有距離 r 以內的質量，而 η 則含括了質量分佈的幾何效應，對於球狀分佈而言，η=1。因此我們得到熟悉的圓周運動的速度 v(r)=[ M(r)/r ] ^1/2。如果M的質量全部集中在中心，也就是 M(r) 等於常數，有如太陽系中行星運動的情形，我們便得到刻卜勒定律，亦即在距離太陽半徑以外處， v(r)=r^-1/2。而如果M是個三度空間的剛體，M(r) = r³，我們得到的是v(r) = r。

圖一所示為銀河系中離銀河系中心不同距離的天體（恆星、雲氣）的速度分佈，可以看得出雖然我們看得到的物質（也就是恆星、雲氣）在15,000到45,000光年之外數量便明顯地減少，但是星球的運動卻顯示出在離銀河系中心相當遠的地方，天體仍然以近乎同樣的速度繞行。

圖一：隨著離銀河系中心距離增加，繞行速率並沒有減慢，而幾乎保持同樣的速率。注意接近銀河系中心的情形有如剛體旋轉。

從上面的速度公式來看，要是 v 等於常數，表示 M(r) = r，也就是說，物質密度隨著 r² 減少，由於星系的光度隨著半徑乃以指數遞減，因此越往星系外圍質量與光度的比例越來越大，也顯示質量可能分佈在星系盤面的上下四方。公轉速率隨著與星系中心距離改變的情形，稱為「旋轉曲線」 (rotation curve)。研究其他像銀河系這樣的螺旋星系的旋轉曲線，也有同樣旋轉曲線保持平直的情形（圖二）。

圖二：即使遠離星系中心，繞行的軌道速率仍保持一定，天文學家因此推論出像我們銀河系這樣的螺旋星系，其周圍存有由暗物質所構成的暈狀結構。這樣的暗物質球暈所包含的質量是星系中全部恆星質量的10到100倍。

想要解釋所觀測到的星球運動，星系大部分的物質必須位於螺旋星系可見的星系盤與球暈之外。因此而歸納出的結論就是對於一個大型螺旋星系而言，絕大部分的質量（最多達百分之九十到九十五）不在星球上，而是在圍繞著可見的星球與星球形成區域四周的暗物質中。

橢圓星系中因為恆星的運動不是單純的圓周運動，因此無法簡單地由恆星運動推論出星系中物質的含量與分佈。但是一些橢圓星系的周圍存有成暈狀分佈，發射X輻射的高熱氣體，根據計算如果只是星球與星際物質的重力，是無法長期束縛住這些氣體的。因此無論是螺旋星系或橢圓星系的四周，似乎都包覆了大量的暗物質。

亦即，宇宙主導成份是「暗」的，重子佔極少數。這裡「重子物質」指的是質子、中子以及由它們構成的各種物體，例如人的身體就是由重子所構成的。從科學家的證據顯示，原來我們肉眼所看到的物質世界之外還存在一個更龐大不可見的世界包圍著我們。所以，從宇宙學的眼光來看，人類真正是由稀有物質構成的。

無形創造有形

科學家發現了這此暗物質之後，進一步的研究發現，暗物質和有形物質是有很密切的關係。

我們今天生活的銀河系和所有其他的星系，都是由宇宙早期的氣體「凝結」成的，而造成「凝結」的原因是萬有引力（或重力）。氣體之間的重力吸引可以導致氣體結合形成星體。

我們在此必須強調重力的重要性。在目前已知的四種基本力（強作用力、弱作用力、電磁力、重力）當中，重力相對而言是最微弱的。強作用力與弱作用力的有效範圍都非常小，因此在一般情形下大於原子核的尺度時，只感覺得到電磁力與重力的作用。在太空廣大的尺度之下，重力幾乎是一切事物的主宰，而由於物質是重力之源，因此質量成為宇宙天體關鍵的物理量。

星際雲氣會因為自身的重力收縮，而溫度升高，要是雲氣中央的溫度升高到足以點燃核融合反應，便產生了一顆恆星。然而因為收縮而造成溫度的上升，也會增加向外的氣體壓力，因此雲氣若是想要靠著自己的重力收縮成為恆星，這團雲氣的質量必須夠大，否則就必須有外來的刺激，才能讓雲氣收縮，這些外來的刺激可能是已經形成的大質量恆星所發出的恆星風，可能是螺旋星系的旋臂密度波，也可能是大質量恆星死亡後發生的超新星爆炸。因此，雲氣的質量決定了恆星誕生的難易。要是雲氣的質量夠大，在收縮的過程中會持續分裂成更多的雲塊，各自形成恆星，整體則成為星團。

然而仔細計算後發現，氣體或重子物質是太少了，它們之間的引力遠不足以形成今天如此眾多的可見星系；但是如果將暗物質考慮在內，引力則會大大增加。也就是說，暗物質能率先形成團塊結構。在這種暗物質團塊引力的幫助下，氣體才可能形成星體。

僅管科學家還不清楚暗物質（dark matter）的性質，但是兩位科學家Berkeley大學的Chung-Pei Ma和MIT的Ed Bertschinger在四月份美國物理學會的會議中發表了他們研究暗物質繞可見星體（例如恆星等）所產生的行為，發現這些暗物質會慢慢聚成一團來行動。在電腦模擬下，發現這些暗物質運動行為就像是氣體分子在進行布朗運動一樣。過去天文學家認為暗物質會聚集到可以包圍住整個銀河系，而這兩位科學家的模擬可能顯示這些暗物質會聚集成比太陽重上百萬倍的型態繞著銀河系來運行。

由此可知道，有形物質的世界的誕生及存在要靠暗物質這位老大的臨門一腳。所以說，人類雖然不是由暗物質構成的，但是如果沒有暗物質，可能就沒有我們今天賴以生存的星球。

無形運化有形

天文學家也發現宇宙的另一個發現，那就是暗能量，不同於暗物質，暗能量最早來自理論猜測。第一篇現代宇宙學的論文，即愛因斯坦1917年2月8日發表的論文中，引進了一個新物理參數，他稱之為「普適的，但如今尚屬未知的常數」。這就是後來稱為宇宙常數，也稱為暗能量的濫觴。愛因斯坦為了不使星球由於相互間的吸引力而擠到一起，設想宇宙中應該還存在一種排斥力，它與引力相對抗，從而使宇宙保持穩定一個未知常數的目的，是為了使他的理論能描繪出一個靜態的宇宙。但1929年，哈伯（E. Hubble）發現，宇宙並非靜態，而是在膨脹。

宇宙常數的確不十分討人喜歡，它的性質極為反常。普通的物質（重子及暗物質）具有正的質量和正的壓力，而對宇宙常數來說，如果它的質量是正的，壓力就是負的。反之，如果壓力是正，質量就是負。所以，宇宙常數在宇宙學中的待遇並不好，它常常被假定為零，即不存在。

科學家歷經多年的探索，得到的結論是，宇宙常數不僅不能遺棄或禁錮，而且，它才真正是現今宇宙的主導。

1990年代初，天文學家在研究星體形成時發現，當宇宙中有70%的質量來自於宇宙常數時，這會是一個很好的模型。它能統一、協調地解釋許多不同的觀測結果。不過那時還沒有旁證，特別是當時還沒有證實宇宙常數的一個最主要的效應：宇宙加速膨脹。由正質量正壓力物質構成的宇宙，膨脹總是減速的，而如果宇宙質量由宇宙常數主導，膨脹便會加速。

暗能量的存在，可與物質間的重力相互抵銷，科學家經過反覆的驗證，其中檢驗加速減速最直接的方法，就是比較宇宙早期和晚近的膨脹速度。觀察早期宇宙，要靠極亮的天象，超新星爆發就是其中一種。根據北宋天文官員的記錄，公元1054年銀河系中的一個超新星爆發，「晝見如太白……色赤白，凡見二十三日」，這個超新星爆發的遺跡稱為蟹狀星雲。1995年超新星宇宙學研究開始起步，它的主要工作是搜尋在遙遠星系中的超新星爆發；到了1998年，已經發現了數十個這類爆發，進而比較宇宙早期和晚近的膨脹速度，從這些成果的確可以得出宇宙膨脹愈來愈快的結論。

另外在2003年7月，美國賓州匹茲堡大學Ryan Scranton等天文學家表示：他們發現了宇宙中可能遍佈暗能量的另一項直接證據！他們將史隆數位巡天計畫（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）所拍攝到的2500萬個明亮紅色星系，與威金森微波各項異性探測衛星（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）所偵測的宇宙微波背景溫度圖，兩者進行相互交叉比對之後，發現這兩組資料在統計上有明顯的正相關，與所謂的ISW效應（Integrated Sachs-Wolfe effect）一致，因此若宇宙確實為平坦的（flat），則此種效應是暗能量存在的直接物理證據。

如今這些探索終於可以結束了，科學家們無需再去證明“暗能量”的存在了，而是要去探討其構成，如暗能量的本質是什麼？從何而來？存在於宇宙何處？以及它對於揭示宇宙誕生和進化的意義。

初步看來，科學家共同的認定是『暗能量是具有調和及維持宇宙平衡的能力』。這個概念是否和本教教義的無形運化有形有異曲同工之處呢?

結論

宇宙主導成份是「暗」的，重子佔極少數。這裡「重子物質」指的是質子、中子以及由它們構成的各種物體，例如人的身體就是由重子所構成的。所以，從宇宙學的眼光來看，人類真正是由稀有物質構成的。暗物質很多，也許就在你身邊，但是一般人的肉眼是看不到的。暗能量更是處處皆有，包括在你的身體裡，而且你也不會有任何感覺。

經過我們對暗物質和暗能量的了解，是否會覺得其也有「無形涵蓋有形，無形運化有形，無形創造有形」的感覺呢?

參考文獻

1.新境界

2. B.R. Oppenheimer, N.C. Hambly, A.P. Digby, S.T. Hodgkin, and D. Saumon Science vol.292,pp.698-702,2001

3. Charles S. Science, vol.303 , pp.1746, 2004

4.Jeremiah P. Ostriker and Paul Steinhardt, Science vol.300 pp. 1909 -1913 2003

5.1994 年本教和美國太空總署的科學家合作有關『慧星撞木星』的計劃之相關聖訓

附錄

本教在1994年和美國太空總署的科學家合作有關『慧星撞木星』的計劃，如何透過無形的運化力量來改變慧星行徑的狀態，希望能有直接的證明無形如何利用神力來運化有形，這是本教有關宇宙運行的最詳細的記載。

其中有關『黑暗物質』的聖訓如下：

1、當慧星逼近木星附近，由於受到宇宙間『黑暗物質』之影響，…

此黑暗物質即本教所謂『旋風軌道』區域，亦為無形、有形次元之間的能量轉換區。