推 rainy75:他是我老闆，想要他簽名的人可以找我!! 10/15 01:12
推 silvano0952:希望 這是錯的 10/15 01:43
推 silvano0952:不然 幾百億年後 所有物質都會被黑暗能量 粉碎成 10/15 01:44
推 silvano0952:基本粒子 lol 10/15 01:44
千年的追尋
黃崇源 寫於 2011年10月14日 21:41
http://0rz.tw/Ynurk (Original Link)
能不受重力影響，而自由漂浮遨翱空中，應是人類的夢想。自古以來，人們便一直在思考
與尋找，世上是否存在能抵抗重力的物質。亞里士多德觀察天體的運行，而猜測有一種第
五元素或稱為以太的東西能够抵抗重力，使天體能在天空運行而不掉落塵世。二千年來，
類似的概念，不只一直存在文學的想像中，也曾多次被哲學和科學理論提出又放棄。直到
西元1998年，天文學家終於發現，宇宙中真的存在一種類似以太概念的物質，並稱它為黑
暗能量。黑暗能量具有特殊而能抵抗重力的性質，使得我們的宇宙處在加速膨脹的狀態，
而非如過去所預期的減速膨脹。今年的諾貝爾物理奬，特別頒獎給三位發現黑暗能量的天
文學家，以表彰他們對這個千古以來的問題的重大貢獻。
現代人大都知道，蘋果會由樹上掉下來，是因為蘋果受到地球的萬有引力吸引。而且我們
知道所有的物質，包括蘋果和地球都具有萬有引力。但回想在牛頓發現萬有引力之前，人
們會如何看待蘋果會往下掉這件事呢？大部份的人應該都會直覺地認為蘋果往地下掉是很
正常的。反而，假如蘋果會停在半空中而不掉下來，那才奇怪吧！這應該也是二千多年前
，希臘著名的哲學家亞里士多德的想法。
古代印度和希臘哲學家都認為物質是由地、水、火、風四大元素所構成。亞里士多德卻從
觀察地面上物體和天體的運行，提出了第五元素的想法。他認為由四大構成的世間物質，
都會往地上掉。但日月星辰等天體卻不會掉到地上來，因此他認為這些天體或甚至整個天
空都是由另外一種元素，也就是所謂的第五元素(Quintessence)所構成的。當時這第五種
元素被稱為以太(Aether或Ether)。簡單的講，亞里士多德嚐試用第五元素去解釋，天體
運行這種不同於塵世的現象。塵世中蘋果往下掉的這種自然現象是來自重力，所以第五元
素想要解釋的其實就是天體不會往下掉，這種看似違反重力法則的現象。雖然亞士多德的
所描繪的以太或第五元素尚有許多性質，但從後人的角度來看，第五元素的一個主要特點
就是在於它的反重力本質。
牛頓發現萬有引力和三大運動定律後，人們了解天體跟地球上的物質一樣具有重力。天體
之所以不往下掉，並不是因為它們是由具反重力性質的第五元素所構成，而是因為它們所
受的重力正好成為它們圓周或曲線運動所需的向心力。因此第五元素的反重力概念在牛頓
後，就被人抛棄，不再受重視。但天空中充滿著一種以太物質的概念卻仍被保留下來。
十九世紀，人們發現光的波動性質。當時已知的波（像水波和聲波），都需要靠著介質才
能傳播。當時認為光就是藉著充滿著宇宙的以太來傳播。但十九世紀末的許多實驗都無法
證明以太的存在。特別是光速在不同速度的座標系下測量，卻都具有相同的速度的實驗結
果，完全無法用以太的概念來解釋。這也讓愛因斯坦抛棄以太的概念，而以光速不變的基
本假設，在西元1905年提出了狹義相對論。狹義相對論不只能解釋當時的實驗結果，且預
測了許多奇特的現象。例如像物體在高速運動下，長度會收縮而時間會延緩等。這些現象
也都在後來的一些物理實驗中被證實。因此充滿宇宙的以太概念在近代物理也完全被抛棄
。
愛因斯坦繼狹義相對論後，在西元1916年提出了用來描繪重力理論的廣義相對論。與牛頓
萬有引力的最大差別在於，在廣義相對論中，重力被認為是時空的一種幾何性質，而不是
與空間性質無關的一種力。廣義相對論預測了許多當時及後來被天文學家所觀測到的一些
非常奇異現象。像是黑洞及重力透鏡等。廣義相對論也是現代宇宙論中各種宇宙演化的理
論的基礎。
可是當愛因斯坦首次嚐試用他的廣義相對論來描繪整個宇宙時。他卻遇到了重大的困難。
因為他無法從他的廣義相對論方程式中找到一個靜止的宇宙的答案。為此他在他的方程式
中加上一個假設的宇宙常數，以便從理論得到一個穏定的宇宙的解。我們可以簡單地思考
一下宇宙常數所隱藏的物理意義。我們知道宇宙中存在有許多物質，如太陽，星星，星系
等等。而且物質間存有萬有引力，彼此互相吸引。但牛頓第二定律告訢我們，f=ma，所以
受到重力的物質一定會有加速度。也就是說只受到重力作用的物體不可能是靜止的。因此
簡單的說，宇宙常數的作用就是在抵銷掉物質間的彼此萬有引力的作用，才能讓愛因斯坦
找到一個靜止的宇宙的解。所以從概念來說，宇宙常數就如同第五元素一般具有反重力的
特質。
愛因斯坦提出宇宙常數後沒多久，哈伯發現除了少數近距離的星系外，所有的星系都有紅
移現象(redshift)。也就是說我們所測量到的星系的光線波長，都有變長的趨勢。而且距
離我們愈遠的星系，其紅移愈大。這就是著名的哈伯定律。哈伯定律最合理的解釋就是宇
宙正在膨脹。一個膨脹的宇宙就不需要宇宙常數來達成平衡或靜止。因此哈伯定律的發現
，讓宇宙常數的提出成為愛因斯坦口中一生最大的錯誤。這種具有反重力性質的宇宙常數
，也再次被抛棄。
宇宙雖然在膨脹，但因宇宙中存在有許多物質，理論上物質間的萬有引力應該會使宇宙的
膨脹速度愈來愈慢。但在二十世紀末，天文學家沙爾伯爾穆特(Saul Perlmutter)、布萊
恩施密特(Brian P Schmidt)、與亞當黎斯(Adam Guy Riess)等人卻發現宇宙的膨脹速度
正在加快。宇宙實際上是在加速而非如預期般受到重力吸引而減速膨脹。這也意味著宇宙
中存在著某種排斥力，如同第五元素或宇宙常數一樣，能克服物質的萬有引力吸引，而使
得宇宙能加速膨脹。因為這個發現實在太驚人了，沙爾伯爾穆特等人因此共同榮獲2011年
諾貝爾物理學獎。
但沙爾伯爾穆特等人是如何量出宇宙的加速膨脹？他們實際上是透過觀測遙遠的Ia型超新
星而發現了宇宙加速膨脹。
一般人提到超新星，所想到的，大都是發生在重質量星球演化末期的核塌縮型超新星。重
質量星球在演化末期，星球核心融合產生鐵後，就無法進一步利用核融合反應來產生能量
。這時星球核心因為沒有新的能量來源，無法抵抗外部的重力而塌陷成中子星或黑洞。而
引力塌縮所釋放的重力位能會造成星球外層物質的往外爆炸。這就是所謂的核塌縮型超新
星的爆炸。包括Ib、Ic、及II型的超新星都是屬於核塌縮型超新星。
而Ia型超新星的成因則與核塌縮型超新星完全不同。它是因為白矮星失控的熱核融合所造
成的星球瓦解。我們知道，白矮星主要是由碳和氧所構成，而白矮星中心是靠著電子的簡
併壓力來抵抗重力的塌縮而維持平衡。所謂簡併壓力是來自量子效應的一種壓力。我們知
道運動中的電子(或其它粒子)，會不停的撞擊物體，產生動量變化，因此會施壓力在物體
上。一般的情形，粒子的運動主要是因為溫度造成的，稱為熱壓力。但從量子力學的測不
準原理，我們有 dp dx > h/2的關係。這也表示一個粒子，在任何狀態下，它都至少會
具有一定大小的隨機而不規則的動量dp > h/2dx。這種動量是來自粒子的量子效應，它與
粒子的其它物理狀態像溫度等無關。當物體密度愈大，粒子的位置不準度愈小，也就是dx
愈小時，dp就愈大，即粒子擁有的量子動量愈大。由dp所造成的壓力稱為簡併壓力。當物
體的密度很大，使得測不準原理所造成的動量大於溫度所造成的動量時，物質的壓力主要
是來自測不準原理所形成的壓力，這時物質就是處在簡併態。
在Ia型超新星爆炸前，它是一個包含一個白矮星的一個密近雙星系統。如果在這個密近雙
星系統中，白矮星可以吸積其伴星或周圍的物質而使得本身的質量增加。則當其可持續吸
積而使得白矮星的質量大於約1.4倍太陽質量，也就是所謂的錢卓極限(Chandrasekhar
limit)時，這時白矮星的重力壓力會大於電子的簡併壓力而造成核心的塌陷。此時，塌陷
的核心溫度升高而點燃碳的核燃合反應。但因此時的核心是由簡併壓力支撐，所以其氣體
壓力與溫度無關。因此，核心不會因為溫度升高而膨脹。但核心的核融合反應卻會因溫度
升高而產生急速的連鎖反應。事實上，碳的核融合所放出的能量會幾乎同時點燃了氧及矽
的融合。所以整個白矮星的核融合反應幾乎同時完成。這過程會將白矮星的碳和氧在極短
時間內完全融合成鐵！整個白矮星的碳和氧融合成鐵所放出的能量會大於整顆白矮星的重
力朿縛能。因此整個星球會炸開，而形成所謂的Ia型超新星爆炸。
Ia型超新星所放出的能量，基本上等於把一個錢卓極限質量(1.4個太陽質量)的碳和氧融
合成鐵所放出的能量。碳12的原子量為12，氧16的原子量為15.995，而鐵56的原子量為
55.9349。因此整個星球的質量損失率約為0.1%。由星球總質量(1.4個太陽質量)，我們便
可推測出整個Ia型超新星爆炸所放出的總能量。因為其放出的能量是很固定，因此可以被
當成一個標準蠟燭(Standard Candle)來做距離的測量。也就是說因為我們知道Ia型超新
星實際光度，所以我們就可以從所觀測到的Ia型超新星的亮度來估計它們的距離。又因其
放出的能量很大，所以可以在很遠的距離被觀察到，因此在宇宙學的研究上非常重要。其
中一個最重要的結果就是在1998年，沙爾伯爾穆特等人利用Ia型超新星的觀測，發現遙遠
星系上的超新星，其亮度比預期的暗。Ia型超新星的亮度看起來比預期的暗，意味著它的
距離比我們預期的遠。也就是說宇宙膨脹的速度比預期的快很多。從理論與數據的比較，
發現宇宙不僅不如預期般受到重力吸引而減速，反而是在加速膨脹中。也因此推測宇宙中
存在著能讓宇宙加速膨脹的黑暗能量(dark energy)。
黑暗能量的存在，也可以從宇宙背景輻射的觀測獲得佐證。近幾年一些新的宇宙背景輻射
的觀測，証實了我們所觀測到的宇宙是平坦的。也意味著我們宇宙的密度等於臨界密度。
雖然從背景輻射的觀測，我們知道宇宙的密度應該就等於臨界密度。但我們實際可觀測到
的物質僅佔約於4%的臨界質量。另外有23%左右的黑暗物質和73%左右的黑暗能量。黑暗物
質雖然看不到，但就如同一般物質具有引力的性質。而佔宇宙密度73%左右的黑暗能量則
具有排斥力的性質。
雖然人們常說黑暗能量具有反重力的性質。但黑暗能量並不是沒有重力或是具有排斥形式
的重力。事實上，黑暗能量跟一般物質一樣具有重力，它能提供宇宙百分之七十三左右的
物質和重力讓宇宙成為平坦。相反的，如果黑暗能量沒有重力或是具有排斥形重力，那宇
宙將是開放而非平坦。比較正確的講法應該是說黑暗能量具有負壓力。而這負壓力則供宇
宙加速膨脹的排斥力。
但為何黑暗能量會有負壓力？要理解黑暗能量的負壓力，我們可以先考慮一個正常的物質
，例如在一個容器或氣球裏的理想氣體。當理想氣體膨脹時，它會對外界作功而損失能量
，而且其損失的能量跟壓力及膨脹的體積成正比，也就是，dE=-PdV。氣體膨脹，體積變
大，即dV > 0。但氣體損失能量，所以dE 為負值。因此理想氣體的壓力是正壓力，也就
是我們所熟知的理想氣體方程式，P = nRT。但對一些可能的黑暗能量的來源，例如宇宙
常數，或是能量密度為定值的黑暗能量，其能量的大小是與宇宙的體積成正比。因此當宇
宙膨脹時，黒暗能量會隨宇宙體積的增加而增加。如果黑暗能量的能量密度為e，則宇宙
增加的能量dE=edV。跟dE=-PdV比較，我們發現，P=-e。也就是宇宙常數型式的黑暗能量
具有負壓力。也就是說一個有負壓力的宇宙，當其膨脹時，能量是增加而不是減少。當其
增加的能量大到能够抵銷掉物質間的重力位能時，宇宙就會加速膨脹。
黑暗能量的來源或形式為何，現在仍不清楚。一個可能的來源便是由愛因斯坦提出，但卻
是他口中，一生最大的錯誤的宇宙常數。宇宙常數型式的黑暗能量，其壓力與能量密度的
關係，也就是所謂的狀態方程式為，w = P/e = -1。比較詳細計算可以推出，只要 w <
-1/3，宇宙即可加速膨脹。不同數值的w代表著不同形式的黑暗能量。目前更精確觀測所
得到的數據大都認為，w約等於-1，也就是與宇宙常數的理論一致。
但宇宙常數的來源是什麼？目前仍一無所知。從量子場論的角度來看，每一種量子力場都
會有一個真空能量。而宇宙常數可能就是量子場論裏的真空能量。但目前估計的真空能量
大小跟實際的宇宙常數，差了超過一百次方。這可能代表二者完全沒關係。或者是我們對
場論或宇宙常數的認知，在某些地方有嚴重的問題。宇宙常數或許包含著連結量子場論與
重力理論的大統一理論的關鍵。
黑暗能量或宇宙常數從概念上來講，在某些方面，其實非常類似二千年前所提出的第五元
素或以太。千百年來，在找尋反重力現象及宇宙學的研究上，這些類似的概念，曾多次被
提出又抛棄。雖然我們對宇宙認知，千百年來早已天差地遠。但第五元素或以太的概念，
每次都能以不同的面貌出現，嚐試來解決當時的最大難題。黑暗能量的發現，是這概念，
首度能以科學方法証明，也成為現今我們對宇宙學研究的一個最重大發現。就像浩瀚的宇
宙，隨時都會給人異想不到的驚奇。
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轉貼者備註:
我覺得此篇寫得非常非常的精彩，把今年諾貝爾物理獎得主的題目，從頭至尾，深入淺出
的帶過一遍，此篇文章非常的簡練，裡面有的只是易懂清晰的白話文筆，且內容身為一個
專業的天文物理學家所引領，觀念正確性也非常清楚。
講的是天文歷史，用的是小說筆法，但卻也沒省略了天文上的物理觀念。
且也只有非常非常本科專業的人，才有可能把很難的東西盡可能的用簡單的語法描述出來
。且不會有模稜兩可跟似懂非懂的觀念在裡面。
仔細閱讀完，知道的並不只是宇宙"加速"膨脹，更基礎整合了這千年來的天文發展。
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作者為中央大學天文所副教授 (已徵詢引用同意)
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