面對這六個問題，物理學家寢食難安

昨天我們介紹了物理學的六個原理，基於這幾個原理，物理學家發展了標準宇宙學模型和粒子物理學的標準模型。用一張圖概括如下：

這兩個理論都出色的扮演著自己的角色，精確地描述著這個宇宙的運作方式。這是許多人奉獻出了自己一身的時間在研究著當時看起來對實際生活毫無作用的基本問題的智慧結晶。但是，自然遠遠比我們聰明，每當我們自以為解開了謎題的時候，往往是打開了一個通往更深層次的問題的大門。幸運的是，我們這一代人更加的謙遜，沒有人會公開發言說：「現在的物理學中已不會再有什麼新發現，所剩之事只是測量精度的不斷提高而已。」

- 問題 1 -

暗物質

地球繞著太陽旋轉，它的速度取決於距離、太陽的質量和引力強度（自然界中的普適常數）。這裡並不需要用到複雜的廣義相對論，只要用牛頓引力就可以計算出。以太陽係為例，離太陽越遠，行星的運動速度越慢：

△ 隨著距離的增加， 行星的運動速度會越來越慢。（圖片來源：James Schombert）

同樣的定律也可以被應用在遙遠的星系團中。在星系團中的單獨星系會繞著共同的質心運動。在1930年代，天文學家Fritz Zwicky發現在后髮星系團中，外層的星系運動速度遠遠超過了星系團質量所允許的。到了1970年代，Vera Rubin在類似銀河系的螺旋星系中發現了同樣的現象，並推斷在星系中應該存在著大量看不見的物質。

△ 理論預測星系的旋轉速度會隨著距離遞減（紅色曲線），但實際觀測到則完全出乎意料（白色曲線）。如果沒有額外的質量提供引力，那麼星系早已分崩離析。

雖然我們看不見這些「暗物質」，但是我們可以觀測和測量它的引力效應。它佔據了宇宙總質量和能量的26.8%。顯然，粒子物理學的標準模型中的基本粒子無法為此買單。但是，目前所有嘗試探測超越標準模型的暗物質粒子，或者試圖利用高能粒子對撞中產生暗物質粒子，都毫無收穫。暗物質模型正面臨著最嚴峻的考驗。

? 擴展閱讀：《探索宇宙的黑暗面》

- 問題 2 -

暗能量

△ 被拉伸的光線。（? E.Siegle）

在1998年，有兩個科研小組通過對遙遠的超新星爆發的測量得出了一個結論：雖然預計這些超新星發出的光在到達地球的時候被拉伸，但意想不到的是，拉伸的程度比先前預測的要多。換句話說，宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹！科學家把造成加速膨脹的幕後黑手稱為「暗能量」。暗能量支配著宇宙的命運，佔據了宇宙總質量和能量的68.3%。

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△ 真空漲落。（? Derek Leinweber）

但暗能量究竟是什麼？一個最簡單的答案是真空能量，這其實是對愛因斯坦一個舊思想的復甦。為了使宇宙看起來是靜態的，愛因斯坦在方程中加入了一個宇宙學常數。根據量子力學，真空本身會有微小的漲落。在廣義相對論中，這些微小的量子漲落會產生能量，可以充當宇宙學常數的角色。但是，基於量子力學計算的真空漲落的值要比實際觀測的能量密度高出120個數量級，這個結果被驚嘆為「物理史上最糟糕的理論預言」。這便是宇宙學常數問題。但宇宙學常數並不是唯一的選擇，也有可能暗能量其實是一種「精質」（quintessence），這是一種自然界中未被發現的第五種力。這兩個解決方案都遇到了各自的問題，因此物理學家提出了其它的可能性。

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