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從黑洞自旋速度推估「暗物質」的可能真面目!——極輕玻色子

ntucase_96
・2021/11/12 ・2341字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 撰文|劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報 《宇宙中的旋轉木馬——利用黑洞尋找暗物質

空無一人的遊樂園中,旋轉木馬快速的旋轉著。突然,憑空出現一群小孩跳上木馬,從旋轉木馬獲得高速後,又集體跳下,一哄而散,只留下轉速驟降,緩慢旋轉的木馬……。這看似荒誕的場景,卻是理論預測可能在宇宙中隨時發生的事。其中旋轉木馬指的是什麼?憑空出現的孩子們又代表了誰?

圖/pixabay

在生活的周遭,我們能夠感受到(看到、摸到)某個東西存在。是因為構成我們周遭世界的粒子,幾乎都會透過電磁力互相作用。但是在廣闊的宇宙中,這樣的物質只佔總數的 15%,剩下 85% 物質,我們摸不到、看不到,因此被稱為「暗」物質。科學家透過天文觀測證據,推測在宇宙中必須存在龐大數量的暗物質,它們提供的重力,使各個星系不至於分崩離析。因此,暗物質是種「我們知道它應該要存在,但又不知道它是什麼」的東西,是當下最前沿的物理學研究在嘗試明白的重要議題。關於暗物質的真面目,目前有各種物理模型嘗試描述,其中一模型預測了一種假想粒子:「極輕玻色子[1]」。

印度物理學家-薩特延德拉·納特·玻色,他的量子物理研究為愛因斯坦凝聚理論提供了基礎;玻色子就是以他的名字為命名依據。
(圖/維基百科

暗物質的可能真面目——極輕玻色子

在基本粒子中,電子的質量已經算是較輕的。而極輕玻色子,它的質量大約只有電子質量的 10 億分之一,因此稱它為「極輕」,和其他理論模型預測的大質量暗物質候選人區隔。由於他們幾乎不跟周圍的物質發生交互作用,因此到目前為止,科學家尚無法確認這種粒子究竟存不存在。如果存在,那它們很有可能就是暗物質的真面目。

面對這種未知,科學家們是如何尋找暗物質的呢?其中一種策略是「排除法」。想像我們有天回家時發現手機不見了,理論上來說,手機可能出現的地方有無數個,但我們會透過回憶、親朋好友的描述,來限縮手機可能出現的範圍,如此就能避免海底撈針的窘境,大大增加了找到的可能性。

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根據理論推估,極輕玻色子的質量範圍可能落在 10-33-10-6 電子伏特這麼龐大的範圍之中。科學家目前正嘗試用各種方法,有的經由設計精密的實驗對特定質量範圍進行地毯式搜索,有的透過天文觀測數據嘗試去限縮可能的質量範圍。在《物理評論快訊》4 月的一篇論文中[2],麻省理工學院-雷射干涉引力波天文台(LIGO)實驗室的科學家,利用「黑洞」來搜尋這種極輕粒子。這種概念聽起來十分不可思議,黑洞的質量至少是電子的倍,比極輕玻色子的質量至少大了 70 個數量級,作為對比,一個成年人和太陽質量大約只差了 30 個數量級。如此一個超級巨型的天體,是如何與微觀世界的基本粒子扯上關係的呢?這要提到量子理論預測的神奇現象:「超輻射(Superradiance)」。

麻省理工學院-雷射干涉引力波天文台(LIGO)。(圖/ LIGO

超輻射與黑洞自旋速度

量子理論告訴我們,在非常小的尺度下,古典理論將會失效,我們不再能將粒子視為一個單一質點。這個尺度被稱為康普頓波長(Compton Wavelength),它和粒子的質量成反比。質量極小的極輕玻色子,所對應的康普頓波長則非常大。對於特定質量的玻色子,其康普頓波長會和黑洞的尺寸差不多。當這個條件滿足,超輻射便會發生:黑洞附近強大的重力場,從真空中產生數量龐大的玻色子向外輻射出。這些玻色子,會將黑洞的能量帶走,使其自旋減慢。根據科學家的估計,這個減速作用可以持續數千年,使黑洞的自旋速度明顯減慢。

(圖/ pixabay

黑洞的自旋速度,可以透過分析 LIGO 偵測器訊號得知。LIGO 偵測器主要偵測黑洞、中子星互相環繞、合併所放出的微弱重力波訊號(關於重力波偵測器的更多詳細介紹,可參考 CASE:「愛因斯坦預測成真:首次偵測到重力波訊號」及相關系列文章)。研究團隊分析了 45 組黑洞互繞事件,這些黑洞具有 10-70 倍太陽質量。這對應到和它們發生交互作用的玻色子質量介於電子伏特。

其中有兩個黑洞,被發現以非常高的轉速在旋轉著。若是這個質量範圍的玻色子確實存在,那這些黑洞速度應該被減速至一半以下。因此,這兩個高轉速黑洞的存在,暗示著沒有與其發生交互作用的極輕玻色子。那有沒有可能黑洞的確被減速,但存在其他加速機制使黑洞又重新被加速?例如藉由吸入大量吸積盤[2]物質,獲得能量及動量?研究團隊也對此進行了仔細的估算,發現各種重新加速的機制,皆要耗費極長時間才能加速到現在的速度,這種可能性微乎其微。因此,這兩個高轉速黑洞的存在,基本上可以排除了特定範圍的極輕玻色子質量範圍。

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這個實驗協助縮小了搜尋極輕玻色子的質量範圍,也是首個利用黑洞重力波資訊尋找暗物質的嘗試,可以說是一個重力波實驗與粒子物理很棒的跨界合作!

註解

  1. 在量子力學中,粒子可被分為「費米子」、「玻色子」,兩者具有截然不同的性質。若以比喻的說法,費米子較為孤僻,不喜歡大量群聚;玻色子則恰恰相反。
  2. 在黑洞周圍,受黑洞強大重力吸引的物質所形成的圓盤狀結構。

參考資料

  1. Fast-spinning black holes narrow the search for dark matter particles
  2. K. Y. Ng et al. , Constraints on Ultralight Scalar Bosons within Black Hole Spin Measurements from the LIGO-Virgo GWTC-2, Phys. Rev. Lett. 126, 151102. 2021
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ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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快速通道與無盡地界:科幻作品裡的黑洞——《超次元.聖戰.多重宇宙》
一起來
・2024/02/08 ・4428字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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星際捷徑

一個無底深淵怎能成為星際飛行的捷徑呢?原來按照愛因斯坦的理論,黑洞是一個時空曲率趨於無限大——也就是說,時空本身已「閉合」起來的區域。但往後的計算顯示,若收縮的星體質量足夠大的話,時空在閉合到某一程度之後,會有重新開敞的可能,而被吸入的物體,將可以重現於宇宙之中。只是,這個「宇宙」已不再是我們原先出發的宇宙,而是另一個宇宙、另一個時空(姑毋論這是甚麼意思)。按照這一推論,黑洞的存在,可能形成一條時空的甬道(稱為「愛因斯坦-羅森橋接」),將兩個本來互不相干的宇宙連接起來。

這種匪夷所思的推論固然可以成為極佳的科幻素材,但對於克服在我們這個宇宙中的星際距離,則似乎幫助不大。然而,一些科學家指出,愛因斯坦所謂的另一個宇宙,很可能只是這一宇宙之內的別的區域。如果是的話,太空船便可由太空的某處飛進一個黑洞之內,然後在遠處的一個「白洞」(white hole)那兒走出來,其間無須經歷遙遠的星際距離。把黑洞和白洞連結起來的時空甬道,人們形象地稱之為「蛆洞」、「蛀洞」或「蟲洞」(wormhole)。

科幻作品裡常以穿越蟲洞作為星際旅行的快速通道。圖/envato

「蛆洞」是否標誌著未來星際旅行的「捷徑」呢?不少科幻創作正以此為題材。其中最著名的,是《星艦奇航記》第三輯《太空站深空 9 號》(Deep Space Nine, 1993-1999),在劇集裡,人類發現了一個遠古外星文明遺留下來的「蛆洞」,於是在旁邊建起了一個龐大的星際補給站,成為了星際航運的聚散地,而眾多精彩的故事便在這個太空站內展開。

我方才說「最著名」,其實只限於《星艦》迷而言。對於普羅大眾,對於「蛆洞」作為星際航行手段的認識,大多數來自二○一四年的電影《星際效應》(Interstellar,港譯:《星際啟示錄》),其間人類不但透過蛆洞去到宇宙深處尋找「地球 2.0」(因為地球環境已大幅崩壞),男主角更穿越時空回到過去,目睹多年前與年幼女兒生離死別的一幕。電影中既有大膽的科學想像,也有感人的父女之情,打動了不少觀眾。大家可能有所不知的是,導演基斯杜化.諾蘭(Christopher Nolan, 1970-)邀請了知名的黑洞物理學基普.索恩(Kip Thorne, 1940-)作顧問,所以其中所展示的壯觀黑洞景象,可不是憑空杜撰而是有科學根據的呢!

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星際效應裡的黑洞景象。圖/wikimedia

那麼蛆洞是否就是人類進行星際探險的寄託所在呢?

然而事情並非這麼簡單。我們不要忘記,黑洞的周圍是一個十分強大的引力場,而且越接近黑洞,引力的強度越大,以至任何物體在靠近它時,較為接近黑洞的一端所感受到的引力,與較為遠離黑洞的一端所感受到的,將有很大的差別。這種引力的差別形成了一股強大之極的「潮汐張力」(tidal strain),足以把最堅固的太空船(不要說在內的船員)也撕得粉碎。

潮汐張力的危險不獨限於黑洞,方才提及的中子星,其附近亦有很強的潮汐力。 拉瑞.尼文(Larry Niven, 1938-,港譯:拉利.尼雲)於一九六六年所寫的短篇〈中子星〉(Neutron Star),正以這一危險作為故事的題材。

尤有甚者,即使太空船能抵受極大的潮汐力,在黑洞的中央是一個時空曲率趨於無限,因此引力也趨於無限的時空「奇點」(singularity)。太空船未從白洞重現於正常的時空,必已在「奇點」之上撞得粉碎,星際旅程於是變了死亡旅程。

然而,往後的研究顯示,以上的描述只適用於一個靜止的、沒有旋轉的黑洞,亦即「史瓦西解」所描述的黑洞。可是在宇宙的眾多天體中,絕大部分都具有自轉。按此推論,一般黑洞也應具有旋轉運動才是。要照顧到黑洞自旋的「場方程解」,可比單是描述靜止黑洞的史瓦西解複雜得多。直至一九六三年,透過了紐西蘭數學家羅伊・卡爾(Roy Kerr, 1934-)的突破性工作,人類才首次得以窺探一個旋轉黑洞周圍的時空幾何特性。

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圖/envato

旋轉的黑洞

科學家對「卡爾解」(The Kerr solution)的研究越深入,發現令人驚異的時空特性也越多。其中一點最重要的是:黑洞中的奇點不是一個點,而是一個環狀的區域。即只要我們避免從赤道的平面進入黑洞,理論上我們可以毋須遇上無限大的時空曲率,便可穿越黑洞而從它的「另一端」走出來。

不用說,旋轉黑洞(也就是說,自然界中大部分的黑洞)立即成為科幻小說作家的最新寵兒。

一九七五年,喬.哈德曼(Joe Haldeman,1943-)在他的得獎作品《永無休止的戰爭》(The Forever War, 1974)之中,正利用了快速旋轉的黑洞(在書中稱為「塌陷體」——collapsar)作用星際飛行——以及星際戰爭得以體現的途徑。

由於黑洞在宇宙中的分佈未必最方便於人類的星際探險計劃,一位科學作家阿德里安.倍里(Adrian Berry,1937-2016)更突發奇想,在他那充滿想像的科普著作《鐵的太陽》(The Iron Sun, 1977)之中,提出了由人工製造黑洞以作為星際轉運站的大膽構思。

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要特別提出的一點是,飛越旋轉黑洞雖可避免在奇點上撞得粉碎,卻並不表示太空船及船上的人無須抵受極強大的潮汐力。如何能確保船及船員在黑洞之旅中安然無恙,是大部分作家都只有輕輕略過的一項難題。

此外,按照理論顯示,即使太空船能安然穿越黑洞,出來後所處的宇宙,將不是我們原先出發的那個宇宙;而就算是同一個宇宙,也很可能處於遙遠的過去或未來的某一刻。要使這種旅程成為可靠的星際飛行手段,科幻作家唯有假設人類未來對黑洞的認識甚至駕馭,必已達到一個我們今天無法想像的水平。

然而,除了作為星際飛行途徑,黑洞本身也是一個怪異得可以的地方,因此也是一個很好的科幻素材。黑洞周圍最奇妙的一個時空特徵,就是任何事物——包括光線——都會「一進不返」的一道分界線,科學家稱之為「事件穹界」(event horizon)。這個穹界(實則是一個立體的界面),正是由當年史瓦西計算出來的「史瓦西半徑」(Schwarzschild radius)所決定。例如太陽的穹界半徑是三公里,也就是說,假若一天太陽能收縮成一個半徑小於三公里的天體,它將成為一個黑洞而在宇宙中消失。「穹界」的意思就是時空到了這一界面便有如到了盡頭,凝頓不變了。

圖/envato

簡單地說,穹界半徑就是物體在落入黑洞時的速度已達於光速,而相對論性的「時間延長效應」(time dilation effect)則達到無限大。對太空船上的人來說,穿越界面的時間只是極短的頃刻,但對於一個遠離黑洞的觀測者,他所看到的卻是:太空船越接近界面,船上的時間變得越慢。

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而在太空船抵達界面時,時間已完全停頓下來。換句話說,相對於外界的人而言,太空船穿越界面將需要無限長的時間!

無限延長的痛苦

了解到這一點,我們便可領略波爾.安德遜(Poul Anderson, 1926-2001)的短篇〈凱利〉(Kyrie, 1968)背後的意念。故事描述一艘太空船不慎掉進一個黑洞,船上的人自是全部罹難。但對於另一艘船上擁有心靈感應能力的一個外星人來說,情況卻有所不同。理由是她有一個同樣擁有心靈感應能力的妹妹在船上,而遇難前兩人一直保持心靈溝通。由於黑洞的特性令遇難的一剎(太空船穿越穹界的一剎)等於外間的永恆,所以這個生還的外星人,畢生仍可在腦海中聽到她妹妹遇難時的慘叫聲。

安德遜這個故事寫於一九六八年,可說是以黑洞為創作題材的一個最早嘗試。

短篇〈凱利〉便是利用黑洞的特性——遇難的一剎等於外間的永恆——使生還者感受無盡的痛苦。圖/envato

太空船在穹界因時間停頓而變得靜止不動這一情況在阿爾迪斯一九七六年寫的《夜裡的黑暗靈魂》(The Dark Soul of the Night)中,亦有頗為形象的描寫。恆星的引力崩塌,在羅伯特.史弗堡(Robert Silverberg)的《前往黑暗之星》(To the Dark Star, 1968)之中卻帶來另一種(雖然是假想的)危險。故事中的主人翁透過遙感裝置「親身」體驗一顆恆星引力塌陷的過程,卻發覺時空的扭曲原來可以使人的精神陷於瘋狂甚至崩潰的境地。

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以穹界的時間延長效應為題材的長篇小說,首推弗雷德里克.波爾(Frederik Pohl, 1919-2013)的得獎作品《通道》(Gateway, 1977),故事描述人類在小行星帶發現了由一族科技極高超的外星人遺留下來的探星基地。基地內有很多完全自動導航的太空船,人類可以乘坐這些太空船穿越「時空甬道」抵達其他的基地,並在這些基地帶回很多珍貴的,因此也可以令發現者致富的超級科技發明。

故事的男主角正是追尋這些寶藏的冒險者之一。他和愛人和好友共乘一艘外星人的太空船出發尋寶,卻不慎誤闖一顆黑洞的範圍。後來他雖逃脫,愛人和好友卻掉進黑洞之中。但由於黑洞穹界的時間延長效應,對於男主角來說,他的愛人和好友永遠也在受著死亡那一刻的痛苦,而他也不歇地受著內疚與自責的煎熬。

故事的內容由男主角接受心理治療時逐步帶出。而特別之處,在於進行心理治療的醫生不是一個人,而是一副擁有接近人類智慧的電腦。全書雖是一幕幕的人機對話,描寫卻是細膩真摯、深刻感人,實在是一部令人難以忘懷的佳作。

圖/envato

由於這篇小說的成功,波氏繼後還寫了兩本續集:《藍色事件穹界以外》(Beyond the Blue Event Horizon, 1980)及《希徹會晤》(Heechee Rendezvous, 1984)。而且兩本都能保持很高的水準。

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時間延長效應並非一定帶來悲劇。在先前提及的《永無休止的戰爭》的結尾,女主角正是以近光速飛行(而不是飛近黑洞)的時間延長效應,等候她的愛侶遠征歸來,為全書帶來了令人驚喜而又感人的大團圓結局。

七○年代末的黑洞熱潮,令迪士尼(Walt Disney)的第一部科幻電影製作亦以此為題材。在一九七九年攝製的電影《黑洞》(The Black Hole)之中,太空船「帕魯明諾號」在一次意外中迷航,卻無意中發現了失蹤已久的「天鵝號」太空船。由於「天鵝號」環繞著一個黑洞運行,船上的人因時間延長效應而衰老得很慢。這艘船的船長是一個憤世疾俗的怪人,他的失蹤其實是故意遠離塵世。最後,他情願把船撞向黑洞也不願重返文明。

比起史提芬.史匹堡(Steven Spielberg, 1946-)的科幻電影,這部《黑洞》雖然投資浩大,拍來卻是平淡乏味,成績頗為令人失望。除了電影外,科幻作家艾倫.迪安.霍斯特(Alan Dean Foster, 1946-)亦根據劇本寫成的一本同名的小說。

這張圖片的 alt 屬性值為空,它的檔案名稱為 ___72dpi.jpeg

——本文摘自《超次元.聖戰.多重宇宙》,2023 年 11 月,二○四六出版,未經同意請勿轉載。

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暗能量是什麼?看不到也摸不著,我們該如何找到它?
PanSci_96
・2023/11/27 ・5683字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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愛因斯坦對於宇宙的理解錯了嗎?

愛因斯坦的廣義相對論重新改寫我們對於時間、空間、與質量的認知,也開啟我們對廣大宇宙研究的大門。

在宇宙物理學如同大霹靂快速發展之時,我們也發現愛因斯坦最早提出的宇宙模型,可能並不完全正確。

正確來說,我們發現我們過去對宇宙的理解,可能真的太少了。少到我們至今所觀測到的所有物質,可能仍不到整個宇宙組成的百分之五。並不是說這些能量或物質距離我們太過遙遠,而是他們可能就在附近,而我們卻全然不了解它。

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其中佔了將近宇宙組成七成的「暗能量」,到底是什麼來頭?我們能徹底了解它,同時能為我們宇宙的存在,提供一個正確的解釋模型嗎?又或者我們能掌握它,來改變宇宙的未來嗎?

暗能量(dark energy)到底是什麼?這聽起來有夠中二的名字,難道是暗影大人的新能力嗎?

其實暗能量的「暗」,指的是我們看不到也摸不到,用上各種波段的電磁波都察覺不到,甚至現今沒有任何儀器能偵測到它的存在。因為我們無法感受到它、不知道他們的型態,所以稱為暗能量。也就是說,如果暗影大人或是哪個最終 BOSS 的絕招是「暗能量波動」,當巨大的能量朝你襲來,不用擔心,站在原地就好,因為它只會穿過你的身體,打不中你的。同樣的,你可能聽過的「暗物質」,指的也是我們無法探知的未知物質。也就是說,暗物質並不是指某種特定物質叫做暗物質,任何我們現在還無法探測到的,都可能是暗物質的其中一種。題外話,近年某些暗物質面紗底下的容貌,已經逐漸能被我們窺見,例如微中子。這部分,之後我們介紹暗物質的節目中,再來好好討論,今天先來和大家聊聊佔了宇宙質能 7 成的暗能量。

矛盾大對決來了,既然我們摸不到,也看不到,我們怎麼知道暗能量存在,還是僅存在我們的中二想像中呢?我們得將時間回推到最早認為宇宙中有未知能量存在的那個人,他不是別人,就是鼎鼎大名的愛因斯坦。

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1916 年愛因斯坦推導出廣義相對論,解釋物質和能量如何影響時空的彎曲和演化。愛因斯坦當時認為,宇宙應該是靜態的,但是若宇宙中只有物質,宇宙應該會受重力吸引而塌縮,因此需要與反向的能量來平衡重力,這股能量平均地存在在空間當中。愛因斯坦當時引入了宇宙常數 Λ 來平衡他的靜態宇宙模型,而直到非常近期的 1998 年,暗能量 (dark energy) 這個詞才由物理學家麥可.特納提出。

在愛因斯坦之後,著名宇宙學家傅里德曼提出不同看法,他認為宇宙不一定是平衡的,也可能正在收縮或膨脹當中,並根據廣義相對論推導出 Fridemann 方程式,關於 Fridemann 方程式的故事,先前我們有好好介紹過。

暗能量不只存在於理論上的預測,同時期天文學家開始發現我們熟知的銀河系,並無法代表整個宇宙,原來夜空中很多像星雲的天體,其實是遙遠的星系!宇宙遠比以前認為得大的太多了!1929 年,哈伯進一步發現,這些星系竟然正在遠離我們而去,而且距離我們愈遠的星系,遠離的速度就愈快!宇宙竟然真的是以地球為中心,而地球利用強大的排斥力,將其他星系用力向外推開嗎?當然不是,想像一下,宇宙就像一個葡萄乾麵包,上面布滿的葡萄乾就是各種天體,當麵包發酵膨脹時,不論站在哪顆葡萄乾的視角,所有天體的距離都是互相拉遠,而且距離愈遠的天體,彼此遠離的速度就愈快。

也就是說,哈伯觀測到的結果顯示整個宇宙正在膨脹。但還有一個問題,就是這個宇宙的膨脹速度,是隨著時間經過越來越快的加速膨脹,還是膨脹速度正隨著時間在趨緩的減速膨脹呢?為什麼這個問題很重要?因為如果是減速膨脹,靠現有的重力理論就可以解釋,宇宙中天體所提供的重力,正在使宇宙減速膨脹,甚至宇宙的結局可能會是宇宙重新塌縮。但如果宇宙正在加速膨脹,那麼只考慮重力就不夠了,為了抵抗向內塌縮的重力,勢必要有一股力量要將宇宙向外加速推開。這時,就需要加入暗能量的存在了。

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宇宙真的正在加速膨脹?

為了確認宇宙正在減速或加速膨脹,好推算暗能量是否存在,科學家再次將目光投向宇宙深處。隨著觀測技術愈來愈進步,天文學家可以透過不同方式,觀測更早期的宇宙。

愈遠的天體發出的光,需要經過愈長的時間才能傳到地球。假設我們觀察離地球1億光年遠的星球,由於我們看到的影像是從星球出發後,經過 1 億年後才到達地球,因此在望遠鏡中看到的,其實是該星球一億年前的樣子。只要利用這點,如果我們將望遠鏡頭對向更加遙遠的宇宙深處,就能看到更早期的宇宙樣貌,幫助我們了解宇宙過去的樣子。

科學家主要透過三種方法,分別用來觀測晚期、中期、到早期的宇宙。第一種方法是觀測 Ia 型超新星爆炸,它指的是當一顆緻密白矮星到了生命末期,吸收大量鄰近伴星的氣體,使得內部重力超過某個極限,引發失控的核融合而形成的超新星爆炸。這個爆炸會在瞬間釋放出許多能量,亮度甚至可以媲美整個星系,因此即使是很遙遠的超新星也可以被地球觀測到。最受天文學家關注的是,因為每個 Ia 型超新星爆炸時產生的尖峰光度都相同,可以直接作為觀測或是亮度的比對參考點,又稱為標準燭光。當它離我們愈遠亮度就愈小,只要觀測亮度就可以得知它離我們的距離。

Ia 超新星殘骸。圖/wikimedia

接著,透過光譜分析,我們還能得到這個超新星遠離我的的速度。這就像是救護車在靠近和遠離我們的時候,警笛的聲音頻率會因為我們和救護車相對速度的改變而產生變化,同樣的道理放在電磁波上,當超新星遠離我們,電磁波頻譜的頻率會下降,我們稱為頻譜「紅移」。最後,只要我們同時觀測好幾顆超新星,並且量測每一顆的距離和遠離我們的速度,看看是不是真的離我們越遠的超新星離開的速度越快,就可以知道宇宙正在加速或是減速膨脹。

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第二種方法是觀測宇宙大尺度結構,宇宙中星系的分佈其實是不均勻的,有些地方有星系團,也有一些地方是孔洞,整個宇宙就像是網子一樣。這是因為宇宙在形成星系時,向內的重力以及向外的氣體與光壓力會彼此抗衡,就像我們在擠壓彈力球一樣,向內壓時內部壓力會增強,導致物質向外拋射,壓力減弱後又會停止拋射,這樣來回震盪的過程,就在宇宙中形成一個個震波漣漪,稱為重子聲學振盪(BAO,baryon acoustic oscillations)。有趣的是,當好幾個地方都在震盪,就會產生類似好幾個水波互相撞在一起的干涉現象。而這個宇宙規模的超大水波槽中,波腹部份聚集較多物質就會形成星系團,波節部份不足以形成星系就形成孔洞,是不是覺得我們的宇宙就像是一鍋湯,而我們只是裡面毫不起眼的一顆胡椒粒呢?不過即使是連一粒胡椒都不如的我們,透過觀測宇宙星系分布並透過理論計算,人類科學家還是可以得知這些結構的大小,並且推知這些結構上的星系距離我們多遠,最後再搭配紅移光譜,一樣可以算出宇宙膨脹的速度。今年七月升空,11 月 8 號從太空傳回第一張照片的歐幾里得太空望遠鏡,它的其中一項任務,就是專門觀測重子聲學振盪,來研究宇宙大尺度結構。歐幾里得太空望遠鏡有望帶給我們對宇宙的全新認知,關於這一部分,我們很快會再來深入介紹。

第三種方法是透過觀測宇宙微波背景輻射,它是宇宙的第一道曙光,在此以前,宇宙能量很高,光和電漿相互作用,不會走直線。但是到了宇宙三十八萬歲時,宇宙已經冷卻到足以讓電子與原子核結合,宇宙終於變得乾淨了,光也終於可以走直線。而三十八萬歲時的早期宇宙的畫面,至今仍不斷經過遙遙 137 億年的時間抵達地球,被我們觀測到,稱為宇宙微波背景輻射。有趣的是,根據這些照片,我們能發現早在 137 億年前,宇宙各處就不是均勻的。透過分析這些微波的分布,科學家能計算出當時宇宙的組成成份。這時我們發現,目前的已知物質,也就是元素週期表上看得到的原子,只佔所有能量的 4.93%,而看不到的暗物質,佔 27.17%,那還有 67.9%,將近七成的組成分是什麼?科學家認為就是暗能量。

宇宙微波背景輻射。圖/wikimedia

哇!暗能量佔的比例這麼高?那我們未來有機會從空間中汲取無限的能量嗎?先不要想的這麼美,其實暗能量在宇宙中的密度很低,依照質能等價公式,質量跟能量是可以互相換算的。換算下來暗能量每立方公分只有 10 的負 24 次方公克,相比之下,水的密度是立方公分 1 公克!真的微乎其微。之所以暗能量在宇宙中佔的能量比這麼大,是因為它均勻的存在在廣大無垠的宇宙中,不像一般的物質,只集中在一些星系和星體中。

現在我們知道暗能量存在,而且量也不少,但回到最關鍵問題,這些暗能量到底是怎麼來的呢?

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宇宙與暗能量的未來

科學家普遍認為暗能量是來自「真空能量」,根據量子力學,我們過往認為的真空,其實會不斷短暫的出現粒子並消失。而這些量子漲落便會產生真空能量。雖然這聽起來很玄,但各位看完我們的影片並按下訂閱之後,這些訂閱數就一定會是真的。都看到影片最後一段了,就拜託大家再多動一下手指吧!

而量子力學除了能在真空中產生真空能量以外,這個過程甚至可能幫助我們開啟蟲洞!關於真空能量與時空旅行的關係,可以參考我們的這一集哦(閃電俠)。

為了重新認識我們的宇宙,科學家此時再次拿出了宇宙常數 Λ 和 Fridemann 方程式,建立了一個可以完美解釋前面三種觀測結果的模型-ΛCDM 模型。

ΛCDM 是近代在解釋宇宙微波背景輻射、宇宙大爆炸時,最常被使用的理論。目前對於宇宙歷史與加速膨脹的圖像,也都基於此模型。

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ΛCDM模型,加速擴張的宇宙。圖/wikimedia

不過 ΛCDM 理論仍有兩個致命的問題待解決。第一個是理論中的宇宙常數 Λ,應該要與位置、時間無關,是一個不隨時間變化的常數。然而針對觀測早期和晚期宇宙所計算出來的宇宙常數數值卻不一樣,要如何解釋這個觀測差異?第二個問題是,假設暗能量是真空中的量子漲落所造成,依此推算出的宇宙常數數值,還跟觀測差了 120 個數量級!也就是 10 後面有 120 個零,整個宇宙中的原子數量也才 82 個數量級而已!

因此科學家也提出其他可能的暗物質理論。比如認為暗能量不是來自真空能量,而是由一種未知的粒子場所驅動,而這個場與時間有關,導致早期和晚期宇宙的觀測結果有差異。還有人認為根本沒有暗能量存在,宇宙會膨脹,是因為愛因斯坦的廣義相對論在宇宙學這種大尺度中是不適用的!就像牛頓的萬有引力公式在地球上管用,到了太陽系規模就會出現誤差。或許在宇宙規模還有比廣義相對論更完備的其他理論等待我們發現!另一派科學家也認為沒有暗能量,我們會看到加速膨脹,只是因為銀河系剛好位於宇宙大尺度結構的孔洞中,也就是葡萄乾麵包裡面空氣比較多,口感比較鬆的地方,由於這個地方總體重力比較小,天體也就是葡萄乾之間向外膨脹的速度比較快,但不代表整個葡萄乾麵包都在加速膨脹,宇宙加速膨脹只是局部觀測的假象。

這些理論或許可以解釋部份的問題,但沒有一個能解釋所有觀測數據,而且由於觀測的限制,這些理論都缺乏數據的佐證。因此目前我們只能說,暗能量的效應確實存在,但我們還不知道它確切是什麼。

有人可能想問,研究暗物質對我們真的那麼重要嗎?其實,它不只影響了宇宙過去演化的歷史,也影響著我們將來的命運。由於宇宙膨脹,物質的密度會因為膨脹被稀釋,但如果暗能量是常數,就代表密度不會改變,因此宇宙會膨脹的愈來愈快,導致遙遠的星系加速離我們遠去,最後暗能量會超過所有的基本作用力,包括重力、電磁力和核力,星系、太陽系、地球都將被拉開,甚至中子和質子都互相分離,使原子不復存在,進入大撕裂時期,也將是宇宙最孤獨的結局。不過這是一百多億年後的事情,在那之前地球會先被死去的太陽吞沒,我們應該要先煩惱的是要如何移民其他星球才是。

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最後總結一下,暗能量到底是什麼?很抱歉,經過了幾十年的努力,這個問題依舊是一個問號,但藉由宇宙學的研究,使我們更謙卑更加發覺自身的渺小,我們或許已經掌握許多物質運作的原理,也開發出許多高科技產品,但這些只是整個宇宙的 5% 仔,宇宙中還有許多未知等待我們去探索,而它深深關係到我們的過去和未來。

最後也想問問大家,你覺得當一切真相大白之時,我們會發現暗能量是什麼呢?

  1. 符合最直覺的 ΛCDM 理論,它就是宇宙加速膨脹的元凶!
  2. 它根本不存在,我們甚至需要比廣義相對論更強的理論來解釋!
  3. 依照人類這個物種的感知等級,可能永遠無法了解暗能量的真相!
  4. 我、我已經無法抑制我左手的暗能量了!啊啊啊~

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從黑洞自旋速度推估「暗物質」的可能真面目!——極輕玻色子
ntucase_96
・2021/11/12 ・2341字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 撰文|劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報 《宇宙中的旋轉木馬——利用黑洞尋找暗物質

空無一人的遊樂園中,旋轉木馬快速的旋轉著。突然,憑空出現一群小孩跳上木馬,從旋轉木馬獲得高速後,又集體跳下,一哄而散,只留下轉速驟降,緩慢旋轉的木馬……。這看似荒誕的場景,卻是理論預測可能在宇宙中隨時發生的事。其中旋轉木馬指的是什麼?憑空出現的孩子們又代表了誰?

圖/pixabay

在生活的周遭,我們能夠感受到(看到、摸到)某個東西存在。是因為構成我們周遭世界的粒子,幾乎都會透過電磁力互相作用。但是在廣闊的宇宙中,這樣的物質只佔總數的 15%,剩下 85% 物質,我們摸不到、看不到,因此被稱為「暗」物質。科學家透過天文觀測證據,推測在宇宙中必須存在龐大數量的暗物質,它們提供的重力,使各個星系不至於分崩離析。因此,暗物質是種「我們知道它應該要存在,但又不知道它是什麼」的東西,是當下最前沿的物理學研究在嘗試明白的重要議題。關於暗物質的真面目,目前有各種物理模型嘗試描述,其中一模型預測了一種假想粒子:「極輕玻色子[1]」。

印度物理學家-薩特延德拉·納特·玻色,他的量子物理研究為愛因斯坦凝聚理論提供了基礎;玻色子就是以他的名字為命名依據。
(圖/維基百科

暗物質的可能真面目——極輕玻色子

在基本粒子中,電子的質量已經算是較輕的。而極輕玻色子,它的質量大約只有電子質量的 10 億分之一,因此稱它為「極輕」,和其他理論模型預測的大質量暗物質候選人區隔。由於他們幾乎不跟周圍的物質發生交互作用,因此到目前為止,科學家尚無法確認這種粒子究竟存不存在。如果存在,那它們很有可能就是暗物質的真面目。

面對這種未知,科學家們是如何尋找暗物質的呢?其中一種策略是「排除法」。想像我們有天回家時發現手機不見了,理論上來說,手機可能出現的地方有無數個,但我們會透過回憶、親朋好友的描述,來限縮手機可能出現的範圍,如此就能避免海底撈針的窘境,大大增加了找到的可能性。

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根據理論推估,極輕玻色子的質量範圍可能落在 10-33-10-6 電子伏特這麼龐大的範圍之中。科學家目前正嘗試用各種方法,有的經由設計精密的實驗對特定質量範圍進行地毯式搜索,有的透過天文觀測數據嘗試去限縮可能的質量範圍。在《物理評論快訊》4 月的一篇論文中[2],麻省理工學院-雷射干涉引力波天文台(LIGO)實驗室的科學家,利用「黑洞」來搜尋這種極輕粒子。這種概念聽起來十分不可思議,黑洞的質量至少是電子的倍,比極輕玻色子的質量至少大了 70 個數量級,作為對比,一個成年人和太陽質量大約只差了 30 個數量級。如此一個超級巨型的天體,是如何與微觀世界的基本粒子扯上關係的呢?這要提到量子理論預測的神奇現象:「超輻射(Superradiance)」。

麻省理工學院-雷射干涉引力波天文台(LIGO)。(圖/ LIGO

超輻射與黑洞自旋速度

量子理論告訴我們,在非常小的尺度下,古典理論將會失效,我們不再能將粒子視為一個單一質點。這個尺度被稱為康普頓波長(Compton Wavelength),它和粒子的質量成反比。質量極小的極輕玻色子,所對應的康普頓波長則非常大。對於特定質量的玻色子,其康普頓波長會和黑洞的尺寸差不多。當這個條件滿足,超輻射便會發生:黑洞附近強大的重力場,從真空中產生數量龐大的玻色子向外輻射出。這些玻色子,會將黑洞的能量帶走,使其自旋減慢。根據科學家的估計,這個減速作用可以持續數千年,使黑洞的自旋速度明顯減慢。

(圖/ pixabay

黑洞的自旋速度,可以透過分析 LIGO 偵測器訊號得知。LIGO 偵測器主要偵測黑洞、中子星互相環繞、合併所放出的微弱重力波訊號(關於重力波偵測器的更多詳細介紹,可參考 CASE:「愛因斯坦預測成真:首次偵測到重力波訊號」及相關系列文章)。研究團隊分析了 45 組黑洞互繞事件,這些黑洞具有 10-70 倍太陽質量。這對應到和它們發生交互作用的玻色子質量介於電子伏特。

其中有兩個黑洞,被發現以非常高的轉速在旋轉著。若是這個質量範圍的玻色子確實存在,那這些黑洞速度應該被減速至一半以下。因此,這兩個高轉速黑洞的存在,暗示著沒有與其發生交互作用的極輕玻色子。那有沒有可能黑洞的確被減速,但存在其他加速機制使黑洞又重新被加速?例如藉由吸入大量吸積盤[2]物質,獲得能量及動量?研究團隊也對此進行了仔細的估算,發現各種重新加速的機制,皆要耗費極長時間才能加速到現在的速度,這種可能性微乎其微。因此,這兩個高轉速黑洞的存在,基本上可以排除了特定範圍的極輕玻色子質量範圍。

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這個實驗協助縮小了搜尋極輕玻色子的質量範圍,也是首個利用黑洞重力波資訊尋找暗物質的嘗試,可以說是一個重力波實驗與粒子物理很棒的跨界合作!

註解

  1. 在量子力學中,粒子可被分為「費米子」、「玻色子」,兩者具有截然不同的性質。若以比喻的說法,費米子較為孤僻,不喜歡大量群聚;玻色子則恰恰相反。
  2. 在黑洞周圍,受黑洞強大重力吸引的物質所形成的圓盤狀結構。

參考資料

  1. Fast-spinning black holes narrow the search for dark matter particles
  2. K. Y. Ng et al. , Constraints on Ultralight Scalar Bosons within Black Hole Spin Measurements from the LIGO-Virgo GWTC-2, Phys. Rev. Lett. 126, 151102. 2021
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。