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國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

觀測星系時，科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等，所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

不過，後來我們了解到，宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質，那就是「暗物質（dark matter）」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質，卻實際存在於宇宙中，而且暗物質在宇宙中的含量，遠多於我們看得到的「物質」。

1934 年，瑞士的天文學家茲威基（Fritz Zwicky，1898～1974）觀測「后髮座星系團」時，發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量，與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快，推測存在 400 倍以上的重力缺損（missing mass）。

在這之後，美國天文學家魯賓（Vera Rubin，1928～2016）於 1970 年代觀測仙女座星系時，發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別，並推論仙女座的真正質量，是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

到了 1986 年，科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構，發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構，僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足，科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質＝暗物質」。

看不到卻存在？暗物質究竟是什麼？

前面提到我們看不見暗物質，而且不只用可見光看不到，就連用無線電波、X 射線也不行，任何電磁波都無法檢測出這種物質（它們不帶電荷，交互作用極其微弱）。

因為用肉眼、X 射線，或者其他方法都看不到它們，所以稱其為「暗」物質。

不過，從星系的運動看來，可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力（質量）」。這就是由暗物質造成的重力。

• 延伸閱讀：暗物質比先前認為的還要「暗」

看不到的能量：暗能量

事實上，科學家們也逐漸了解到，宇宙中除了暗物質之外，還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為，宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對，不過，1998 年觀測 Ⅰa 型超新星（可精確估計距離）時，發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量（dark energy）」。而且，暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」，以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例，如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星（美國）於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射（CMB），計算出來的結果。

後來，普朗克衛星^＊（歐洲太空總署）於 2013 年起開始觀測宇宙，並發表了更為精準的數值。

歐洲太空總署（ESA）為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射（CMB）而發射至宇宙的觀測裝置（人造衛星）。可與 NASA 發射，廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖，計算出宇宙年齡應為 137 億年左右，誤差在正負 2 億年內；普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖，並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右，誤差在正負 6000 萬年內，數字更為精準。  

暗物質的真面目，究竟是什麼？微中子嗎？

既然暗物質有質量，那會不會是由某種基本粒子構成的呢？也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞（原始黑洞），而我也致力於這些研究，不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子（共 17 種）以及其他未知粒子，都有可能是暗物質，在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷，不與其他物質產生交互作用，會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且，宇宙中也確實充滿了微中子。因此，微中子很可能是暗物質的真面目。

不過，目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

為什麼微中子被撇除了呢？

這是因為，雖然微中子大量存在於宇宙中，質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少，不過依照目前的宇宙論，3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子，那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對，兩者相差過大。

另一方面，暗物質中的冷暗物質（cold dark matter）的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動，進而產生暗物質的擾動（空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同），這種微妙的重力偏差，會讓周圍的暗物質聚集，提升重力，進一步吸引更多原子聚集，最後形成我們現在看到的星系。

相較於此，微中子過輕（屬於熱暗物質，hot dark matter），會以高速飛行。微中子無法固定在一處，這樣就無法聚集起周圍的原子，自然也無法形成星系。

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」，指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射（CMB）可顯示出宇宙初期的溫度起伏，因而得知存在相當微小，卻十分明顯的擾動，此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中，物質會往較濃的部分聚集，並形成星系或星系團等大規模結構。

不過，如同我們前面提到的，科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子，在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下，很難形成現今的星系團。

於是，科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子（SUSY 粒子）」當中光的超伴子——超中性子（neutralino）、名為軸子（axion）的假設粒子；另外，也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」，雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時，即使不假設這些未知粒子的存在，在標準模型的範圍內，微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的，當我們認為微中子應該不是主要暗物質時，就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論，這點十分重要。

那麼，微中子真的完全不可能是暗物質嗎？

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子，由於我們還不曉得它的質量以及存在量，所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過，這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下，一切都還未知。關於這點，我們將在《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》，2022 年 6 月，台灣東販，未經同意請勿轉載。

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填寫血型，是為了避免被輸錯血嗎？

很不可思議的，日常生活中很多地方都會被要求填寫血型。

馬拉松的報名表和號碼牌、幼兒園或學校的文件、貼身的避難包等，都有血型註記欄位。

但是在不少國家，如果要求市民也填寫同樣的資料，這就困難了。因為很多人根本不知道自己的血型，問了反而徒增困擾。

究竟我們填寫的血型資訊有什麼用？或許你會想，莫非是受傷需要輸血時可以派上用場？但這其實是誤會。

即便患者提前告知，輸血前仍會確認患者的血型

輸血前一定會進行血液檢查確認血型。每家醫院所需時間不同，但一般來說，血型檢查結果只需要數十分鐘就能出來。還有在輸血前，一定會進行將患者血液與一部分血液製劑混合，觀察是否出現有害反應的「交叉配合試驗」。

這些不會因為病患本人主張「我是 A 型」就省略。即使以前在同一家醫院接受過血液檢查，確切知道血型的狀況下，也一定要做交叉配合試驗（除了術前檢查等例外）。

為什麼呢？理由很單純。如果誤用了不同血型的血液，會引起危及性命的「溶血反應」，這麼重大的資訊，不能光靠患者自我表述。

另外，很多人是以出生時受檢的結果當作自己的血型，但新生兒的血液檢查不一定正確。有些人以為自己是 A 型，第一次手術時接受檢查才知道是 B 型，不能依賴自我表述的血型也有這個層面的考量。

什麼都不知道的緊急狀況下，到底該怎麼辦？

那麼，如果遇到不知道血型的患者大出血，也來不及做血型檢查的緊急狀況，該如何處置？這個時候就只能相信本人的自我表述嗎？

當然不能。這個時候就只能用 O 型血了，因為不管對方是什麼血型，應該都不會引起嚴重的反應。即使是緊急狀況，也不可能只利用自我表述的血型情報。

近年來因為有這樣的案例，所以出生時很多醫療機構不會驗血型。正在閱讀此書的你，或許不知道自己小孩的血型，完全不用擔心，需要的時候再去檢查即可。

順道一提，我也不知道自己小孩的血型。

緊急情況時，為什麼 O 型血能輸給所有人？

在 1900 年，奧地利人蘭德斯坦納發現「血液有不同類型」前，錯誤輸血的事故頻傳。

蘭德斯坦納注意到人的血清和他人的紅血球混合後，有的會凝結破裂，有的不會。在經過確認很多樣本配對的反應後，歸納出人有 A、B、C 三種血液類型的結論。之後的研究又發現了第四種 AB 型，C 型被改稱為 O 型。

所謂的血型，就是指紅血球表面的抗原種類。你可以想像細胞表面有很多棘刺狀物，輸血的時候最重要的「棘刺」有 ABO 和 Rh 二種系統。

A 型紅血球有 A 抗原，B 型紅血球有 B 抗原，AB 型則同時有 A 抗原和 B 抗原，O 型的沒有抗原；另一方面，A 型血清有抗 B 抗體、B 型血清有抗 A 抗體、O 型血清兩種抗體都有，AB 型則是兩種都沒有。

看起來非常複雜，但結論很簡單，我們只會有對自己的抗原不反應的抗體。

抗體和抗原就像鑰匙和鎖孔，如果 A 抗原對抗 A 抗體、B 抗原對抗 B 抗體就會產生凝集反應，紅血球就會被破壞。

因此如果把 B 型的紅血球輸給 A 型患者、把 A 型紅血球輸給 B 型患者，紅血球抗原和抗體會相互結合，凝結破裂。

另一方面，O 型的紅血球不管對方是誰都不會凝結，是因為 O 型紅血球沒有 A 抗原也沒有 B 抗原。不管是稱為 C 或 O，都是代表「沒有」抗原，也就是「零」的意思。

此一發現在安全輸血普及上扮演極重要的角色。1930 年，蘭德斯坦納以此成就獲得諾貝爾醫學生理學獎。

血型不只有 ABO，Rh 也有超過 40 種抗原

如同 ABO 有 A 和 B 二種抗原，Rh 也有 C、c、D、E、e 等超過四十種抗原。其中有 D 抗原的統稱為 Rh 陽性、沒有的稱為 Rh 陰性。錯誤輸血會引起強烈反應的，是 D 抗原。

發現 Rh 的還是蘭德斯坦納，是在發現 ABO 後四十年的 1940 年。

Rh 是取恆河猴（Rhesus monkey，德語為 Rhesusaffe）頭兩個字母。因為 Rh 是恆河猴共通的抗原。順道一提，日本人罕有 Rh 陰性者，大約只有 0.5％，台灣人為 0.3％，但白人則有 15％。

血型還有很多其他分類。MNS 血型、P 血型、Lewis 血型、Kell 血型、Diego 血型等不勝枚舉。如果是罕見血型，即使 ABO 和 Rh 一致，也有可能發生錯誤輸血。

明明知道自己的血型沒什麼用，為什麼大家都很在意？

「血型」本來是沒有必要知道的醫學資料，但為什麼很多人都會記得呢？而且不只是自己的血型，有的人連家人、朋友、同事、上司的血型都一清二楚，實在是很驚人。

理由恐怕是很多人都認同血液性格學說。當然，血液和個性之間的關聯毫無科學根據，只要想到血型的機制，就會知道紅血球表面抗原跟個性有關的說法有多無稽。

當然，也不能受到「你是 O 型所以會有〇〇個性」的暗示，因而影響到人格形成。如果真的是這樣，那對本人是有害的。

不管如何，還是有很多人期待用血型將人歸類。現在電視或雜誌上「O型的人一板一眼」「A 型和 B 型速配指數？」等不可思議的企畫仍舊源源不絕。

人與人之間，要靠直接對話、一起相處，才能初步互相認識。很遺憾的，這真的不是靠血型就可以了解的事。

——本文摘自《了不起的人體：如此精妙，如此有趣，說不定還能救你一命》，2022 年 7 月，如何出版，未經同意請勿轉載。

如果天空少了月亮？文學家應該會很難過，音樂家也會少了創作的題材，沒有中秋節就少了月餅，也沒有烤肉。不過夜晚少了一個大光害，天文學家絕對會很高興！

潮汐變小、一天變短

地球上的潮起潮落，主要是月球繞地球運行造成的。太陽也會影響地球的潮汐，不過對地球的潮汐力只有月球的 46%。如果沒有月球的話，造成地球潮起潮落就只剩下太陽，滿潮和乾潮的幅度就會變小。

月球讓地球產生的潮汐，使地球愈轉愈慢。數十億年前，地球剛形成時，地球自轉的速度比現在快許多；因為月球的潮汐力，讓地球自轉的速度漸漸變慢，慢到現在的一天 24 小時。如果沒有月球，地球的一天可能不到 10 小時。

左搖右晃的地球

月球就像是走鋼索的人握的平衡桿，讓地球自轉軸保持穩定，如果少了月球這個平衡桿，地球自轉軸左搖右晃的幅度就會變大。

目前地球自轉軸相對於公轉平面的傾斜角是 23.4 度，因為月球的存在，這個傾角的變化幅度不大，大約在 22.1 度和 24.5 度之間。傾角讓太陽直射地球的位置在北回歸線和南回歸線間移動，讓地球出現四季變化。

如果沒有月球，地球的自轉軸變動的幅度就會變大，自轉軸的變動會對我們有什麼樣的影響？假設兩個極端的例子，地球的自轉軸傾角是 0 度和 90 度。

如果地球傾角是 0 度，太陽永遠直射赤道，地球上不會有北回和南回歸線，地球將不再有四季變化。

如果地球傾角是 90 度，太陽直射的區域會從北極到南極，也就是北回歸線位在北緯 90 度（也就是北極點），而南回歸線在南緯 90 度（南極點）。這種情況下，地球四季變化會非常劇烈，北半球夏天時，北極不會結冰，溫度比現在還高，南半球冰凍的區域比現在還大，這種極端氣候絕對不利現在地球上生物的生存。

月球替地球擋子彈

月球是地球的衛星，一直以來它都保護著我們的地球。用望遠鏡看月球，會發現月球上有許多坑洞，這些坑洞幾乎都是隕石撞擊後形成的隕石坑，表示月球在早期受到許多的撞擊。如果少了月球擋下這些隕石，這些隕石可能就會撞上地球。

隕石撞擊對地球的生命影響很大。6600 萬年前，一顆 10 公里左右的隕石撞擊地球，造成恐龍滅絕。恐龍滅絕後，哺乳類才能興起，人類才有機會出現在地球上。

那些沒有被月球擋下的隕石，如果撞上地球，可能會改變地球物種的演化，人類說不定就不會出現在地球！ 最後，如果沒有月亮，阿姆斯壯和另外 11 名阿波羅太空人也就無法登陸月球。人類少了探索月球的寶貴經驗，要直接踏上其他行星表面（例如火星），難度會高許多，甚至變得不可能！