50個星系團 照亮暗物質研究新方向

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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？

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。

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。

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。

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參考資料

• 解析北京清大「推翻 」方程式背後深意！白紙革命爭自由民主平等
• https://arxiv.org/pdf/1807.06209.pdf
• https://news.harvard.edu/gazette/stor…

古老星系中發現有機分子？我們離第三類接觸還有多遠？

韋伯正式展開拍攝任務已經屆滿週年，最近也傳回來許多過去難以拍攝到的照片。六月初，天文學家在《自然》期刊上發表了這張照片，在藍色核心外，環繞著一圈橘黃色的光環。

這是一個星系規模的甜甜圈？這是一個傳送門？還是外星文明的戴森環？

——都不是！其實，這是一個含有有機物多環芳香烴的古老星系，其名為 SPT0418-47。因為名字很長，以下我們就簡稱為 SPT0418 吧！

這個觀測結果有什麼特殊意義？這代表我們發現外星生命了嗎？

SPT0418 是怎麼被拍到的？扭曲時空的重力透鏡！

一年前，在韋伯望遠鏡傳回第一組令人震撼的照片時，我們製作了兩期節目來介紹韋伯望遠鏡，和它在天文觀測史上跨時代的重要意義。在那之後，也有不少泛糰敲碗，希望我們可以再繼續介紹韋伯望遠鏡的後續發展。

這次在週年前夕公開的這張 SPT0418 照片，是一張標標準準因為重力透鏡而形成的美麗照片。「重力透鏡 Gravitational Lensing」這個概念，相信有在關注天文物理的泛糰們，應該都有聽過。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，星系與星系團的龐大質量會扭曲它們周圍的時空，就像一面星系尺度的超級放大鏡一樣，可以在光線通過時改變它們的走向，從而扭曲背景星系的影像。而如果背景星系與前方的前景星系剛好前後對齊的話，重力透鏡效應還能將背景星系扭曲成美麗的環型，這個環型被稱為「愛因斯坦環 Einstein Ring」。

乍聽之下，重力透鏡會扭曲背景星系影像，好像會干擾觀察，是個缺點。但實際上重力透鏡在扭曲影像的同時，也會聚焦背景星系發出的光，從而讓背景星系變得更加明亮而容易觀測，讓天文學家可以看到更遠或更暗的天體。因此雖然扭曲的影像會增加分析上的麻煩，但天文學家其實非常喜歡觀測這些受重力透鏡效應影響的天體們。甚至會專門安排觀測計畫，拍攝這些受重力透鏡效應影響的區域。這次的主角 SPT0418，正是韋伯太空望遠鏡針對重力透鏡效應開展的「TEMPLATES 」觀測計畫的其中一個觀察對象。

SPT0418 是一個位於時鐘座（Horologium）方向，距離地球約 123 億光年遠的古老星系。最早在南極望遠鏡（SPT）的觀測資料中被發現，並在後續以阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列 ALMA 進行的觀測中，確認了它是一個富含大量塵埃，而且正在以每年約 350 個太陽質量的超高速率生成恆星的星系。

在我們與 SPT0418 之間，還存在著一個前景星系。正是這個前景星系的質量扭曲了周圍的時空，像一片巨大的放大鏡一樣將背後的 SPT0418 扭成了漂亮的愛因斯坦環。

在這張經過調色的照片中，中間的藍色部分就是前景星系，旁邊的橘色環則是因為重力透鏡而扭曲的 SPT0418 。得益於這個重力透鏡，SPT0418 的影像被增亮了三十倍以上，非常適合讓天文學家一窺早期宇宙中星系的狀態，因此被選為韋伯的觀測目標。

那麼，這次的觀測又有什麼重要意義呢？

多環芳香烴是什麼？看見它代表什麼意義？

這次的拍攝結果不能完全說是意外，因為在這個研究中，韋伯的目標非常明確，就是要尋找古老星系中的多環芳香烴。

在天文學上，多環芳香烴通常指兩個以上的苯環所組成的有機化合物的統稱，人們一般以它的簡稱「PAH」來稱呼它。

發現有機分子，難道這代表有生命存在於古老星系中嗎？其實不能這麼快下定論。

因為 PAH 廣泛存在於各式各樣的星系中，與其他由碳和矽組成的塵埃顆粒，同屬於星際塵埃的一部分。甚至在彗星、小行星、隕石中，都能發現各式各樣的 PAH。目前認為，宇宙中可能有超過 20% 的碳原子，都是以 PAH 的方式存在，只是環數不盡相同。

所以，雖然科學家認為，宇宙中的生命誕生，可能與這些這些遍布其中的有機分子有關。但發現 PAH，不能直接與發現生命劃上等號。

過去數十年的天文觀測結果也顯示，PAH 確實廣泛存在於星系之中，但是天文學家對於這些分子究竟如何形成？又是什麼時候形成的？目前還沒有共識。因此迫切需要更多觀測，例如這次的目標 SPT0418 是個距離我們非常遙遠的古老星系，對於研究宇宙早期星系以及 PAH 的起源就很有幫助。

觀察 PAH 的困難及韋伯望遠鏡的重大突破

然而，要觀察 PAH 卻不太容易。原因是這些 PAH 發出的光，波長主要都集中在幾微米到十幾微米的近紅外與中紅外線波段。這個波段的光線受到大氣層的吸收非常嚴重，幾乎無法從地面觀測，因此過去我們很難取得相關數據。想要尋找 PAH 的蹤跡，勢必得使用紅外線太空望遠鏡才行。

這時，就是韋伯大展身手的時候了。比起同樣專注於紅外光譜的前輩史匹哲太空望遠鏡，韋伯的鏡片直徑大了超過七倍，集光面積更是大了將近六十倍，這不僅讓韋伯能夠拍攝遠比史匹哲更清晰的影像，更可以在更短的時間內拍攝到更暗的目標。

得益於韋伯強大的觀測能力，在這個研究中它僅僅對著 SPT0418 曝光了不到一個小時的時間，就在 3.3 微米的波段找到了清晰的 PAH 發射譜線，確認了PAH的存在的同時，也打破了觀測到最遠的 PAH 訊號的紀錄。

此外天文學家也發現，韋伯所拍攝到的 SPT0418 與前幾年使用 ALMA 觀測到的影像並不全然相同。

由於韋伯拍攝的是 PAH 發出的近紅外光，而 ALMA 拍攝到的則是毫米尺寸的大顆粒塵埃所發出的遠紅外線，因此這可能代表 SPT0418 這個星系的不同部分，有著不同的塵埃組成。為甚麼會這樣呢？天文學家目前也沒有肯定的答案，需要更多的觀測來進一步釐清。

任務還在繼續！TEMPLATES 計畫持續追蹤 PAH 足跡

韋伯對 SPT0418 拍攝的照片，不僅打破了人類探測過離太陽系最遠的 PAH 訊號紀錄，更展示了在重力透鏡加韋伯的攜手合作下，能大幅拓展人類觀測遙遠星系的能力。除了 SPT0418 之外，天文學家還預計觀測另外三個被重力透鏡放大的星系，尋找並研究其中 PAH 的足跡，以解開星系與星際塵埃的演化之謎。

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由中央研究院天文及天文物理研究所主導的國際天文團隊使用Subaru望遠鏡，測量了50個星系團的暗物質密度分布情形，結果發現暗物質密度最高的地方的確是星系團的中心，並漸漸向星系團外圍遞減，遞減情形和「冷暗物質」（CDM）描述吻合。暗物質充斥全宇宙，其屬性仍然是謎，本次暗物質密度分布的最新突破性研究結果，讓暗物質特性更清楚，謎團也縮小了一點點。

天文學界從80年前便首度獲得暗物質存在的證據，現在科學家大多認同暗物質的確存在。但在漆黑夜空中看不到暗物質，在粒子物理學者的實驗中，迄今也仍未找到暗物質的粒子。由於暗物質的質量占我們的宇宙總質量高達85%，「什麼是暗物質？」成為目前天文學者和粒子物理學者最想解決的問題。

星系團是宇宙中質量最大的天體結構，由中研院天文所博士後研究員岡部信主持的國際天文研究團隊，本次利用Subaru主焦點相機，共測量了50個星系團的暗物質密度特性。共同參與研究的英國伯明罕大學（Birmingham University）的Graham Smith解釋，星系團很像是：「你在晚上飛過一座大城市的上空時所看到的鳥瞰圖，你可以把每一盞明亮街燈都當作一個星系，把街燈間空隙想像成充滿暗物質。星系團裡的星系是存在於一個由暗物質構成的背景裡，除了看得到的燈光以外，其實背景裡還有連接著街燈的電線、街道。」岡部團隊認為，就像從市中心到郊區，街道和電線分布密度並非總是相同，所以他們也想以數量更多的星系團取樣得來知暗物質密度如何變化的普遍狀況。

日常生活中，我們每天接觸到的物質，密度由它的組成成分決定，同理，暗物質的密度也取決於暗物質粒子之不同屬性。所謂的「冷暗物質」的描述，在目前暗物質理論中居主流地位，它描述的暗物質粒子僅在彼此間才相互作用，和其他物質之間的交互作用，可能僅限於藉重力才發生；相互作用很少，屬性是冷的，因而稱為「冷暗物質」(Cold Dark Matter)。

暗物質既不發出也不吸收任何電磁輻射，在觀測上極度困難，因此岡部團隊採用「重力透鏡」的方式來觀測暗物質；根據愛因斯坦的廣義相對論，當極遙遠光源所發出的光束在接近大質量天體（譬如星系團）附近時，光束會彎曲，（條件是星系團位置必須在光源和觀測者之間，且三者大致排列成一直線），由於星系團裡有很多暗物質，結果造成背景星系形狀改變，因此看到星系形狀的細微改變就可偵測得到暗物質。

根據這個重力透鏡的原理，在觀測上的確發現到，受星系團裡暗物質的影響，遙遠星系的形狀和位置確實會改變。要去測量很遙遠又很暗的星系會受到暗物質在星系團裡藉重力帶來的微小變化，目前最佳測量儀器是Subaru望遠鏡，因為，它測量得非常精確，除此之外，極暗淡星系在外觀上變化微渺、總數量龐大，如何取樣也是一項關鍵技術，也是岡部在研究中獲得的重要突破。

冷暗物質理論用兩個數字描述星系團裡的暗物質分布如何由中心朝外圍由高而低遞減。其一是星系團質量，也就是它含有多少總數的質量。其二是結構參數(concentration parameter)，或不妨稱為星系團物質分布的平均密度。

岡部團隊將50個已知質量最大的星系團在觀測中獲得的結果予以加總，獲得一個整體的平均密度。結果發現暗物質密度確實由星系團外圍向星系團中心遞增，與冷暗物質模型理論相符，且這張平均分布圖顯現暗物質分布是高度對稱的，中心的密度峰（peak）很明顯。個別星系團的質量密度分布值有高有低，不盡相同，先前的研究因星系團取樣數量太少，結構參數（平均密度）偏高，結果導致與「冷暗物質」所描述不符，這次岡部團隊將星系團數量增加，結構參數的平均值也隨之改變，結果正與冷暗物質理論吻合！

岡部團隊對暗物質研究的下一步計畫是，從更小尺度去測量暗物質密度，那也就是在星系團的中心部份。星系團中心就像是大城市的市中心鬧區，探討在更小尺度上測量暗物質密度，又可幫助我們再更進一步釐清暗物質的性質。

本篇論文共同作者，東京大學Kavli數物連攜宇宙研究機構高田昌?教授，對這個研究領域的未來充滿期待：「把很多星系團的重力透鏡觀測結果精確地合成為單一結果，是非常厲害的技術。臺灣和日本的天文學家正聯手合作，準備以Subaru望遠鏡上的新一代超廣角相機(HSC: Hyper Suprime-Cam)來進行人類史上最大的星系普查計劃之一。本次研究新成果，證實了運用HSC這座超廣角相機來進行重力透鏡的研究，的確前景看好並且可行。」

全文請詳閱：

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜簡克志
• 責任編輯｜簡克志
• 美術設計｜蔡宛潔

中研院原分所的推手

中央研究院原子與分子科學研究所（簡稱原分所），是國內原子科學的研究重鎮，位處於臺灣大學學區，研究領域涉及表面科學、尖端材料、原子／分子與光學、化學動態學以及生物物理。原分所第一任的籌備處主任為張昭鼎先生，他的思維與待人接物的方式，深深影響了現在的原分所。中研院「研之有物」於 2023 年 4 月專訪原分所所長陳貴賢特聘研究員，一起從他的角度認識這位謙和又有遠見的科學家。

當天是個晴朗和煦的午後，研之有物團隊和張昭鼎基金會的工作人員，來到位於臺灣大學的中研院原分所，準備拜訪陳貴賢所長。原分所位於臺大校園中心，旁邊就是醉月湖，研究所建築外觀換新之後，以典雅新穎的紅磚色拱形亮相。甫進辦公室，充滿活力的陳貴賢，看起來已經準備好和我們分享關於原分所和張昭鼎先生的故事。

原分所建立初衷

原分所成立於 1982 年，由張昭鼎擔任第一任籌備處主任（1982～1993），現任所長是陳貴賢，擔任所長已將近 7 年（2016～2023），並即將在今年 7 月 15 日交接所長職位給魏金明合聘特聘研究員。當我們問到原分所一開始是如何成立的？陳貴賢提到，原分所是當時海外學者李遠哲與浦大邦開始的構想，希望幫助臺灣發展原子與分子科學、同步輻射科學兩大領域，以跟進國際科學的研究步調。

為了和政府提出建言，李遠哲等學者邀請了全世界知名的科學家一起討論，包含吳健雄以及她的先生袁家騮，他們當時還回臺灣做了好幾場演講。經過持續的溝通與交流，最後終於事成，浦大邦主要負責同步輻射（中心落腳於新竹清華大學旁），而李遠哲就是想辦法建立原分所。

由於李遠哲當時人在美國柏克萊大學化學系任職，他迫切需要一位信任的人在臺灣幫忙。因此，他找了在學時期認識的臺大學長張昭鼎，請他負責籌備原分所，張昭鼎當時已經是臺灣無機合成化學的先驅。陳貴賢回憶道「張昭鼎是一位格局很大的人，也可以理解基層的需求」。

成立一個所並不簡單，有很多眉角要處理，比如選址就是大問題。李遠哲希望能夠促進中研院和學校之間的合作，讓年輕學生也能參與研究，最終選址於臺灣大學正中央，原分所就此成立。「對有志於科學的年輕人是非常大的福氣」，陳貴賢說。

原分所在做什麼？新興材料的研究重鎮！

話說回來，原子與分子科學研究所是研究什麼呢？看起來不是一般的物理、化學、機械等數理學術機構。陳貴賢在訪談中笑著說，「所有的物質都是原子組成的，兩個原子結合在一起就變成分子，分子繼續疊在一起就會形成固態、氣態或液態的物質。」原分所是在研究原子相關的物質科學，但陳貴賢強調，原子內還有各種基本粒子，例如質子、中子或夸克等，研究這些基本粒子屬於高能物理，不屬於原分所的研究範疇。

舉例來說，原分所的研究有大家很熟悉的半導體，以及稱為「表面科學」的重要領域。陳貴賢說，很多化學反應都會發生在物質表面，尤其太陽光如何和表面原子互動相當值得探討，他的實驗室就有研究如何透過光催化材料來進行人工光合作用。

原分所另一個重要領域是「化學反應動態學」。陳貴賢提到，過去李遠哲回臺灣時，就有從柏克萊帶回珍貴的交叉分子束設備。設備的噴嘴會噴出兩束不同的分子束，讓分子束交叉碰撞之後，觀察化學反應的動態機制。「了解化學反應怎麼發生，才有可能對它進一步控制」，陳貴賢道，他以燃燒反應為例，如何讓燃燒反應更完全、減少污染物的產生就是個大學問。

此外，陳貴賢還分享了另外兩個重要領域「尖端材料」和「生物物理」，尖端材料例如能源材料，有太陽能材料或是熱電材料等，讓未來能源發展有更多機會。生物物理例如研究生物影像的分析方法，發展各種創新的顯微技術。

原分所發展至今，即使張昭鼎在 1993 年 4 月離世，仍受到他的處世之道影響。陳貴賢回憶道，當時 1993 年元月份來到原分所，在開始長期的學術生涯之前，曾仔細瞭解張昭鼎的事跡及為人，發現他很重視基層人才，願意給年輕人機會，甚至幫忙找資源。

隨著不同的所長接任，原分所的制度和規範逐漸完善，在林聖賢、劉國平、王玉麟、及周美吟等所長的努力下，原分所逐漸進入穩定發展的狀態。王玉麟擔任所長期間為了紀念張昭鼎，在 4 樓的會議廳就命名為「張昭鼎紀念講堂」。

搶救《科學月刊》，致力於科學教育傳播

除了成立原分所之外，張昭鼎的另一項重要貢獻是《科學月刊》。《科學月刊》是臺灣本土力量孕育而生的科學雜誌，自 1970 年創刊營運到現在，是珍貴的科學傳播刊物，對於臺灣科學界的人才培養和學術交流都有好的影響。

關於《科學月刊》對臺灣早期科學界的重要性，陳貴賢說：「你做的科學研究不只是要在國際上發表成果，你甚至希望可以扎根，讓更多下一代的人可以對科學有興趣。在那個時代我想《科學月刊》幾乎是唯一的選擇。」

張昭鼎是《科學月刊》在位最久的董事長（1973～1993），1970 年代初期是《科學月刊》早年財務最艱困的時候，甚至在 1975 年內部曾經有停刊的想法，而張昭鼎與董事會最後的決策是：保留《科學月刊》，圖書業務則交由他人負責經銷。這個決定影響深遠，讓《科學月刊》度過困難的 1970 年代。

然而，張昭鼎在 1993 年不幸過世。他的離世對好友李遠哲來說是巨大的衝擊。陳貴賢提到，李遠哲曾在懷念故友文章寫道「或許真的是已到了我該回家鄉的時候了」。很多人起初以為他只是暫時回臺灣，沒想到李遠哲真的一直留在臺灣，為原分所、中研院學術界以及臺灣社會持續付出。

張昭鼎離世之後，次年張昭鼎紀念基金會隨之成立。基金會繼承張昭鼎的精神，積極推廣科學教育，在李遠哲院士倡議之下，2011 年基金會首度舉辦了「居禮夫人高中化學營」（今為瑪麗居禮科學營）。瑪麗居禮科學營的招生對象，主要是對數理化學有興趣的高中學生，在四天的營隊活動，邀請重要學者做專題演講，特別精心設計分組實驗實作，讓學員對科學研究有親身體驗。

陳貴賢分享，原本營隊主要籌備是清華大學，後來張昭鼎基金會董事希望在中研院、臺灣師範大學以及張昭鼎紀念基金會的努力下，將營隊活動轉移到臺北。感念張昭鼎對原分所的貢獻，陳貴賢沒有第二句話，全力幫忙。從 2020 年開始，瑪麗居禮科學營就順利在臺北舉辦至今。

入世的科學家——張昭鼎

在原分所服務多年的陳貴賢，雖然和張昭鼎真正相處時間很短，但對張昭鼎的為人處世印象相當深刻。陳貴賢認為，張昭鼎之所以能體會基層的需求，正是因為吃過苦，他出身於困苦家庭，小時候幾乎都在戰亂中度過；而從小得知母親與「鴨母王」朱一貴的血緣牽連，也時刻提醒張昭鼎保持不隨波逐流的反叛思維。

陳貴賢：「他不是關在象牙塔裡面的科學家，他是一個入世的、對社會關懷很深的一個人。」

不僅在學術界有影響力，張昭鼎也在社會廣泛交友，認識許多執政黨與在野黨的人，並與他們建立友誼。陳貴賢提到，這也是當初李遠哲邀請張昭鼎擔任原分所籌備處主任的原因，看重他的人脈和社會參與能力。

除了人脈廣，張昭鼎也力求資源妥善利用。陳貴賢說，之前一位芝加哥大學畢業的同仁曾經回憶，當年張昭鼎到芝加哥去招聘人才的時候，他住的旅館是 YMCA 青年旅館！其實原分所在籌備階段經費是相對充裕的，但是張昭鼎堅持不浪費，將人民的稅金用在最需要的設備添購上。「他的堅持令人敬佩」，陳貴賢說道。

陳貴賢接著回憶，在籌建原分所期間，張昭鼎與行政體系常有意見相左的情況，因為行政人員認為只有法律允許的才可以做。而張昭鼎則試圖在法律找到合情合理的談判空間，所以他在原分所籌建過程也協助突破許多公務採購障礙，提升政府的服務效率。

陳貴賢認為，張昭鼎是一個跨越族群與階級的行動家。跨越族群的意思是，張昭鼎是閩南人、也是臺灣人，但是他不會因為本省／外省、客家／閩南等不同族群，在社會參與上劃地自限。跨越階級的意思是，他的出身困苦，並不是特權或貴族家庭，所以他是入世的、走出來的人，願意服務於基層，也願意為基層服務。

陳貴賢最後感慨地說，張昭鼎是跨越了不同階級與族群的人，只可惜他離開的早。接著，陳貴賢分享自己曾經隨手寫下的一首臺語歌，在訪談中哼了起來，以紀念張昭鼎先生。

啦啦啦啦　啦啦啦啦
啦啦啦啦　啦啦啦啦
地瓜落土　才會生湠
等待春天的雨水
新希望

陳貴賢解釋，這首歌的意思是說，地瓜要放進泥土裡面，才會長出新的葉子，並等待春天的雨水到來。當春雨來的時候，就是一個新的世代。人生路途中，有些人留得比較久，有些人走得比較快。像張昭鼎先生雖然不幸離開，但後面會再有新的一代，就像代表臺灣人的地瓜一樣，堅持著地瓜精神，一直延續下去。