[毛記物理新聞報導] 搵唔到反而代表「搵到」？淺談缺乏暗物質星系嘅新發現（The evidence of absence implies “presence”? Comments on the latest lacking dark matter ghostly galaxies discovery)

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  (Credits: Jack Corbett)

喺舊年初，天文學家雲多肯（Pieter van Dokkum）領導嘅團隊喺著名科學期刊《自然》公佈搵到第一個「接近冇暗物質」嘅星系NGC 1052–DF2，震驚咗整個天文學界*[1]。哩個發現經傳媒大肆報導，喺坊間引起一定嘅討論。唔少反對暗物質理論嘅業餘門外漢仲話終於搵到暗物質（dark matter）其實唔存在嘅證據，終於證明到啲物理學家錯同9up啦！不過事實又係唔係真係好似佢哋講咁呢？

*最近一個月又公佈搵到第二個又係冇乜暗物質嘅星系NGC 1052–DF4[2]

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重溫乜嘢係暗物質 （Recap on dark matter）

事實上哩個發現反而係「證明」咗暗物質真係存在嘅有力證據。大部分天文學家同宇宙學家，包括哩個發現嘅研究團隊，都一致認同係咁。咩話？搵唔到暗物質其實=「搵到」？原來物理學家都鍾意好似港共政府咁「搬龍門」？ 當然唔係咁啦！要明點解物理學家反而會得出一個好似「完全相反」、違反直覺嘅結論，我哋首先要了解吓暗物質哩套理論係點嚟。

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  (Credits: PHD comic)

而家講𡁵嘅暗物質哩套理論模型喺上世紀30年代由天文學家茲威基（Fritz Zwicky）等提出，去到60-70年代要經由魯賓﹙Vera Rubin﹚等確立成型。暗物質就好似微中子（neutrions）咁，基本上同其他物質接近冇相互作用，我哋大部分情況淨係可以透過佢哋嘅重力影響間接推測到佢哋嘅存在。所以其實宇宙學入面微中子都算係暗物質嘅一種，不過係屬於熱暗物質（hot dark matter）。而現時天文學家同宇宙學家口中講嘅暗物質通常係指冷暗物質（cold dark matter）。後嚟物理學家再透過間接嘅重力影響搵到更多支持暗物質模型嘅證據，包括子彈星系團﹙bullet cluster﹚同重/弱重力透鏡﹙strong/weak gravitational lensing﹚等觀察現象，以及宇宙微波背景CMB嘅角功率譜 （CMB angular power spectrum）。詳細有關暗物質模型嘅討論小弟之前喺另一篇拙文已經講過[3] 。

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所以暗物質模型其實唔係得比較多人知道，同星系觀察有關嘅星系自轉曲線﹙galaxy rotation curves﹚哩項單一證據支持。而事實上要說服物理學界公認接受一套理論模型唔係一朝一夕，幾個物理學家9噏吓就得嘅事，相反係要有好多唔同、獨立嘅證據支持，包括邏輯、數學上嘅理據，好似要有同其他模型唔一樣嘅預測結果。

另一方面，如果暗物質真係唔存在，只係錯覺嚟，咁就要由修改重力理論出發入手去解釋觀察結果。暫時理論模型例子有張量-向量-純量重力論（Tensor-vector-scalar gravity）同重力熵力假說 (Emergent Gravity) 。前者就係修正牛頓重力理論 (Modified Newtonian Dynamics) 嘅符合狹義相對論嘅廣義版本，認為重力喺星系嘅尺度同機制上同太陽系、地球上嘅一般情況唔同，例如加速度去到好細時，平方反比定律（inverse-square law）就唔會再適用；後者就話重力根本唔係基本嘅物理相互作用嚟，只係微觀細小時空資訊間嘅量子糾纏結果，就好似熱力學係源於統計力學，係基本粒子間嘅其他相互作用衍生出嚟嘅效應咁。

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  (Credits: xkcd, #1758)

雖然坊間媒體（尤其中文嗰啲）喺報導相關暗物質新聞時，唔少時候都鍾意吹奏修正牛頓重力理論，但某程度上哩啲理論暫時都仲停留喺單純嘅數據擬合階段，畀唔到獨特、同暗物質模型完全唔一樣嘅預測結果。模型大部分嘅預測結果唔係同觀察結果有出入，就係同暗物質模型一樣或者根本上仲未有完整嘅研究成果出嚟（即9噏階段）。好似華林德（Erik Verlinde）近年受關注嘅重力熵力假說論根本仲未成功建構到一個可以同有暗物質嘅宇宙標準模型ΛCDM比擬嘅宇宙演化模型出嚟。同暗物質模型比較之下，而家根本缺乏太多理據去說服物理學家支持哩啲理論，所以先至會唔係學界主流。暗物質模型其實冇啲門外漢諗咁容易就可以話推翻就推翻。

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搵唔到暗物質其實=「搵到」？（Found no dark matter actually implies there exists dark matter?)

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  （圖擷取自CCTV新聞）

好啦，終於進入正題：點解喺某啲星系搵唔到暗物質=反證暗物質存在？咁係因為大部分嘅修改重力理論係「非常公平」，對所有星系係一視同仁，唔似某國或地方政府咁鍾意偏坦自己友。如果「暗物質」真係只係重力理論需要修正而衍生出嚟嘅錯覺假象，很難解釋為何會有啲星系冇「暗物質」，有啲就有。就好似牛頓嘅萬有引力所講，所有嘢都受同樣嘅重力機制影響，冇理由咁奇怪有某啲正常物質係特例，遵守另一套機制。星系NGC 1052–DF2同NGC 1052-DF4入面搵唔到暗物質嘅發現，證明就算喺同樣嘅星系重力環境下哩種「暗物質錯覺」都可以唔存在。哩個發現最自然嘅解釋就係暗物質真係由某啲粒子組成、真實存在嘅物質，所以先會喺某啲星系撞擊、演化情況下有可能被扯走或根本一開始誕生時就已經冇乜暗物質。哩個情況好似唔少偵探小說嘅情節，有啲情況下搵唔到指紋反而會令件事顯得更唔自然、可疑咁。詳細論文原作者嘅深入討論可以睇[4]

今次講到哩度，下次再講。

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延伸閱讀：

[1] 《A galaxy lacking dark matter》, Nature volume 555, pages 629–632 (29 March 2018), Pieter van Dokkum et al.

[2] 《A Second Galaxy Missing Dark Matter in the NGC 1052 Group》,  The Astrophysical Journal Letter, Volume 874, Number 1 (March 2019), Pieter van Dokkum et al.

《發現第二個無暗物質填充的星系，反而加強暗物質理論》by 科技新報

《Two Unusual Galaxies Shake up the Dark Matter Debate, Again》 by WIRED （英文）

[3] 《暗物質，宇宙學入面嘅毒撚/乾物女》

[4] Pieter van Dokkum’s blog

https://www.pietervandokkum.com/ngc1052-df2 （英文）

[5] 《We Just Found a Galaxy with Almost No Dark Matter》 by 《SciShow Space》（英文）

[6] 《No Dark Matter = Proof of Dark Matter?》by 《PBS Space Time》（英文）

[7] 《什麼是暗物質、暗能量？霍金也想知道｜《這世界難捉摸》｜【水丰刀】閱說書#39｜說書、書評》by 閱部客

主宰宇宙的黑暗勢力 (Dark force of the Universe)

http://hd.wallpaperswide.com/thumbs/dark_vader_star_wars_the_force_unleashed_ii-t2.jpg

(credit: 《Star Wars》)

“The Force will be with you… always.” （引述自《星球大戰》電影系列）

星戰系列又嚟喇，Star Wars: The Last Jedi 上年年尾上映咗，大家有冇去戲院「朝聖」呢？(小弟雖然貴為一介科學界中嘅小螺絲，但本人其實並唔係科幻小說或電影嘅狂熱份子，本人對星戰系列興趣唔大）

細個睇卡通片或大部分電影，永遠都係邪不能勝正，光明必定最終打倒黑暗呢套王道故事設定結局。不過呢套價值觀睇嚟係我地嘅社會唔太適用，尤其喺強國/小人當道嘅XX世界。但原來唔止咁，更甚嘅係原來連我哋身處看似「客觀公平」嘅浩瀚無垠^嘅宇宙都唔奉行呢套價值觀，而家真正統治𡁵世界嘅其實並唔係你同我呢班微不足道嘅人類，亦唔係光甚至一切現時物理學所熟識嘅東西，而係一股黑暗嘅「邪惡」能量—暗能量(dark energy)呀！

^宇宙係唔係無垠正確講其實冇人知係唔係。愛因斯坦都話：「有兩件事情是無限的，這宇宙與人類的愚蠢。我不太確定前者。」（“Two things are infinite: the universe and human stupidity; and I’m not sure about the universe.”）

宇宙膨脹𡁵，但係以乜嘢速度？加速𡁵定減慢𡁵？（Our universe is expanding, but at what rate? Is the expansion rate slowing down or accelerating?)

唔少人都聽過大爆炸理論，知道我哋而家宇宙起初係由無限細、密度無限大嘅一點「爆出嚟」（其實咁講唔啱，因為相對論喺接近黑洞中心呢類重力咁龐大，咁極端情況下嘅奇點singularity時會失效，唔能夠再正確描述現實物理狀態係點。所以正確講係冇人知現實應該係點。詳細有機會下次再詳細講），而且不停膨脹𡁵。之但你又知唔知宇宙以乜嘢速度膨脹𡁵？演化過程中膨脹速度又有冇改變過？

(Credit:NASA and ESA)

宇宙嘅膨脹速度其實唔係固定永恆不變，而係取決於佢本身內含各種唔同「物質」嘅各自嘅特性同佢哋佔宇宙整體能量密度嘅百分比多少。唔同幾何結構，唔同組成成份嘅宇宙佢哋嘅演化可以好唔同，有啲可能膨脹過程會隨時間減慢甚至到後嚟變成收縮；有啲就可能一直唔停咁加速膨脹𡁵，好似上面幅圖咁。

根據觀察結果，現時宇宙學嘅公認標準模型，其實宇宙膨脹速度一直都改變𡁵，過去好早期仲曾經以超光速膨脹*（根據暴脹論 cosmic inflation）過𠻹！咁宇宙而家膨脹速度係加速定減慢𡁵呢？如果簡單用牛頓萬有引力去睇，重力作為吸引力，而且影響範圍無限遠，所有物質都會感受到同樣重力，咁推論去諗，宇宙膨脹速度只會變得愈嚟愈慢，甚至轉方向變做收縮，最終導向宇宙大崩塌(Big Crunch)，變番做一點密度無限大嘅奇點。不過事實又係唔係咁簡單呢？

*呢度超光速膨脹冇違反相對論，因為相對論講嘅係物質同訊息嘅傳遞速度上限為光速，但時空嘅膨脹速度冇咁嘅限制

宇宙其實唔只膨脹o緊，佢而家仲係加速膨脹 （Our universe is not just expanding, its expansion rate is accelerating now)

http://s2.quickmeme.com/img/aa/aa033f7010870c29e65e9341eab51fbae984325038e6c10e51a158a7e1f32c6d.jpg

(Credits: quickmeme.com)

上世紀當愛因斯坦發表廣義相對論時，因當時嘅主流觀念影響，佢起初堅信宇宙係靜止唔郁而唔係膨脹/收縮𡁵。當然大家都知道後嚟結果係一班以費里德曼(Alexander Friedmann)為首苦心鑽研宇宙喺相對論框架下點樣演化嘅一眾物理學家佢哋提倡宇宙係膨脹𡁵呢套主張先至啱，並且經天文學家哈勃(Edwin Hubble)等透過觀察星系紅移驗證。

同牛頓萬有引力嘅重力理論唔同，相對論需要考慮埋時空本身嘅幾何結構同物質嘅能量同壓力密度，會令重力變成排斥力嘅物質/時空結構喺相對論框架下理論上係存在嘅。雖然係咁，但絕大部分物理學家所認知同觀察到嘅物質（除咗一樣叫真空能量vacuum energy嘅嘢）嘅特性都唔屬於呢類，直至上世紀未前，亦未有觀察結果指宇宙膨脹速度有加速嘅跡象，一般都相信宇宙嘅膨脹速度係會一直隨時間逐漸減慢，而且變為收縮甚至最終大崩塌，就好似用牛頓萬有引力推論咁。

不過喺上世紀90年代，天文學家舒密特（Brian P.Schmidt）同利爾斯（Adam G.Riess）等率領研究超新星嘅團隊透過觀察一堆1a型號超新星（type 1a supernova ）— 一種有標準模型，由一粒喺雙星系統（binary system）中嘅白矮星（white dwarf）因為同另外一粒星體合併而誕生，光度足以媲美星系而且屬於標準燭光（standard candle）#嘅超新星，發現喺我哋「附近」—宇宙紅移（cosmological redshift，z）好細並細於1（呢度講嘅「附近」係相對於宇宙宏觀大尺度，紅移 z~0.1其實講𡁵十億光年咁上下距離 [offtopic] 宇宙學上咁叫低/細紅移，不過天文學中叫「高」紅移[sosad]），亦即係宇宙時序上屬近年嘅星系根據多普勒效應（Doppler shift）推算出嘅遠離速度同距離並唔係簡單線性關係。呢啲超新星嘅光度亦比起身處喺一個減慢膨脹中宇宙嘅超新星光度暗，呢個觀察結果似乎指向一個加速膨脹𡁵嘅宇宙，好似下面幅圖表所表達咁。

(Credits: University of Alberta, https://sites.ualberta.ca/~pogosyan/teaching/ASTRO_122/lect30a/lecture30a.html)

之後亦有更多獨立、唔同類型用其他大尺度結構如宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background, CMB）同重子聲學振盪（baryon acoustic oscillations, BAO）等觀察結果推論出嘅模型同樣指向宇宙係加速膨脹𡁵呢個結論，確立咗宇宙現時充斥住一種會令膨脹加速叫暗能量嘅宇宙學標準模型。上面提到涉及1a型超新星呢個宇宙學發現後嚟喺2011年獲頒發諾貝爾物理學獎。

#標準燭光係天文學一術語，同蠟燭冇關。呢個詞彙係指一種我哋知道佢理論上本身有幾光，可以用嚟同測量出嘅光度對比從而推算出佢距離我哋幾遠嘅天體

咁暗能量係乜？(What is dark energy?)

好啦，講咗咁耐，你可能會問咁究竟暗能量係乜？好老實咁講，其實冇人知係乜，對呢樣嘢物理學家知道嘅甚至比暗物質更少。呢個詞只係宇宙學家對一種會導致而家宇宙加速膨脹，由早期減𡁵速變做「近年」加速（如下圖）嗰嘢嘅統稱。嗰名叫做「暗」能量，某程度上只係代表物理學家其實唔係好知嗰啲嘢係乜，「暗」物質（dark matter）都係 [sosad] 當然，暗能量叫得「暗」，都係同暗物質一樣同光或其他已知物質好似組成原子嘅重子咁冇乜相互作用，唔會自己發光，我哋暫時只係靠天文/宇宙學涉及重力嘅間接觀察知道佢哋嘅存在。

(Credits: University of Oxford, http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/dark-energy.html)

雖然都係叫「暗」，「睇唔到」，不過暗能量同暗物質好唔同。宇宙同物理學家之所以叫暗能量做「能量」，係因為呢樣嘢嘅特性同所有已知嘅物質（包括暗物質）完全唔同，用標準流體去模擬佢哋喺宇宙大尺度上嘅分佈時，暗能量嘅壓力密度P同能量密度ρ有下面嘅關係

呢度w叫狀態方程（equation of state）。根據相對論，能夠令重力變成「排斥力」，令宇宙加速膨脹ω必須要少於-1/3，亦即上面暗能量嘅特性。由於呢個特性太獨特，同我哋對物質嘅認知好唔同 （普通非相對論性non-relativistic物質，如溫度好低行得好慢嘅氣體/粒子，w=0，暗物質亦屬呢類; 光呢類相對性嘅物質，w則為1/3），為咗強調同區分所以宇宙學家叫暗能量做「能量」。

理論上，最「簡單」能夠解釋同乎合暗能量特性嘅係宇宙常數（cosmological constant），一樣愛因斯坦自認為（好似係）自己一生最大錯誤嘅嘢。愛因斯坦自認好錯係因為佢本身加呢樣入模型嘅目的係為咗令宇宙靜止唔郁，一個後嚟被證實係錯嘅睇法。宇宙常數係一種充斥喺時空入面任內角落，能量密度唔會隨時空膨脹/收縮而改變，同真空能量有密切關係嘅一樣嘢。因為模型「簡單」，參數只有一個，所以宇宙常數亦係暫時宇宙學標準模型ΛCDM對暗能量嘅「公認」解釋。呢度小弟強調「簡單」同「公認」係因為宇宙常數呢個解釋其實會帶嚟更多問題，宇宙學上統稱叫宇宙常數問題（cosmological constant problem)，好似同用量子場學推算出嚟真空能量數值差天共地（觀察數值同理論差10^-120倍）等等，有興趣了解多啲可以睇下面短片（英文），下次有機會再詳細講
https://youtu.be/bHqkl51KzmM

其他有可能解釋到暗能量係乜嘅嘢仲包括「第五元素」（Quintessence）、改良重力模型（modified gravity）或大尺度空洞模型（big void models)，不過呢啲模型一樣有各自嘅問題（當中尤其空洞模型帶嚟嘅問題最大）而且亦未有觀察證據顯示佢哋係乜，暫時暗能量係乜仲係現代物理/宇宙學未解嘅最大疑案之一，宇宙嘅未來會點仲係一個未知數呀！（PS: 「第五元素」唔係指化學/五行元素，同嗰套科幻電影冇關 [banghead] 呢度指嘅係一種會產生有別於重力、強核力、弱核力、電磁力嘅第五種力嘅物理純量場 scalar field）

“May the force be with you”，今次講到呢度，下次有機會再講。
https://youtu.be/G2nJlE9CNeo

[offtopic] 其實喺理論物理學上愛因斯坦加入宇宙常數根本冇錯，就算如果後嚟我哋冇發現宇宙加速膨脹嘅都係咁話。因為理論物理學設計理論模型時最重要講嘅係理論嘅對稱性（symmetry），任何乎合對稱性嘅數項都應該加入理論模型入面。廣義相對論模型嘅核心係微分同胚（diffeomorphism）呢種對稱性，宇宙常數係僅有少數簡單兼且乎合呢個對稱性嘅數項。

引伸延讀：
《Dark energy and the Big Rip》by Sixty Symbols（英文短片）
https://youtu.be/IJYDcXZMe9c
《We have no idea: a guide to the unknown universe》 by Jorge Cham and Daniel Whiteson
http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=newscan&id=472

白話文版：

https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/%E4%B8%BB%E5%AE%B0%E5%AE%87%E5%AE%99%E7%9A%84%E9%BB%91%E6%9A%97%E5%8B%A2%E5%8A%9B-dark-force-of-the-universe-c2a15824e9dd

暗物質，宇宙學入面嘅毒撚/乾物女(What is dark matter?)

自從互聯網出現咗，啲人足不出戶就可以通曉天下大事、享受各種娛樂之後，社會上就開始出現一堆隱蔽青年 (包括小弟?好似係[sosad])。呢個風氣仲愈來愈盛行，〈電車男〉、〈螢之光〉呢類講宅男/宅女/毒撚/乾物女嘅日劇、電影相繼播出。唔少專家都嘗試探討呢個現象出現背後嘅原因，坊間有好多唔同嘅觀點。

[搞爛gag中] 小弟都有自己嘅一套睇法，而原因就係因為我地嘅宇宙都充滿一樣類似、「自閉」唔鍾意social嘅物質 — 暗物質（dark matter）[1]，並且佔嘅比例比普通物質(正常人)多。 [搞爛gag中]

暗物質有幾「毒」？佢地又係乜嚟？

同毒撚/宅男/乾物女一樣，宇宙中嘅「隱青」都極唔鍾意同其他「人」social，除咗某些必要無可避免嘅時候。正如其名，暗物質唔會發光，係黑暗嘅。你可能會問:「唔會發光啫，生活上好多嘢都唔會發光架啦，有咩出奇?_?」係，的確好多嘢唔會直接自己發光，但都會同光有相互作用和social，好似反射光咁。

暗物質唔同，它係極唔鍾意social到除咗重力*之外，同其他物質幾乎冇相互作用。係我地物理學上已知嘅基本粒子中，除咗微中子(neutrino)之外冇類似嘅粒子。但微中子嘅質量非常細，最多都係得1-2 electron volts/c^2，比起電子仲輕好多，冇可能解釋到宇宙演進同星系自轉曲線嘅問題(下面再詳細講)。所以一般相信暗物質係由一種或多種唔同於一般物質（包括電子、質子、中子、微中子等）的基本粒子所構成。

其中一個最受歡迎嘅侯選「佳麗」係大質量弱相互作用粒子(WIMP, weakly interacting massive particles)。呢啲尚未被發現、冇乜相互作用但質量大嘅粒子有可能性係超對稱粒子(lighest supersymmetric particle, LSP)。超對稱(supersymmetry)係一個用嚟擴充現有標準模型(Standard Model)但尚未證實嘅理論，有機會下次再詳細講 =p

另一個唔屬於WIMP嘅可能性係軸子(axion)，一種用嚟解釋強相互作用(strong interactions)中CP問題可能存在但未經證實嘅粒子。[2]

最後比較冷門嘅「佳麗」係修正牛頓重力理論 (MOND, Modified Newtonian Dynamics)，即係指我地認知嘅重力理論其實唔岩，根本冇暗物質呢樣嘢。呢個理論由莫德采·米爾格若姆(Mordehai Milgrom)提出，話當一個系統嘅加速度細過 1.2×10^-10 ms^-2 時重力會變得唔同，inverse-square law唔再適用。不過呢個理論除咗星系自轉曲線外，未必如暗物質咁解釋到其他宇宙學上嘅現象，又衍生出其他問題，好似背後冇一個完整基礎理論解釋呢個「現象」點嚟。(ps: 最近好似有啲突破，不過仲喺好初步嘅階段[3])

暗物質唔鍾意social，咁我地又點知佢地存在？

上面話暗物質唔鍾意social，睇唔到，咁我地又點知佢地存在呀？答案係透過間接觀察佢地對其他物質、宇宙嘅重力影響。

(M33 嘅星系自轉曲線圖)

其中最著名嘅就要數由「食飽飯冇嘢做」、同藝術/體育一樣「冇經濟貢獻」嘅天文學家發現嘅星系自轉曲線(galaxy rotation curves)問題[4]。呢樣亦係「證明」暗物質存在最先發現嘅證據。30年代開始天文學家相繼發現螺旋星系嘅光度同半徑關係、外圍恆星嘅速度同理論有出入。之後70-80年代隨著科技水平提升，天文望遠鏡精準度提高，岩岩冇耐之前死咗 ='(  嘅薇拉·魯賓(Vera Rubin)憑著準確量度係好多唔同螺旋星系入面恆星圍繞星系中心嘅公轉速度，得出上面嗰種星系自轉曲線圖。運用簡單嘅牛頓力學，克普勒定律(Kepler’s laws)，佢同其他科學家推斷出除咗可以觀察到嘅正常物質外，星系入面應該仲有好多觀察唔到嘅黑暗物質。(詳細公式、推論請睇[5])

(X-ray photo by Chandra X-ray Observatory)

另外兩樣就係子彈星系團(bullet cluster)[6]同重/弱重力透鏡(strong/weak gravitational lensing)嘅觀察現象。呢啲同樣係透過重力透鏡(gravitational lensing)效應證明喺可見物質外仲存在睇唔到嘅暗物質。

最後除左天文學上嘅證據，仲有宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)呢樣宇宙學上嘅證據。要同觀察到嘅宇宙微波背景吻合，我地嘅宇宙需要大量冷暗物質(cold dark matter, CDM)。呢個係現今嘅宇宙標準演進模型，ΛCDM 模型 (詳細可以睇番小弟嘅處子文)。

今次講住咁多先，下次再講。

*因為廣義相對論話畀我地知所有有能量(包括質量)嘅嘢都會對時空做成扭曲同受其影響，換句話即係受重力影響

引申延讀:

[1] https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B4%A8

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Axion

[3]https://tomorrowsci.com/science/%E6%B2%92%E6%9C%89%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B3%AA%EF%BC%9F%E9%87%8D%E5%8A%9B%E6%96%B0%E7%90%86%E8%AB%96%E6%88%96%E8%A8%B1%E8%83%BD%E7%84%A1%E9%9C%80%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B3%AA%E5%92%8C%E6%9A%97%E8%83%BD/

[4] https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E6%98%9F%E7%B3%BB%E8%87%AA%E8%BD%89%E5%95%8F%E9%A1%8C

[5] http://www.astro.ncu.edu.tw/~wchen/wp_chen/essay/DarkMatter.htm

[6] https://astrobites.org/2016/11/04/the-bullet-cluster-a-smoking-gun-for-dark-matter/

https://www.youtube.com/watch?v=iu7LDGhSi1A (慎入:高手級別)

乜嘢係宇宙學? (What is Cosmology?)

http://www.sciencecartoonsplus.com/gallery/astronomy/galastro2c.php

宇宙學不是天文學

相信很多人大概都知道或學過一些簡單天文知識,好像九大行星(好像改了成八大行星，不管了)，知道甚麼是星系、恆星(其實我比較喜歡英文的叫法,galaxy,stars,planets,比起中文甚麼也叫星清楚得多) ，亦起碼有宇宙(Universe)這個概念。可是一般人大都不明白甚麼是宇宙學，最多只聽過Big Bang Theory、霍金(Stephen Hawking)，普遍也認為宇宙學是天文學的分支(小弟當年也是,所以起初報讀錯了物理加天文學課程)。

其實兩者有很大差別，天文學主要係研究恆星、星系，行星這些相對規模較小的東西；宇宙學的研究對象是整個宇宙，探索它的結構、起源和演進過程。當然兩者有重疊，關聯的地方，但其實在大部份範疇，宇宙學與理論物理/粒子物理學(particle physics)反而更接近(聽過LHC吧?)，宇宙學亦包括研究相對論在極端情況下的正確性，探討相對論以外的可能性。

現行之模型

宇宙學建基於愛因斯坦的相對論(General Relativity)，而目前為止最成功的模型是ΛCDM模型(ΛCDM)，Λ代表宇宙常數/暗能量(Cosmological constant/Dark Energy)，CDM代表暗物質(Cold Dark Matter)(註:不明白或覺得這些詞彙怪異是正常的，因為連我們物理學家都不知道它們是甚麼。不過請不要FF完或代入科幻小說的解說而以為自己明白 :O) )。ΛCDM這個名字簡單表述了我們宇宙的構成,而宇宙的演進過程(dynamics)則根據廣義相對論進行。站於門外漢的角度，以下是本人聽過最貼切的比喻 (credit: Dr Clare Burrage)

簡單翻譯一下: 就我們所知，宇宙的演進與焗麵包/蛋糕很相似,隨(烤焗)時間膨脹，不同的材料，成份會導致完全不同的結果。簡單而言，我們身處的宇宙的組成主要可以分為三大類別:宇宙常數/暗能量(Cosmological Constant/Dark Energy)、暗物質(Cold Dark Matter)和我們平常在地球，太陽系接觸到或現在物理學所認知的東西(Normal Matter)。

物質(matter)就好比麵粉，會互相吸引，粘在一起，組織成不同結構、紋路。暗物質和普遍我們認知，日常接觸到的物質相似，同樣受地心吸力影響。只是它基本上有如毒男(包括小弟)，不與任何東西包括光產生作用，所以我們只能從它們重力的影響間接推論它們的存在。而暗能量就好比酵母,令空間膨脹，使麵粉間出現氣泡。與烤製麵包/蛋糕一樣，大部份的情況下也只會得出垃圾，只有特定的組成比例才可以孕育出如我們所見的宇宙。

另外也探討(觸及)一些由古至今一直困擾我們身為人類的哲學問題，好像宇宙的起源。可是有別於烤焗，宇宙只有一個，我們不可能像烤製麵包/蛋糕般，不斷製造不同宇宙出來做實驗。我們只能透過精確的觀察來間接推論宇宙的歷史、演進，這是宇宙學與天文學獨有的難處，不過某程度上亦是我愛上宇宙學的原因(註:因為我很討厭做實驗)。

最後容許我用很geeky的方式以The Big Bang Theory的主題曲作結:

有空再談。

本文現已刊於立場新聞 https://www.thestandnews.com/cosmos/%E7%94%9A%E9%BA%BC%E6%98%AF%E5%AE%87%E5%AE%99%E5%AD%B8/