暗物質與暗能量名稱相似,卻不是同一種物質的不同狀態。暗物質涉及解釋觀測到的重力效應;暗能量則涉及解釋宇宙膨脹為何加速。
先寫出觀測對象的尺度,有助於理解這兩個問題。詢問星系內恆星如何移動,與利用遙遠天體的距離比較宇宙膨脹歷史,不是同一個實驗。前者關乎質量分布,後者關乎大尺度隨時間的變化。「暗」不是指日常黑色物質的性質,而是提醒我們區分:現有觀測推論了什麼,以及哪些身分仍未知。起點應是資料與問題的差異,而非兩個名稱的相似。
1. 推論不可見質量的觀測
星系運動與重力透鏡等觀測,顯示只用發光物質很難解釋某些重力效應。暗物質模型試圖一併解釋多種觀測;但推論重力效應與確認由哪種粒子構成,是不同階段。
2. 膨脹加速與可能的解釋
暗能量是用於解釋加速膨脹的名稱。研究的可能性包括宇宙常數、隨時間改變的成分等。宇宙整體組成比例是根據觀測資料與宇宙學模型推估的值,不能當作實驗室固定混合物的比例。
3. 閱讀新結果時的問題
確認分析了哪些觀測、改變模型是否會改變結果,以及統計不確定性多大。與既有模型出現張力,或提出新候選者,不等於已發現真實身分。重要的是同一解釋能否在多組獨立資料中持續成立。
4. 對照不同尺度的重力資料
談暗物質時,資料不只是一個星系的旋轉,還包括星系團、重力透鏡與大尺度結構。要把發光物質分布連結到重力效應,必須一起考慮距離、運動與觀測誤差。這不是把所有看不見的東西都叫暗物質,而是尋找能一致解釋不同觀測的模型。
想像一組虛構星系資料:若測得明亮區域外的恆星或氣體運動速度,應先計算哪種質量分布可以解釋該運動。把星光換算為質量的假設,或氣體分布不同,推估也可能改變。不能只憑「照片裡很暗」決定暗物質的量。黑暗是照片亮度,問題的對象則是透過重力顯現的質量分布。
重力透鏡圖也不是直接拍攝物質成分的化學地圖,而是根據背景天體的光如何彎曲,推估質量分布的資料。與普通物質分布比較可提供重要線索,但在地圖上塗色,不會產生特定暗粒子的照片。應養成檢查圖例的習慣:顏色代表觀測的光,還是計算出的質量?
以不同方式描述重力的假說,也能與觀測比較。解釋好單一案例,和一併解釋多種尺度的資料,是不同要求。任何理論都應在相同條件下比較預測與資料,而不是只挑一張有利圖片評價。承認觀測上的難題,也不同於宣稱答案已確定為某種粒子。
5. 分開理解膨脹率與加速膨脹
宇宙膨脹不表示所有日常物體都按相同比例變大。宇宙學用模型連結大尺度距離變化與時間。若以同一組箭頭簡畫重力束縛的恆星、星系內部運動,就混合了不同尺度的物理。即使用氣球比喻,也只能說明表面距離的變化,不應假設外部空間也等同真實宇宙。
「正在膨脹」與「膨脹的變化正在加速」是不同陳述,正如汽車向前行駛,不足以判斷速度正在增加或減少。在宇宙中,我們利用過去天體傳來的光,比較距離與膨脹歷史。實際分析比日常比喻複雜,涉及標準燭光或其他距離尺度的校正,以及宇宙學假設。
暗能量關乎描述大尺度加速膨脹。可區分研究最簡單的宇宙常數解釋,與性質隨時間改變的模型。討論新資料是否完全符合定值、或偏好變動解釋時,統計證據與如何合併其他資料都重要。研究偏好改變,不能轉述成已在實驗室分離出某種物質的真實身分。
讀數字時,先確認比例的分母是什麼。宇宙學模型推估的能量組成比例,與銀河系特定區域的質量比例,不是同一個分母。把不同表格的數字相加,可能毫無意義。要同時看資料、假設與定義,才不會因小數位多,就誤以為不確定性小。
6. 檢查新發現報導的三種案例
第一例是地下實驗中的粒子候選訊號。要連到暗物質,必須評估裝置背景雜訊、已知粒子反應,並確認其他實驗能否重現。需要有推論過程,把天文觀測中的重力解釋與偵測器的一次事件連起來。未偵測到的結果,也可能因限制了哪些質量與交互作用範圍而有科學意義。
第二例是重新分析星系的研究。聽到質量分布與既有推估不同時,應看觀測對象、距離假設與分析範圍。單一天體的修正結果,不會取消整個宇宙的所有觀測;反過來,多項觀測支持相同模型,也不能成為忽略個別測量誤差的理由。核心是確認每份資料在解釋中扮演什麼角色。
第三例是暗能量性質可能改變的報導。檢查結果出現在哪種資料組合、比較模型的自由度差多少,以及後續資料是否同方向。「仍未知」不代表所有解釋都同樣有效。在最終發現身分之前,縮小觀測允許的範圍、確認新預測的工作仍持續進行。
整理暗物質與暗能量時,不妨別只背名稱,改寫兩個問題:「哪些重力效應難以只用可見物質解釋?」以及「用什麼解釋宇宙膨脹歷史?」在各問題旁寫下使用的資料與模型,就能看清新文章處理哪個問題,也能避免把兩種未知對象說成一種神祕黑色物質。