物理學家用幾種方法觀測宇宙所有物質所佔的比例,結果都得到了非常驚人的相同結果:
正常物質 5%
暗物質 27%
暗能量 68%
這其中,我們對佔高達68%的暗能量,知道它的存在,但是對它的組成和詳細情形,所知不多。暗能量是宇宙誕生之後持續擴大,至今還在擴大所仰賴的的能量;也可以視為在空間中的某種特殊作用力場,但是那個場和我們的粒子不會產生交互作用,也無法設計實驗測。簡單一句話,宇宙中68%的暗能量是我們不了解的部分。
佔27%的暗物質,我們只確定是一種物質,但是至於是不是一種粒子那就不確定了。暗物質有質量,所以會受重力的作用。暗物質沒有電磁交互作用力,不反射光也不發射光,很難直接觀察到,所以叫「暗」物質。我們對宇宙中佔27%的暗物質,也不了解。
透過量子力學的發展,我們對宇宙中約5%的物質比較了解。我們已經發現了12種物質粒子,其中6種稱為「夸克」,剩下的6種稱為「輕子」。物質粒子中的上夸克、下夸和電子(輕子之一),可以用來建構我們周圍的一切(想像一下化學元素週期表,上夸克和下夸克可組成質子、中子,再加上電子就是原子),但是我們對剩下的9種物質粒子為何存在及其用途,我們是不知道的。
「基本」物質粒子
第一代 第一代 第一代 電荷
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夸克 上 魅 頂 +2/3
下 奇 底 -1/3
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輕子 電子 緲子 陶子 -1
電子微中子 緲子微中子 陶子微中子 0
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一點點質量 多一點質量 更多質量
至於這12種物質粒子,是不是最基本的粒子呢?我們也不知道。
我們周圍的一切,可以用上夸克、下夸克、電子,依照不同的比例所形成的元素,建構出來。譬如我們的身體,看起來都是很紥實的,有具體的重量,那麼是不是身體裡所有的夸克和電子的質量加起來,就等於身體的重量呢?
答案是:No。
其實夸克和電子的質量加起來,只佔體重一個很小的比例,譬如只有1%。而主要的99%的體重,來自於把夸克和電子束縛起來的能量!
質量的定義,是指一個物體在被施力之後可以產生加速度的大小,也稱「慣性質量」。而人體的質量,主要(99%)就是推動把夸克和電子束縛在一起的能量,所產生加速度的大小了。質量幾乎等同能量了!
組成中子、質子的夸克以及電子,比起原子的大小,所佔的空間非常小,可以說不佔空間。所以,以原子及原子組成的分子所建構的身體,是諸多夸克和電子這種不占體積的「點」,用極大的能量牽制在一起,「空空如也」的空間呢!很難想像,看起來紥實的身體,在量子力學的角度看起來,是「空」的。
量子力學的理論,認為『……宇宙中的一切甚至作用力,都是量子粒子。量子粒子是現實的微小擾動,因此帶有波動性質,所以有不確定性。這些擾動在固定的宇宙中移動,擾動交互作用(一個擾動推動或拉動另一個擾動)時,彼此交換其他類型的波動粒子。』。在解釋物質粒子的微觀現象上,量子力學有很大的貢獻;但是一旦要進一步推廣到更巨觀的現象,譬如重力方面,就完全力有未逮了。
「重力論」的翹楚是愛因斯坦,他在1915年提出了「廣義相對論」,『物質(或能量)使周圍時空彎曲,改變物體路徑。在愛因斯坦腦海中的圖像裡,沒有重力作用,只有時空扭曲。根據廣義相對論,地球之所以能繞太陽而非奔向太空,並不是因為有作用力在軌道上拉引,而是因為太陽周圍時空受到扭曲,使得對地球而言的直線,實際上卻是圓(或橢圓)。』*
廣義相對論精準預測了黑洞的存在。質量大的星雲會造成時空的扭曲,光線進去不再出來,就形成了黑洞。
GPS的定位系統,衞星相對較快的速度會使得在衞星上的時鐘觀測到的時間顯得比較慢,廣義相對論的運用,使得GPS的定位能較準得更精確了。
共來物理學,是否可以發展出一個共通的理論,同時涵蓋「量子力學」和「重力論」呢?就讓我們拭目以待。
截至目前為止,物理學的研究,只了解了所有宇宙物質中5%內的一小部分而已。人類在宇宙面前,能夠感到謙卑都嫌有點太自大了呢!
從量子力學中,我們從夸克、電子幾乎不佔體積的狀況,了解到眼見為實的東西,其實是「空」的,「空」不是無,而是能量。真有意思。
*:《這個世界難捉摸》,豪爾赫·陳 丹尼爾·懷森 著,徐士傑 葉尚倫 著
2022/9/3 這個世界難捉摸 Damakey

