五光十色的螢幕正上演著一齣世代交替的歷史，一齣從來沒有一個人類經歷過的歷史。

　　與大部分文章討論的方式不同，本篇文章採用了比較特殊的角度來介紹某一個天文現象，主要希望在純理論的研究及望遠鏡的觀測外，能提供新的工具來察看我們的宇宙。一般在研究科學的程序上，不外先觀察，再設計理論模型來解釋所看到的，並預測可能發生的現象。基本上，本篇文章的探討過程與之類似，所不同的在於如何利用模型來解釋現象。大部分情形，科學家在面對複雜的真實世界，常覺得不知所措，因此最簡單、直接的作法就是先以簡化的模型來描述複雜的現象。例如在高速公路上，汽車加足馬力與速度變化的關係，我們都會先假設汽車輪胎與道路沒有摩擦力、沒有空氣阻力……。在理想的狀況下，我們發現F=ma。在解釋複雜的宇宙時，筆者基於個人的喜好，希望藉由電腦模擬的方式來表達一些觀念，並利用電腦強大的運算能力，在較少的簡化手續下，儘盡可能描述宇宙。但在進行電腦模擬之前，必須花些時間說明模擬的問題到底是什麼，電腦模擬的部分留到下期容稟。

失蹤的物質

　　近幾十年來天文學中存在一個問題稱做「失蹤物質的矛盾」(missing mass conflict)。簡單地說，宇宙似乎存有我們無法觀測的物質；許多證據顯示，宇宙中可能有將近九成的物質是看不見的，我們稱之為黑暗物質。這是多麼駭人聽聞的消息！宇宙中竟然充滿了鬼魂般的東西，飄來飄去。天文物理學家Scott Tremaine曾說：畫家梵谷的「星月夜」(The starry night)說不定才是真實宇宙的長相(見圖一)。我們對於宇宙的認知及了解全都來自於光子，不論是來自恆星的可見光、來自高溫電漿的X射線、或是宇宙背景輻射的無線電波，它們全都是光子，只是波長不同罷了。假如宇宙中存在著不發光的物體，那我們是很難看到它們，黑洞就是一個例子。不過，不發光的物質還是可以間接地證實它們的存在，這也是天文學家認定宇宙有黑暗物質的有力法寶。

當一物體繞另一物體做圓周運動時，根據牛頓萬有引力定律可以得知圓周速度與距離的平方根成反比，也就是說，愈靠近中心，所受的重力愈大，若要維持一定的圓周運動，就必須有較大的離心力與之平衡，所以必須轉快一些。離中心愈遠，重力愈小，雖然離心力也較小，但是離心力與距離一次方成反比，而重力卻是距離平方成反比；相較之下，重力減少得較多，離心力只需要較小的圓周速度就可以與重力平衡。對螺旋星系來說，大部分的質量都集中在中心，外邊恆星的圓周運動應該與上述情形類似，也就是圓周運動的速度與距離平方根成反比。仔細觀測發現，外圍的速度反而成一定值(見圖二)。這表示原先認為質量集中在中心的說法是錯誤的。但是質量集中在中心是我們「看」來的，根據觀測，螺旋星系的中心有一個很大、很亮的核球(bulge)。既然看起來中心的發光質量較多，但萬有引力定律說質量分布並不集中在中心，我們可以這樣推論：有許多看不見的物質分布在整個星系內。這是多麼令人感到訝異，但是我們除了間接證據外，實在沒有辦法證明黑暗物質的存在。那更不用說黑暗物質到底是為何物？

早在1933年，加州理工學院的Fritz Zwicky就曾仔細分析后髮星系團內星系的運動速度。他發現星系的速度太快，造成整個星系團不可能會聚集在一起。但是其他證據顯示后髮星系團是個相當穩定的星系團，因此Zwicky下了一個結論：這個星系團一定有我們看不到的物體，可以使星系團不會四散紛飛。

　　另外，根據古典力學的均功定律(virial theorem)，我們可以求得一個達到動力平衡的封閉系統，它的平均動能與重力位能之間的關係式。只要測量系統內每個質點的相對速度，求得平均動能，然後透過均功定律求得重力位能，也就知道整個系統的總質量。利用這套方法，我們發現小至10⁷太陽質量的星系，大到10¹⁵太陽質量的星系團，都應該有黑暗物質的存在。

　　在整個宇宙的尺度下，也必須有黑暗物質才能使我們的宇宙停止膨脹。由紅位移的觀測，使我們相信宇宙正在膨脹，宇宙中的每個物體都遠離我們而去，遠離的速度與物體到觀測者距離成正比，這個比例常數稱做哈柏常數(Hubble constant)。宇宙是否會繼續膨脹、或是會停止膨脹、甚至收縮，全看膨脹的速度以及宇宙的平均密度。假如膨脹率高，宇宙會永遠地膨脹，我們稱為開放的宇宙(open universe)。假如膨脹率低，宇宙最後會停止膨脹而收縮，我們稱為封閉的宇宙(close universe)。二者之間的平衡點稱為平坦的宇宙(flat universe)，這時的宇宙質量密度稱為臨界密度。觀測物體的遠離速度和距離，我們可以算出哈柏常數，顯示我們的宇宙可能是一個平坦的宇宙，也就是說宇宙的平均密度只比臨界密度小兩個百分點。但是「看到的」平均密度卻只有臨界密度的七成或八成。

　　由以上種種證據告訴我們，宇宙中一定有看不見的物體，而且為數不少。宇宙中那些物質可能是黑暗物質？是瀰漫在宇宙中的稀薄氣體嗎？這些氣體已經可以被觀測而計算出它的質量。是塵埃嗎？塵埃雖然不發光，但它會擋到背景的星光而發現它的存在。黑暗物質不僅不發光，也不會與其他物質有交互作用(除了重力)。除此之外，星系四周的黑暗物質和瀰漫在整個宇宙的黑暗物質是否相同？這些問題實在令人抓狂！

　　令人感到驚訝的是，黑暗物質竟然也和星系的形成有密切關係。剛開始思考星系形成的原因，很容易就可以想像星系是由一堆星球透過重力吸引聚集而成。當然，在星球完全均勻分布的情形下，重力聚集的狀況是不會發生，所以要在宇宙中形成星系，一定要有局部的密度不均勻，這時在密度高的地區有較大的重力吸引四周的物質。顯而易見地，局部的密度越大，吸引四周物質的能力也越強，形成星系所需的時間也就越短。不過這個構想卻在宇宙背景輻射的確認後，受到嚴重的考驗。宇宙背景輻射到底是什麼？它和星系形成有什麼關連？它帶給星系形成理論什麼樣的衝擊？要解答這些疑問，就讓我們從背景輻射的發現開始說起。

宇宙微波背景輻射

　　1964年，貝爾實驗室在新澤西州克勞福山(Crawford Hill)擁有一座很特殊的無線電波天線，這座天線本來是為了衛星通訊而建的，但是因為它擁有一超低噪音的喇叭型反射器，使它成為無線電天文學的有力工具。兩位無線電天文學家ArnoA. Penzias與Robert W. Wilson一開始就是利用這個天線測量本銀河系高緯度發出的無線電波。

　　1964年春天，Penzias和Wilson接收到了大量的7.35公分無線電波，這電波與方向完全無關；這個噪音經過幾個月都一直沒有變化，所以它很可能不是來自本銀河系，因為如果是來自本銀河系的話，那麼與本銀河系類似的仙女座星雲也應發射相同的噪音，但是以前為何並沒有發現呢？而且這個噪音與方向無關的特性，也強烈地暗示如果它們是真實存在的，那它們應該不是來自本銀河系，而來自宇宙中更大的區域。

　　這個7.35公分的微波所相對應的黑體輻射溫度約在2.5K~4.5K之間。最早在約翰霍浦斯金大學的年輕理論物理學家P.J.E.Peebles預測，現今的宇宙必定留有早期宇宙遺留下來的微波輻射背景，它的相應溫度大約在10K左右。後來再仔細計算約在3K左右，正好與觀測相符。背景輻射的發現使得Penzias和Wilson獲得1978年諾貝爾物理獎。

　　3K黑體輻射的重要性在於它支持了大霹靂理論。簡單地說，在大霹靂發生後，宇宙的溫度、密度非常地高，一般物質與光子相互劇烈碰撞(主要是散射效應)，達到平衡狀態。當宇宙膨脹時，溫度、密度逐漸下降至物質與光子不再有交互作用，此時物質與光子便分道揚鑣。光子隨著宇宙膨脹而降低溫度，直到現今的3K，由於這些光子充斥在宇宙各個角落，形成一個宇宙的背景輻射。根據COBE的觀測結果顯示，宇宙背景輻射分布與黑體輻射的理論吻合，它的資料是如此地完美，約2.735±0.06K，並且在各個方向上分布非常均勻(見圖三)。均勻的背景輻射是可以理解的，因為在物質與光子分道揚鑣前，它們呈平衡狀態，物質分布均勻，光子也會分佈均勻。總而言之，從觀測的背景輻射，我們可以得知初始宇宙的物質分布情形。

但是問題來了！COBE的觀測結果顯示背景輻射在各個方向上太均勻了，這表示宇宙剛開始形成的時候，物質的分布一定也非常均勻，在如此均勻的情況下，現今不均勻的宇宙是如何形成？星系是如何形成？星系團又是如何形成？這個問題造成大霹靂理論的困擾。

星系的形成

　　嚴格說來，星系形成的理論屬於宇宙論的範疇，但它並不是令人覺得遙不可及的學說，所要討論的對象也不是一些虛無縹緲的幻象，比如白洞、灰洞、或者是討論與我們同時存在在另一個空間的宇宙或反宇宙。我們只想介紹自大霹靂之後，四散紛飛的氣體是如何形成現今所看到的宇宙。再縮小一些範圍，就是我們所看到的星系是如何形成。星系形成說來簡單，一團氣體受重力吸引聚集而成，但是我們不要忘了氣體之間有氣壓存在。氣球灌滿了空氣，只要稍用點力就可以使氣球變形，但換做是輪胎灌滿了空氣，就不容易變形，主要原因是輪胎內的氣壓較大。一團氣體收縮到某種程度就會受氣壓的反抗而無法繼續收縮形成星系，不過假如這團氣體體積夠大，重力是可以贏過氣壓，這時氣體就可以不斷地收縮。進一步說，在一均勻分布的氣體中，假如某一區域的密度較四周高，這塊區域就會向它的中心收縮，它是否可以繼續收縮，就得憑藉二個條件。第一、它的重力是否夠強，第二、它的氣壓是否夠小。假如這團密度較四周高的氣體氣壓較大，那麼除非它的體積很大，有足夠的重力，否則它將不會無限地收縮。反之，氣壓小，那它的體積不需要太大，就可以無限制地收縮。一般我們稱密度較高的區域為擾動，比四周高出來的量稱做擾動量，擾動量剛好可以無限制收縮的尺寸大小稱為金斯長度(Jeans length)，假如擾動量的尺寸大過金斯長度我們稱它為金斯不穩定(Jeans instability)，也就是說這擾動量將會不斷地收縮，它本身產生的壓力是無法抵抗重力。金斯不穩定也就是星系形成的主要理論。

由上而下還是由下而上

　　基本上，星系形成的理論可以分成兩大主流，其中一支是由蘇聯物理學家Yakov B. Zel'dovich所領導的由上而下理論(top-down)，或稱薄煎餅理論(見圖四)。另一支是由美國的Joseph Silk所領導的由下而上理論(bottom-up)。先前提到星系形成理論的核心是金斯不穩定，它只提到一團氣體受重力吸引而崩塌形成星系，對於整個宇宙的各個結構形成的先後次序並沒有多加說明，也就是說星系和星系團那一個先形成還是個未知數。由上而下理論認為，宇宙是先形成最大的結構─超星系團(supercluster)，然後才是星系。反之，由下而上理論就是形成方向相反，先形成星球，其次星球聚集成星系，然後星系團、超星系團。二者形成方向不同的主要原因，應該是金斯長度的不同。由上而下理論認為剛開始金斯長度較大，所以當均勻氣體開始分裂的時候，大小約一個超星系團，由下而上理論則是較小的金斯長度，所以先形成尺度較小的星球或星系。為什麼會有不同的金斯長度？Zel'dovich認為宇宙剛開始也有小的不均勻塊，只不過有某些效應會將這些小擾動抹平，剩下大的擾動。這是1970年代所提的理論，不過當黑暗物質的加入，星系形成的理論就變得更加豐富。

黑暗物質與星系的形成

　　前面提到COBE朝各方向觀測的背景輻射變化不大，表示當光子和物質分道揚鑣，物質分布均勻、或者說不均勻的程度遠低於我們的觀測能力。那麼根據計算，在宇宙有限的歲月裡是不可能靠那些不均勻的收縮形成現在的星系。這其中一定有其他方式可以形成星系。

　　假如宇宙中有某種物質(暫時稱做X物質)，它與其他物質只有重力的交互作用，這種X物質雖然有些詭異，但是對星系形成有很大的幫助。我們剛才提到宇宙背景輻射可以告訴我們初始宇宙的物質分布情形，因為物質和光子有相互作用，物質當時的行為可以拓印在背景輻射上，但是對於只有重力作用的X物質而言，背景輻射是無法透漏出它的分布狀況，所以這種X物質便有機會自行收縮，然後在密度較高的區域吸引一般的物質。這種特異的X物質不和光子有交互作用，躲過了背景輻射的限制，但它有重力吸引的能力，幫助一般物質進行星系形成的。假如這種X物質就是先前提到的黑暗物質，那它可以提供失蹤物質的來源，又可以對星系形成做出合理的解釋，許多問題都可以迎刃而解。現今黑暗物質的候選人很多，就其分量來區分，有重量級人物，如彗星(comet)、木星型行星(Jupiter-like planet)、矮星(dwarf)、黑洞。它們的組成為質子、中子，都屬於重子(baryon)。另一類為輕量級人物，它們大多是高能物理研究的對象，如微中子、重力子、磁單極，只不過黑暗物質到底是啥，至今尚無定論。

微中子

　　我們不禁要問這些黑暗物質是否可能是微中子？多年以前，微中子就被確認存在，但是物理學家都假設微中子不具質量、或者說質量太小，小到實驗都無法測量。根據宇宙論說法，微中子的確存在，它的數量與光子相當、或者說每一原子相對應有10¹⁰個微中子。假如每個微中子有些微質量，比如有一億分之一個原子質量，那麼整個宇宙中所有微中子的總質量將會非常可觀。在物理界尋找微中子質量的實驗也不斷地進行，1980年，加州大學的F. Reines、H. Sobel和Elaine Pasievb宣稱找到微中子的質量。緊接著，前蘇聯物理學家利用不同的測量方式，也證實微中子的質量。但是後來的幾個研究團體重做實驗，卻無法找到微中子的質量。1981年，歐洲CERN的二支研究小組無法重新驗證加州大學的實驗結果，美國費米實驗室(Fermi lab)也找不到微中子質量的證據。

　　由於微中子不容易和光有交互作用，所以宇宙大霹靂後約一秒的時間，微中子就和光子分道揚鑣，各走各的路，假如微中子的確擁有質量，那它的質量一定很小，所以它的運動速度很快。隨著宇宙膨脹，速度會逐漸變慢，估計至今大約還有每秒一千公里的速度運動，一般的星系逃脫速度為每秒只有200公里，這麼快速的微中子，很難想像要如何利用它來吸引其他物質形成星系！

　　所以此處有二個爭議點：第一、我們希望所有的微中子聚集在星系內，使星系有足夠的質量；第二、微中子速度太快，應該沒有一個能聚集在星系內。現在該是使用電腦計算──有時候可以稱為數值模擬──的時候！(未完)