【推舊文】由物理概念名稱談暗物質與暗能量

讀者朋友如果睇完上星期《真係好科學-暗黑宇宙》，可以睇埋呢篇文🥸

／／暗物質和暗能量相信是少數幾個理論物理中最前沿、而又深入大眾文化中的物理概念。

以我自己科普經驗為例，很多讀者朋友都對有關暗物質和暗能量的研究新聞感興趣。我的專業並非理論物理，對於這兩個高度理論性的題目並不太在行。不過，當我嘗試解答各種關於暗物質和暗能量的問題時，我發現導致概念錯誤的主因可能根本不是讀者的數學、物理背景或程度問題，而是這兩個物理概念的名稱問題。

物理學家與數學家都是人，在表達概念時少不免需要用到文字（這不是廢話嗎？！）。而原來有一個很重要的學術界習慣，很多時候我們做科普、數普時都會忽略：很多字詞在專門研究範疇內的定義，都與一般用法完全不同。

我發現這一點的原因，是我漸漸留意到很多時候我們面對非本身專業的概念時，都會嘗試理解概念名稱的含義。當面對理論物理這一種需要極高數學技巧的概念時，對非專業的讀者來說，能夠理解的大概只剩下概念的名稱。不幸地，從物理概念名稱含義入手分析問題，往往都只會是死胡同，因為支撐物理概念的根本不是語言學，而是實實在在的數學。

暗物質根本不是物質？

物理學家數學技巧可能不錯，但取名技巧就非常糟糕了。暗物質的「暗」與「物質」，有一半是不太正確的。

物理學家早於 1930 年代已經發現了暗物質，不過那時候並非稱為暗物質，而是「找不到的質量」[1]。宇宙間有上億個星系，包括我們居住的銀河系。天文觀測顯示，環繞星系核心公轉的速率太快了，恆星應該會像汽車高速入彎時摩擦力不足而被拋出軌道。換句話說，星系根本不應該存在！

這究竟是什麼回事呢？答案就在萬有引力。既然恆星沒有被拋出星系之外，那麼就必定是萬有引力把它們拉著。然而，即使把一個星系內所有恆星提供的萬有引力都加起來，結果仍然太弱，不足以拉住高速環繞星系公轉的恆星。

質量越多，萬有引力就越強。無論以愛因斯坦的廣義相對論抑或以牛頓的萬有引力定律計算，恆星都實在公轉得太快了。所以物理學家就把那些「多出來的引力」歸功於一些看不見的質量，即是我們現在稱呼的暗物質。所以，暗物質可能根本就不是物質，而是其他一些能夠造成星系恆星公轉速率如此快卻不會拋出星系外的物理效應也說不定。

所以，我們知道原來暗「物質」根本不是我們認識的那種物質。而且，那個「暗」字其實也有點誤導。暗字明顯比喻「找不到」的質量，不過它其實有著更深含義。

暗物質之所以稱為「暗」，當然是因為我們找不到它們。可是，即使它們當真是物質，其物理特性也必然與我們知道的一般物質不同。首先，一個成功的暗物質模型 [2]，必須要不參與電磁交互作用。換句話說，就是與光子沒有互動，兩者互不干涉。這才是它們被稱為「暗」物質的原因，是帶有明確物理定義的。

暗能量根本不是能量？

如果說暗物質是「找不到而會產生引力的東西」，那麼暗能量就是「找不到而會產生反抗引力的東西」。

解釋暗能量的來源，要回到愛因斯坦於 1915 年發表的廣義相對論。廣義相對論修正了牛頓的萬有引力定律，把引力（即重力）描述成時空曲率。愛因斯坦推導出的廣義相對論方程式除了能夠描述宇宙之外，亦得出一個推論：宇宙不是在膨脹就是在收縮。

愛因斯坦不喜歡這個推論，他認為宇宙必須是永恆存在，不會變化的。然而，由於重力只能是相吸的，宇宙必定在加速收縮或減速膨脹之中。因此，在不影響方程式正確性的前提下，他加入了一個常數項，稱之為宇宙常數，用來抵消互相吸引的重力，希望能夠得到一個靜態的宇宙。

可是，宇宙從不用看人臉色，即使你是愛因斯坦。哈勃透過測量星系的距離和後退速率，發現了宇宙正在膨脹，令愛因斯坦收回宇宙常數。

由於重力只會互相吸引，宇宙膨脹終有一天會逐漸減漫至停頓，然後開始收縮。然而，宇宙總愛捉弄人類。1998 年，兩隊天體物理學家團隊 [3] 獨立發現宇宙不單止正在膨脹，而且膨脹正在加速！

大概根本沒有任何人曾經想像過這個現象。只會互相吸引的重力，如何使互相遠離的星系以越來越快的速率後退？這就好像向上拋起一個網球，網球非但不掉下來，反而向天空越飛越快！

物理學家找不到任何已知物理概念去解釋這個現象，因此就把宇宙加速歸咎於「暗能量」。產生暗能量的可能是宇宙常數，但沒有人知道暗能量和宇宙常數究竟是什麼。

再一次，「暗」字表示它不會放出電磁輻射，而且我們對其成分毫無頭緒；「能量」則是比較技術性的描述，與概念「真空能量」有關。而與上述暗「物質」是否物質一樣，我們其實連暗「能量」是否真的是種能量也不知道。

宇宙是場暗物質與暗能量的較量

現在物理學界最流行的宇宙模型是所謂的 Λ-Cold Dark Matter (Λ-CDM) 模型，即 Λ-冷暗物質模型。其中， Λ 指的是宇宙常數產生出暗能量、「冷」代表暗物質的速度遠低於光速、「暗」指不參與電磁交互作用。

暗物質使星系互相吸引，暗能量則使星系互相遠離。因此，研究宇宙裡的星系分佈，就可獲得關於暗物質和暗能量的資訊。

最近，一項稱為暗能量普查 (Dark Energy Survey, DES) 的最新研究 [4] 測量了 2 千 6 百萬個星系的間距，計算出宇宙的成分有 74% 是暗能量、 21% 是暗物質，而剩下的 5% 才是一般物質和能量。換句話說，人類科學文明所知的一切物理和化學知識加起來，只是宇宙間所有東西的冰山一角。

這項也是唯一一個準確度能夠與普朗克衛星 [5] 的研究結果相提並論的研究。普朗克衛星亦是測量宇宙中有多少暗能量和暗物質的研究計劃，不過它用的方法不同。普朗克衛星直接拍攝宇宙嬰兒時期的照片——宇宙微波背景輻射，從而計算暗能量和暗物質的多寡。

兩項研究的計算結果雖然十分接近，但仍有著微小差別。這差別令很多物理學家感到興奮，因為如果屬實，我們就必須重新檢視各種宇宙模型。同時，這亦是科學精神的彰顯。

註：
[1] Neil deGrasse Tyson 談暗物質和暗引力等議題。
[2] 「模型」一詞在科學中亦有特別意義，指描述現實世界中的現象的數學結構。
[3] Supernova Cosmology Project 和 High-Z Supernova Search Team。
[4] 暗能量普查資料量龐大，研究團隊目前仍在不斷分析當中。
[5] 或稱普朗克巡天者。／／

第六屆後浪賞 #似有非有實用獎
逗點，Comma
設計團隊 | 鄭瑞德 陳芳瑜
建國科技大學
　
相信策過展或是搬過家的人一定都會有一個經驗，俗稱蝸牛的橘色封箱膠帶台真是他X的有夠難用。市面上改良版的封箱膠帶台也不多，看到鄭瑞德設計師、陳芳瑜設計師設計的膠帶台「逗點」時，真的是非常深得我心！
　

使用膠帶台的時候，很常貼完交代之後留下來的一段膠帶會黏回到膠帶台身上，同學設計了一個摩擦力較大的橡膠組件在刀片下，膠帶會因為靜電而黏在其上避免回黏台座本身，若不小心黏到膠帶台本身，特別設計的凸起物也能讓使用者很快地把膠帶摳起來，這個小地方讓人感到十分貼心。此外，為了方便左右撇子都能使用.......（全文與多圖詳見連結 http://designsurfing.biz/page/115/1）
　
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第六屆後浪賞 #似有非有實用獎
Teaspoon Bottle
設計團隊 | 鄒展城
高雄科技大學 創新設計工程系 畢業展 人之初
　
如果每個產品設計師心中都有一個馬克杯的話，應該也有一部分的設計師心中有一組調味料罐。有的會針對使用者經驗優化、有的則是不管機能性與否著重在設計語彙的表達。這幾年印象中看過最有印象的調味料罐設計，應該是日本設計師鈴木啓太為「THE SHOP」設計的醬油罐，承繼龜甲萬醬油瓶的基因，簡潔至極致的瓶身線條非常優美，因為瓶口處的溝槽設計使得醬油倒出後不會滴流至瓶身，堪稱我心目中第一的醬油罐設計。
　
而世界上充滿著數千、甚至是數萬種不同的調味料罐設計，想挑戰這個題目的同學可說心臟非常大顆。但今年發現鄒展城設計師的調味料罐作品「Teaspoon Bottle」卻又再次打破我對調味料罐設計的想像。
　
他本身喜歡料理，但每每看食譜的時候總會思考到底上面寫的一茶匙是怎樣的一茶匙，因此他結合原本是機械系的背景，研究開發出一個很有趣的機構，設計出一組使用上很直覺的調味料罐。粉狀調味料的部分，藉由甩動的動作......（全文與多圖詳見連結 http://designsurfing.biz/page/115/2）
　　
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風險管理已經夠老土！仲貼咩地？所以要解釋一下何謂貼地風管。

今天，尤其是在作爲國際金融中心的香港，風險管理已變成一項專業。好像只有首席風險官和火箭科學家才懂什麼是風險管理，他們可能給你一種似曾相識的感覺：你哋啲普通人唔會明，總之我哋話你聽OK就得啦。

但事實上根本無得揀，每個人都面對風險，每日每個決定你都在管理緊風險。在地鐵站內一路行一路玩手機，你其實不自覺已經計緊數：有幾多人好似你咁，邊行邊玩手機？分心狀態下你反應夠唔夠快？同人互撼你會有幾傷？所以一般人上落樓梯會唔玩住，離遠𥄫到大隻仔衝過來都會停一停，這就是天賦的風險管理能力，即是 common sense，按常理判斷。

有人認為，在專業範疇面前，真假唔識分，連有什麼不知道也不知道 （行內叫 unknown unknown)，根本無從用常理判斷！我個人看法有點偏激但絕無貶意：不少專家所討論的專業觀點和概念，都是極度技術性和學術性，企圖建構一套全面覆蓋的框架，涵蓋所有可能發生的情境。在平常日子，這些高度細緻和技術性的分析往往派不上用場，最能應用的情境可能是開會時「扮勁」。結果精力消耗了、集中力低了、應變的資源都少了，導致連平日較常面對的風險也處理得不好。

如果有人拋個波給你，你好地地用手接住唔得嘅。如果接波是一項專業，專家會同你講，你應該用目測，從波的顏色、結構、平滑度和反光度，評估這波是用什麼材料做，實心定空心，波的表面有無機會有尖銳硬物要避免觸碰，有無液體在波面改變摩擦力，還要評估波拋過來的路線和速度，周圍有什麼障礙物可能影響波的路線，光線反射折射的影響等等，再按這些資料計算你雙手伸出的速度和角度，還有手腕和手指的鬆緊度應如何變化才能有效緩衝波的撞擊力。專家要涵蓋世上所有可能出現的接波情境，所以他們有道理。但若你跟住做，個波飛到埋身都仲評估緊，食硬波餅！

以投資為例，好多人都不懂分析股票、利率、外匯、信貸、商品等基本風險元素；也不理解現貨、期貨、期權、掉期和其他衍生出來的結構性產品之間有什麼關係；更無法真正掌握例如貨幣政策、宏觀調控、金融風暴等大題目。在這情況下，不用常理判斷，唔通去讀個博士學位？就算俾你讀到，都只係「識講」，同「識」係兩個完全唔同的概念！

要做到用常理判斷，有兩個難點。

第一：現代社會變得太專業化，專業人士要維護自身利益，必需離地，令你覺得佢識你唔識。但撫心自問，如果專家只懂說話玄之又玄，無能力清楚解釋問題讓大眾明白，這算什麼專家？

第二：現代人太繁忙，壓力太大，可能無時間動腦筋，選擇盲信專家。要懂得按常理管理風險，就要多動腦筋。想得多就會慢慢體會，很多時侯，恐懼會令你無限放大「即時風險」，令你忽略甚至忘記「將來風險」。例如前線員工犯錯，如果立即上報和糾正，上司鬧兩句但多數會體諒，還會覺得員工老實信得過，計落分分鐘有so。但很多人因為恐懼，無限放大即時風險，以為上報好大鑊，所以「拖」 — 因為「拖」屬於「無行動，inaction」，很多人以為風險不會變化 ！但「拖」會大大增加將來風險，因為過了「自爆」時機就小錯變大錯，仲要以後無人信！要克服恐懼，就要多做腦部運動。

人生不同階段就有不同興趣，我放下工作後，睇完港鐵新聞「㷫起」，於是「興起」開壇，想試下自己能否貼地一點，把風險管理的概念和應用，放到日常生活，以常情和常理分析問題，看看能否引起共鳴。也希望透過分享我看問題的角度，吸引大家一起做腦部運動，提升風險管理的能力。

22-29 兜兜轉轉做過幾個行業，29-51有幸做非常喜歡的工作，51-7x有無限可能。我的短期目標是：除了和太太一起煲劇、旅遊、運動和搵friend吹水外，剩下來的時間就做這件事。

鄭發

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題目澄清：兩物體之間的「作用力」應為兩物體之間的「摩擦力」。

先備知識：
1.牛頓第一、二、三運動定律

影片重點：
1.可以分三個情形分析力的狀況。
2.第一，把大M小m合在一起看作一個物體，即可利用F=ma算出加速度（兩者一起運動所以兩者加速度相同。）
3.第二，看只受接觸力的那個物體，它所受了力=ma(a就是上面所算出來的內容。)
4.第三，可以看同時受力與受接觸力的那個物體，同樣符合合力=ma，只是它的合力會等於受力減掉接觸力。
5.本題思考與「3-2例題05水平力推動時左右兩物體間之作用力 」雷同，唯一差別是兩物體的接觸力在第五題時為「正向力」，在第六題時為「摩擦力」。

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