陳文豪博士：暗物質及宇宙研究使人謙卑
科學家估計宇宙中有約95%物質／能量是屬於暗物質或暗能量，其餘則是一般或可見物質。
有充分的觀測數據顯示我們的宇宙存在一種名叫「暗物質」的不明物質，它的特性跟我們現時已知的物質粒子截然不同。可以說，暗物質是其中一個最耐人尋味的科學之謎，一直令世人著迷，也同時是不少天體物理學及粒子物理學學者醉心研究的對象。
科學與環境學系副教授陳文豪博士對神秘的暗物質已經研究多年。今年較早時候，他的團隊證實黑洞周圍存有大量暗物質。為了解上世紀以來暗物質研究的起源和發展，FLASS FORWARD走訪了陳博士。作為天文學家，他還跟我們分享基礎科學研究的重要性，以及研究浩翰無垠的宇宙對他個人而言的意義。
陳博士現時是國際科學及宗教學會(International Society for Science and Religion)院士，亦是香港太空館的專家顧問以及國際天文學聯會(International Astronomical Union, IAU)的成員。他擁有兩個博士學位，分別是天體物理學博士及哲學博士。他的研究興趣遍及天體物理學、宇宙學、科學哲學、宗教哲學、科學與宗教之間的對話以及科學與神學。
答：科學家相信，構成宇宙的一大部份物質均為暗物質。暗物質跟會與電磁波產生相互作用的常規或一般物質不同，它不會釋放、吸收或反射電磁波。由於它不會與光線或其他形式的電磁輻射有任何互動，科學家並不能透過電磁波直接觀測暗物質。那表示暗物質是不可透過一般的觀測方法見到，所以便叫做「暗物質」。
即使我們不能直接觀測到暗物質，科學家相信暗物質在形成和穩定星系及其他大型天體架構的作用上扮演著重要的角色。自上世紀三十年代藉著間接方式發現暗物質以來，科學家便一直致力研究它的存在和性質。
科學家估計宇宙中有約95%物質／能量是屬於暗物質或暗能量，其餘則是一般或可見物質。暗物質並不呈現任何跟至今已發現的物質粒子相近的特性。假如暗物質存在，它必定不是由我們已知的粒子組成。
答：在一個星系中，每件物體都會圍繞星系中心旋轉。跟據牛頓力學，離星系中心越遠，公轉速度便越低，但這個結論的大前提是星系質量的估算必須正確；星系質量是按照星系釋放出來的光線總量而計算。然而，在1930年代，多名天體物理學家觀測到部份星系外圍的星體圍繞星系中心旋轉的速度比牛頓力學預測的快。換句話說，外圍星體的公轉速度超出根據星系所有星體的總質量計算出來的理論速度；那表示星系的質量比科學家按照星系釋放出的光線的總量所估算的大。
情況就如有十個人站在磅上，顯示的重量竟是10,000公斤，而非更為合理的1,000公斤。
對星系群的類似觀測，使科學家想到有暗物質存在。宇宙中，一群星系是受引力連繫著。在一個星系群中，星系有如朝著一個星系群的中心，按照特定的軌跡運行。在1930年代，有些科學家觀測遙遠的星系群時，發現外圍星系圍繞中心運行的速度明顯比預期快。以那樣的速度移動，理應會令外圍星系脫離星系群，但事實並不如此，故科學家相信星系群必定存在更多的質量，而且遠超過按照星系群釋放出的電磁輻射所計算的數目；即星系群內有不可見的物質。
情況就如有十個人站在磅上，顯示的重量竟是10,000公斤，而非更為合理的1,000公斤；那麼，磅上必定有其他無人能看見的東西。
答：由於暗物質跟任何形式的電磁波都沒有互動，科學家便不能透過它對電磁輻射的反應而發現它。這對研究暗物質構成了巨大的障礙。
大部份科學家相信暗物質有質量，故仍然與其他一般可見物質存在引力作用。主流科學家相信，基於暗物質的引力質量，物理學的萬有引力定律仍然適用於暗物質。因此，科學家仍然可以透過暗物質對其他普通可見物質產生的引力反應而間接地對它進行觀測。
答：雖然，科學家仍未找到直接證據，證明暗物質存在。但科學家仍然想透過間接方式，找出它們存在的證據。目前科學界中，有幾類關於暗物質的研究。
XENON暗物質項目旨在找尋大質量弱相互作用粒子 (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs) 形式的暗物質粒子。圖中顯示安裝在意大利國家核子實驗室 (INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso) 地底深層的XENON1T暗物質探測器。 相片來源：XENON Collaboration
首先，科學家相信暗物質無處不在；雖然機會非常小，但亦會跟其他粒子碰撞。現時，有數個國際研究計劃，利用設在地面的實驗室，觀測及記錄暗物質與其他已知粒子碰撞的情況。形象化地說，這些科學家嘗試利用實驗室的物理空間來捕捉暗物質；這就是直接觀測實驗。
科學家也相信，當暗物質發生撞擊時會釋放出電磁波，如伽瑪射線或高能量電子及正電子。我的研究嘗試找出哪些天體系統存在較高密度的暗物質。然後，我們便可探測暗物質碰撞時釋放出來的伽瑪射線或正電子訊號，繼而推測暗物質的特性。假如我們能夠了解暗物質的特性，那便更有可能捕捉到它。
第三類研究的目標是透過粒子加速和對撞來製造暗物質。歐洲核子研究組織 (CERN) 旗下的大型粒子物理學實驗室正是從事這方面的工作。
答：當數以百萬計的人正陷入各式各樣的人道災難，有人會認為我們不應花費如此多的資源在探索太空及其他基礎科學研究上，他們認為，應把用於科研的金錢拯救身陷貧困及人道災難的人。
人對未知的事物有一份與生俱來的好奇。我們會想進一步了解我們活在的世界，包括地球、太陽系及宇宙。
要回答你和他們的問題，我會說人不只是為覓食及生存而生活。人對未知的事物有一份與生俱來的好奇。我們會想進一步了解我們活在的世界，包括地球、太陽系及宇宙。
無可否認，大部份天文研究及其他基礎科研對人類經濟或社會發展沒有直接貢獻。從這個角度看，我們大部份研究都是無用的。然而，我們不應就此忽視這些研究及發現對人類知識帶來的裨益。它們加深了我們對物質世界的認識。此外，在探索的過程中，人會遇到新的事物，繼而有可能啟發我們對生命的反思。研究結果可能有助人類發掘更高層次的人生目標。
答：那便引申到我另一點想法。科學發現在起初可能看似無用，但假以時日，隨著發現的東西越來越多，卻可能為另一些科研工作及發明，甚至人類日常生活帶來深遠的影響。我可以列舉不少例子來證明這個論點。當愛因斯坦在1915年發表廣義相對論時，很少人認為它具實質意義；愛因斯坦運用黎曼幾何(Riemannian geometry)來發展他的廣義相對論理論，但當黎曼(Georg Riemann)在十九世紀發表黎曼幾何時，它純粹是一個數學模型，沒有任何實用價值。
今天，幾乎人人都聽過愛因斯坦這名字。根據愛因斯坦的質能等價 (mass-energy equivalence) 理論，質量可轉換成能量，對科普有認識的人都知道原子彈的發明就是建基於這理論。原子彈的出現改寫了歷史的發展，這一點我們都知道。從這角度看，廣義相對論改寫了人類的命運。今日，全球定位系統的高度準確性全有賴於廣義相對論。另方面，黎曼幾何在人面辨識的技術應用上也扮演了舉足輕重的角色。對許多數學家來說，發現質數的特性純粹源於他們對數學的好奇，但今天，有關質數的理論卻成為加密應用技術的基礎。
我可以繼續用其他例子來證明我的論點：基礎研究在最初發表結果時可能看似無用，但卻有機會在日後成為強大的工具，推動其他實用科學及工程應用與發明。從這個角度出發，基礎理論研究在人類社會發展上，比應用研究更有意義，甚至可以說，基礎理論研究才是推動人類發展的基本因素。
陳博士說：「甚至會有一日，我們對暗物質的了解，足以讓我們能夠操作它。沒有人知道這一刻何時來臨，但時機一到，暗物質的研究成果也許能為人類社會帶來重大的貢獻。」
答：我想重力波的發現能夠回答你這個問題。愛因斯坦的廣義相對論預測，質量加速會扭曲時空，意味著重力波必定存在。雖然，愛因斯坦是在1916年預視到重力波的存在，但在其後接近整個世紀，人們在探測重力波存在的研究上並沒有顯著的進展。直到2015年，科學家才首次直接測量到重力波；這個突破性發現開啟了一個全新的知識領域。
難道我們能就此斷言過去百年有關重力波的研究是白費的嗎？我想不能。我認為新的發現是建基於前人所做的一切。這是一個經驗累積的漫長過程，科學家會不斷從失敗中學習，從而尋找更妥善的新方向法來進行研究。
或許，有朝一日，我們能夠在了解暗物質特性上有大突破。甚至會有一日，我們對暗物質的了解，足以讓我們能夠操作它。沒有人知道這一刻何時來臨，但時機一到，暗物質的研究成果也許能為人類社會帶來重大的貢獻。
詹姆士·韋伯太空望遠鏡 (James Webb Space Telescope) 的藝術家概念圖。這是目前人類發放到外太空中，最大型和最強勁的望遠鏡。它繼承了哈勃太空望遠鏡的使命，肩負起另一輪意義重大的太空科學觀測任務。 這枚望遠鏡是專為解答當前最熱門的天文學問題及在各個天文領域上取得突破性發現而設。 相片來源：歐洲太空總署媒體實驗室ESA/ATG medialab
由歐洲核子研究組織 (CERN) 操作的大型粒子物理實驗室正嘗試透過粒子加速和對撞製造暗物質。 相片顯示歐洲核子研究組織內的大型粒子對撞機 (Large Hadron Collider) 的局部外貌；它是目前全球最大的粒子加速器。 相片來源：Hertzog, Samuel Joseph/ CERN
答：在研究暗物質的最初七八十年，成果的確有限。然而，在過去廿年，科學家開創了許多全新的觀測方法及技術，如詹姆士·韋伯太空望遠鏡 (James Webb Space Telescope)。此外，還有其他新嘗試和努力，包括國際間合作進行直接觀測。這些嶄新的方式讓我們在暗物質研究的工作上，穩步向前。
與此同時，科學家亦不斷致力發展大數據分析及機器學習技術，使它們成為了暗物質研究的強大工具。擁有嶄新的觀測工具及突破性的人工智能技術，我們便更有可能跨越天文研究的巨大障礙。因為種種技術突破，有些科學家甚至說廿一世紀是天文學的黃金時代。
不容否認，許多有關暗物質的研究仍然是不明朗的。要取得有意義的突破性進展，便先要解決多個重大難題。也許，我們還要走一段漫長的路，才可見到隧道出口的曙光；又或者我們正臨近重大發現的關鍵時刻。無人可以對此肯定地作答。
陳博士經常為普及科學講座演講。他認為，不少香港人，當中包括許多青少年，都對天文宇宙有興趣。
答：許多西方國家的研究指出天文學是其中一門最有趣的科學。在香港，我曾經出席不少天文及普及科學講座，亦得到觀眾的正面反應。以我所見，香港不乏對天文宇宙有興趣的人士，當中包括不少青少年；但隨著學生們升上高中，要準備公開試，他們便失去興趣，無暇進一步探索，嘗試認識課程以外的東西。
教大仍有一定的角色可以扮演。藉著我們的教學工作，我們可啟發更多未來的教師，培育他們對天文事物的熱誠。
香港未必存在一個有利學生修讀天文學的環境。即使如此，教大仍有一定的角色可以扮演。藉著我們的教學工作，我們可啟發更多未來的教師，培育他們對天文事物的熱誠。
答：在十九世紀末，廿世紀初，科學界有一種想法，認為人已經可以掌握物理世界的所有基本事實。我們有牛頓力學預測物體的運動，熱力學定律說明熱力的傳送以及自然界的失序現象，還有馬克士威的電磁波理論可解釋所有電磁現象。當時的人相信擁有古典物理學這三大支柱，他們便能探索，把握整個可知的物理世界。然而，當科學家在廿世紀初提出相對論力學及量子力學，以彌補古典物理學的不足時，人們對自己在物理世界的認知，態度變得謙遜。
今日，我們已經大致掌握宇宙的面貌，例如，它的大小、年齡、裡面有多少星系，以至太空如何膨脹；但事實上，宇宙間的大部份事物，仍是未知的。正如我之前所言，我們的宇宙有95%是暗物質和暗能量，兩者我們都所知甚少。人類認識的僅佔整個可知宇宙的5%。我們只認識宇宙的一小部份，這顯示我們抬頭看到的這個遼闊太空是多麼奧妙神秘，亦同時意味著人類在探索宇宙時仍要面對許多挑戰，解決許多困難。科學家還有很多探索的空間。
在從事天文學及暗物質多年研究後，陳博士相信宇宙是可知的。
我想從空間和時間的角度來看，人類是非常有限的存在物；即使如此，我們仍然擁有了解宇宙的能力。愛因斯坦曾經說：「宇宙最不可了解的東西是它可以被了解。」在廿世紀上半葉，著名的美國科學家愛德溫·哈勃 (Edwin Hubble) 締造了許多驚人的天文學發現。他聲稱人類是能夠認識宇宙。我認為這些偉大科學家留下的名言，正鼓勵我們繼續探索未知的世界。
經過這些年來對天文學整體及對暗物質的研究，我相信如愛因斯坦和哈勃所言，宇宙是可知的。儘管如此，人類對宇宙的大部份仍然是不認識的；那提醒我們需要繼續努力，並保持謙虛，這亦是我們科學家在追求真理的過程中應持守的正確態度。
註：對暗物質和宇宙起源等問題感興趣的讀者可能想閱讀以下故事：”RGC-funded SES research proves existence of dark matter surrounding black holes”， “Scholars from EdUHK and HKBU co-host platform to discuss the origin of the universe”.
(中文翻譯：李婉霞)
