宇宙科學探索的展望
95/05/15
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陳露生｜
立法院
近年來物理學家綜合最新的宇宙探測資料，包括宇宙微波背景、星系團、超新星等，得出驚人的推論：人類認知的宇宙，實際上只占宇宙全部物質及能量總和的5％以下，也就是「暗物質」及「暗能量」占宇宙整體的絕大部分。這一劃時代的發現，使宇宙科學的探索進入新的里程。為此，美國國家科學基金會及能源部委由17位知名物理學家組成顧問委員會，規劃未來宇宙科學探索的目標。該委員會最後提出具體建議，以下列9項物理基本問題做為21世紀探索宇宙科學的主要方向。
尚未發現的自然界定律
過去30年來，藉由量子力學的理論及實驗驗證，物理學家已建立頗為成功的物質基本粒子標準模型，得以更了解規範物質、能量、時間及空間的物理定律及基本粒子。量子理論雖能成功地描述物質基本粒子的微觀部分，卻未能適用於宏觀的宇宙科學，因此必須導入新的作用力及粒子，才能克服適用上的問題。這似乎顯示尚有其他自然界的定律未被科學家發現，重力、暗物質、暗能量等也應有合於量子理論的解說來支持，才能使物理定律體系更為完整。
人類亟欲探索的自然界基本法則，有些在宇宙誕生後就隱匿不見了，因此這些定律或法則不易被發現，其中之一可能就是稱為「超對稱」的理論。就如同每一個基本粒子必有一個對應的反粒子，超對稱理論預言每一種基本粒子也有一個超伴子與其相隨。支持超對稱理論成立的部分重要因素，是其可能與「暗能量」有關聯，且在這理論架構下預期存在的中性伴子，也可能是「暗物質」的來源之一。
未來藉由粒子加速器進行各種實驗，來探索超伴子的結構及基本性質，是粒子物理學的重要課題，也是驗證「超對稱理論」成立與否的直接挑戰。這也將確立「超對稱理論」在建構「大統一力場理論」時所扮演的角色，以及確證中性伴子是否為構成暗物質的一種來源。
解開暗能量的奧祕
宇宙中充滿的「暗能量」使宇宙得以持續加速膨脹，似應有一能解釋這機制的量子理論做後盾。就目前所知，「暗能量」可能和提供物質質量的「希格斯場」有關。
美國於2001年發射的宇宙微波探測衛星（WMAP），主要的目的在觀測宇宙誕生時就產生而至今仍能被記錄的微波輻射。由這個衛星蒐集到的資料，顯示宇宙的時空幾何形狀是平面式的，宇宙的年齡是137億年，構成宇宙的成分中，可見的物質（星體、銀河等）只占4％，暗物質則占23％，其餘73％全屬暗能量。這一探測結果與先前綜合其他科學觀測的推論極為吻合。
科學家迄今並不確知暗能量是甚麼？為何存在？如以微觀的基本粒子真空能量去概估暗能量，其數值將達宇宙中能被觀測到的可見總能量的10120倍。如此巨大差異，顯見仍有一些尚未明瞭的過程會消耗掉大部分的真空能量，讓剩餘的少部分能量來加速宇宙的膨脹。目前物理上以「希格斯場」理論來解釋粒子具有質量的事實，如無「希格斯場」，則電子會以光速奔馳，原子也會立即解構。「暗能量」是否和「希格斯場」有關？如能確證粒子的超對稱性，則將提供「暗能量」與「希格斯場」間關聯性的重要佐證。
科學家長久以來，就認為太空並非真的空無一物，至少充滿了能給粒子質量的「希格斯場」。不久的將來，等到日內瓦歐洲核子研究中心的大型強子對撞機開始運轉，並進行實驗後，預料將可驗證理論上擔任傳遞作用的希格斯玻色子是否存在。如能證實「希格斯場」的存在，勢將開啟涉及一系列新粒子及其交互作用關係的物理研究新階段。若再配合新的高能線性加速碰撞設備，將成為探索與「希格斯場」有關物理領域的重要研究工具。
暗能量可能和「超對稱」及「希格斯場」都有關聯，似乎更加重了科學家對「希格斯場」物理領域和量子理論相容的期待。如能經實驗證明，會成為探索暗能量來源的基礎。
更多維度的空間
弦論預測：除當前已知的四維時空外，尚有七維空間未被發現，因而使粒子物理顯得較為複雜。如能證實這些額外維度的空間確實存在，將是人類歷史上劃時代的大事，除改變對宇宙起源及演化的了解外，也可能重塑我們對重力的固有觀念。
弦論是假設所有已知的作用力及基本粒子，都由單一的物件稱為「超弦」者，在處於不同振動態下表現出來的。藉此使愛因斯坦殷盼用來描述宇宙中小至極小的基本粒子、大至宇宙整體的「大統一場論」，得以邁出重要的一步。弦論建構的精密數學推演，使微觀的量子理論與宏觀的宇宙學得以用一致的模式來表現。
「超弦」存在嗎？它或許太小而難以直接觀測，但可藉由驗證弦論所預測的若干事項來做判斷。例如弦論包含了超對稱理論，並預測有七維尚未被發現的空間，因此要驗證弦論的正確性，須尋找額外的維度空間，並探索其性質，了解其維數、形狀及大小，它們為何及如何隱匿起來，以及新的空間維度涉及哪些新的基本粒子等。
額外維度空間的物理效應，取決於其大小及形狀，以及何種物質及作用力可以進入該空間。雖然至今尚無法知道這些空間的大小，但似應與粒子物理的基本能量尺度有關，包括宇宙尺度、暗能量密度、以兆電子伏特計的電弱尺度、或最終大統一理論的尺度。科學家固然可由宇宙觀測所發現的不一致性，或短期精密重力試驗所得資料，來推論額外維度的空間應屬宏觀尺度的規模，但這些額外維度空間也可能屬微觀尺度的規模。
基本作用力的來源
追本溯源，宇宙所有的基本作用力及粒子可能互有關聯，且所有的作用力可能源自單一的「大統一作用力」的各種不同表現。如經證實，則愛因斯坦生前期望的「大統一場理論」將得以實現。
目前量子理論已能用極相似的數學模式，來描述重力以外的電磁力、弱力及強核力3種已知的大自然基本作用力。如經證實確有單一的「大統一力場」，則這力將建立起夸克和輕子的關聯性，並可預測不同粒子間轉換的途徑。這個「大統一力場」最終可能會使質子衰變成穩定的其他物質。
「大統一力場」是否存在的重要線索，可能來自實驗室中對極稀少的微小粒子的衰變偵測，其他罕見演變過程的觀測，以及對極高能粒子的精密量測。由於不確知線索會出現在何處，因此多面向的實驗研究有其必要。
為何有眾多的基本粒子
為何已發現的夸克及輕子，都各有3組家族成員？為何各組相對應的成員間，彼此的質量差異頗大，但其他物理性質如帶電量、自旋等則相同？各粒子的功能、角色為何？宇宙中全部基本粒子共有幾種？能否找出規則，把所有基本粒子依序排列，如同把化學元素排列成周期表一樣？或許各種基本粒子只是「超弦」不同樣態的表現，也或許各種粒子可藉「大統一力場」或其他尚未明瞭的自然法則，來建立彼此的關聯。
物理學家至今已確認57種基本粒子，量子理論已證明：粒子標準模型中，欲產生「電荷宇稱破壞」，至少需有3組粒子家族成員，而「電荷宇稱破壞」是形成現今宇宙由正物質而非反物質居優勢的必要條件。不過至今科學家由觀測宇宙現象所得的資料，尚不足以解釋正物質勝過反物質的全貌。目前各項粒子物理的實驗工作，集中於對已發現的各種基本粒子做更詳細的探索研究，以了解其性質，並搜尋3組粒子家族間的差異。
暗物質究竟是何物
宇宙中大部分物質屬未知的暗物質，它可能是宇宙誕生時產生的各種重的粒子，這些粒子中的大部分，在宇宙演化過程中和其反粒子結合而湮滅，轉換成純能量，只剩下少部分留存下來，構成現今宇宙中的暗物質。這些暗物質的粒子，質量似不致太大，應有機會藉實驗室的高能加速器製造出來以供研究。
如無暗物質，宇宙的質量將不足以凝聚形成星系、銀河，也就不會有生命的誕生。雖然在1930年代就有人提出暗物質的說法，但近十餘年來的研究才有更具體的進展。
近年來對宇宙構造的觀測，證明暗物質不同於人類在實驗室中曾發現、探索過的任何已知物質。新理論中的粒子，如超對稱理論所預言的一系列超伴子，它們和其他一般物質間的相互作用非常微小，就可能是構成暗物質的粒子。目前的研究是藉由置於地底下深處坑道中的偵測設備，來探測宇宙誕生後所殘餘的暗物質高能粒子，或利用實驗室的高能粒子加速器製造可能的暗物質粒子，以探究其性質。
暗物質存在的佐證，最先是由觀測宇宙星系團的旋轉曲線，發現其質量大於該星系團星體質量的總和，而推論出來的。後來，從觀測遙遠太空中，光受質量影響而產生偏移現象的所謂重力透鏡效應，再度得到證明。最明確的證據，則來自對宇宙微波背景的觀測及分析，各項分析結果都顯示，已知的物質約只占宇宙全部物質的不到5％。
神祕的微中子
微中子是所有已知基本粒子中最神祕的一種，它們在宇宙演化的過程中扮演重要角色。它們的質量極微小，似顯示與微中子相關的新物理領域研究，須在極高能的範圍才能進行。它們無所不在，卻難以捉摸，且與其他粒子的相互作用極為微弱。人體每秒鐘有數以兆計的微中子通過，卻未留下任何痕跡。太陽內部的核融合反應，釋放出耀眼的陽光及大量的微中子，核融合只產生一種微中子，但在其抵達地球的途中，奇妙地演變成另兩種微中子。
由於微中子的質量極微小，於是有人推論其質量應源自未知的物理規律，或許和「統一力場」有關。詳研微中子的性質、質量和如何自一種演變成另一種，以及微中子是否就是其本身的反粒子等問題，將使我們明瞭微中子是否與一般物質的模型一致，抑或它將引領我們去發現新的物理現象。
宇宙的演化
現代宇宙學理論描述宇宙是在一次霹靂大爆炸後，急速膨脹而誕生的。在膨脹過程中，宇宙逐漸冷卻，並經歷數階段的轉變，陸續形成星體、銀河系及地球上的生命。欲探究宇宙的膨脹及演變，須突破對量子物理及量子重力未知領域的了解。藉由天文望遠鏡及太空探測，搜尋宇宙誕生早期殘留粒子的蹤跡，以及利用先進的高能粒子加速器，重建並研究宇宙演變過程中基本粒子的物理性質，可增進人類對宇宙的過去及未來演變的認識。科學的研究已確立宏觀宇宙與微觀基本粒子之間，有著密不可分的關聯。
宇宙膨脹如果是源自一種暗能量，如同今日我們觀測推論存在的暗能量一樣，那麼暗能量由何種物質產生？這種型態的物質在「統一力場」中是否扮演一定的角色？它是否與額外維度空間有關？更基本的問題是：在宇宙誕生時的霹靂大爆炸那一刻，空間和時間的性質可不可能有所改變？弦論能否順利涵蓋宇宙誕生時那個奇妙的起點？
對宇宙微波背景（CMB）變動的計測，最新資料顯示宇宙正加速膨脹中。進一步對CMB極化的計測，有可能偵測到宇宙膨脹過程中所產生重力波的蹤跡，進而獲得與宇宙膨脹有關的「場」性質的資訊。
在宇宙各階段的演變中，有些粒子因冷卻而產生變化，也可能產生有缺陷的演變，像各種樣態的弦或異樣的物質，這些將可用來解釋諸如極高能宇宙射線、暗物質、甚至暗能量等。
反物質為何消失無蹤
宇宙在霹靂大爆炸中誕生時，幾可確定產生等量的正物質及反物質，但現今的宇宙似乎有絕對多的正物質存在，這種不對稱的情形是如何演變成的？由實驗得知，每種基本粒子都有其反粒子，但我們如今生活在一個正物質的宇宙中也是一個不爭的事實。
宇宙演化早期，正反物質間可能已產生微量的不平衡，否則正反物質將完全抵銷湮滅，轉化成能量及中性的光子及微中子。在實驗室中，曾觀察到正反粒子間微量的不平衡，因此它應是造成今日正物質宇宙的原因。只是目前所知有限，尚難論斷為何今日的宇宙由正物質占絕對優勢？應該還有一些尚未被發現的，造成正、反物質截然不同結局的作用存在，我們或許可以從夸克或微中子中找到答案。正、反物質行為差異的緣由，可能和希格斯玻色子的性質、超對稱或額外維度空間有關。
要自宇宙中消除反物質，必須有粒子的電荷宇稱破壞，使反物質與正物質產生些微差異。實驗物理學家於1964年發現中性K介子中，有電荷宇稱破壞的現象，2001年又發現B介子的電荷宇稱破壞。但目前對電荷宇稱破壞的了解尚嫌不足，有待進一步實驗，以發現更多造成破壞的因素。
