天外有天–從單一宇宙到多重宇宙|

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天外有天–從單一宇宙到多重宇宙

102/05/16 4635

陳丕燊｜臺灣大學物理學系暨天文物理研究所教授

人類從伽利略四百年前首次把望遠鏡指向天空以來，就不斷地對我們所生存的宇宙有拓展性的了解。首先，他從望遠鏡的觀察證明了哥白尼的太陽中心學說，在其後的四百年裹，科學家們先是了解太陽系只不過是銀河系中千億個星球之一而已。過去一百年中，天文學家又進一步發現銀河系就只是宇宙間百億個星系之一。而近20年我們才知道，宇宙中有95﹪的成分稱為『暗質（dark matter，或稱黑暗物質）』及『暗能（dark energy，或稱黑暗能量）』，其性質科學家們尚無法確定，更令人吃驚的是，我們的宇宙有可能並不是唯一的，而是千千萬萬宇宙中的一個。踏著伽利略的足跡一路走來，我們不禁要問，人類在宇宙中的定位為何？

仰望浩瀚星河，心中浮現的問題常是宇宙有多大？有其他的宇宙嗎？臺灣大學梁震次宇宙學與粒子天文物理學研究中心主任陳丕燊說，現在有科學家認為，我們所處的宇宙並非唯一，而是有不斷的分身。

而我們所處的宇宙為什麼會是這樣的形態，陳丕燊說，從超弦的觀念來看，有各種各樣可能的宇宙存在，人類存在的宇宙是因為暗質（dark matter）和暗能（dark energy）配合的成分剛剛好適合人居住。就是所謂的「人本原理」─宇宙之所以如此，是因為其條件恰適合人類存在。

由國科會主辦，臺灣大學物理系及天文物理研究所協辦，聯合報、公共電視、科學人雜誌、NEWS98合辦的2008秋季展望演講，昨天舉行最後一場演講，由臺大梁震次宇宙學講座教授陳丕燊主講「天外有天─從單一宇宙到多重宇宙」，引領聽眾進入宇宙學的世界。

不均勻性拉扯出星系

陳丕燊說，宇宙是從一個非常小的「奇點」從大霹靂（Big Bang）誕生的。宇宙形成的前40萬年，相當均勻，只有10萬分之一的不均勻性；由於萬有引力的牽引，經過137億年，慢慢演變成宇宙現在的形態。

他舉例，總統府前原本整整齊齊站了10萬人，但其中有一人不舒服離開，出現不均勻。但那裡比較空，被其他地方拉扯，空的地方變更空，擠的地方更擠，結果變得愈來愈不均勻，才能生成星球、星系、更聚集成星系群。

但是總的來說，宇宙仍是非常均勻。可是浩瀚宇宙的不同角落怎麼能夠互相遘通，使得性質如此相近？為了解釋這個均質性，宇宙學家提出「超膨脹」理論。

大霹靂後突加速膨脹

「超膨脹」理論主張在大霹靂後非常短時間，在10的負35次方秒中，宇宙突然膨脹了10的48次方倍，把所有不均勻都拉平了。

宇宙未來會如何？1998年科學家發現，宇宙膨脹速率不但沒有慢下來，反而加速遠離，這是20世紀末最重大的科學發現。許多宇宙學家相信，宇宙加速膨脹，表示宇宙中充滿一種暗能，提供「反重力」，把星系互相推開。

20世紀出現很多偉大的科學成就，但到了世紀末，科學家才發現，我們已知的所有物質，只占宇宙總成分的5%。其他95%又是什麼？陳丕燊說，其中20%為暗質，75%是暗能。沒有如此多的暗質，就無法解釋觀測到的星球運行；也就無法解釋宇宙的加速膨脹。暗質和暗能目前科學界知道的不多，也成為21世紀科學家最想解釋的現象。

宇宙有什麼成分？夸克是目前已知的最小物質結構。但是夸克又是什麼組成的？是「超弦」（Superstrings）嗎？

超弦理論宇宙有分身

陳丕燊說，宇宙中有四種基本作用力：萬有引力、強作用力、電磁力與弱作用力。現代物理學殿堂有三大支柱：其中量子力學結合狹義相對論，成功地建構了強作力、電磁力與弱作用力的理論基礎。廣義相對論則成功地描述了萬有引力。但是要把四種基本作用力完全結合起來，還需要有個橫梁。有了橫梁，才能架構起宇宙學這個屋頂。超弦理論（弦論，String Theory）會是這塊橫梁嗎？

長久以來，物理學家面對一困惑：萬有引力為什麼比其他3種基本作用力弱得太多？超弦理論基於理論建構的需要，必須引進額外維度空間。陳丕燊說，提出超弦理論的科學家主張，重力是唯一延伸至額外維度空間的基本作用力，所以它被稀釋得比其他作用力弱很多。

他解釋，人生活的4維空間，像是多維空間中的一張紙，其他3種作用力都只存在這個平面上，重力卻可無所不在，卻也因此變弱了。此外超弦理論主張的多維空間，可讓不同成分暗能存在，提供多重宇宙存在的可能性。

「超膨脹」理論的發明人之一Andrei Linde認為，超膨脹理論中不可避免的量子不確定性，必然導致宇宙不斷分身，就好像有不同的山頭不斷冒出來一樣。這個世界因此可能有很多生生不息的多重宇宙。

宇宙定位永遠的追尋

最後，陳丕燊引用了高更著名的最後遺作：「我們從哪兒來？我們是誰？我們往哪裡去？」來反思。他說，藝術家用畫筆問這個人類亙古以來的問題。科學家則用望遠鏡和實驗器材、用數學公式和計算機，來追求同樣的大問題。但不論是用藝術、科學或文學的手段，人類對自我在宇宙間定位的追尋是貫通的，且永不止息。

【2008/12/08／聯合報／記者楊正敏／臺北報導】

銀河暗物質(2) 暗能量(8) 大霹靂(13) 萬有引力(10) 超弦理論(1)

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