首頁 > 愛因斯坦一生中最大的錯誤?─暴漲宇宙及暗能量
:::
愛因斯坦一生中最大的錯誤?─暴漲宇宙及暗能量
1917年,愛因斯坦為了堅持一個靜態的宇宙觀,他在重力場方程式中引入了著名的宇宙常數。1929年從哈伯對星系的觀測結果,確立了宇宙膨脹的事實後,愛因斯坦終於放棄了宇宙常數,且自嘲其為他一生中最大的錯誤。
 
 
我們預期宇宙因重力互相吸引而減速膨脹。可是,近年許多天文觀測的結果,顯示了宇宙存在著一種具有排斥力的暗能量,驅使整個宇宙加速膨脹。暗能量可能是真空能量,亦即所謂「宇宙常數」。1917年,愛因斯坦為了堅持一個靜態的宇宙觀,他在重力場方程式中引入了著名的宇宙常數。1929年從哈伯對星系的觀測結果,確立了宇宙膨脹的事實後,愛因斯坦終於放棄了宇宙常數,且自嘲其為他一生中最大的錯誤。更精確的天文觀測結果卻又重新納入宇宙常數。更奇妙的是,真空能量在早期宇宙可能扮演重要的角色,它引發暴漲宇宙,創造「大霹靂」 ,並解決宇宙難題,散播宇宙結構的種子。
 
講演綱要(審校|孫維新)
吳博士以「愛因斯坦一生中最大的錯誤?─暴漲宇宙及暗能量」為題,將曾困擾愛因斯坦的經典問題─宇宙常數─對應當今宇宙學的「暗」藏角色,討論「宇宙常數」實際上位居主導的可能。掌握暴漲及真空作用的關鍵,是否就能以有涯追無涯,更靠近這個愛因斯坦視為可理解,卻也加速膨脹的宇宙?

在講座之初,吳博士連開了幾個玩笑,說要做個現場調查:確定講的內容中,要不要出現困難的微積分或其他公式?不過他也堅定的表示,不用怕,因為完全沒有!而了解不少在場民眾,原本已知宇宙在膨脹,而且聽過暴漲及暗能量,他旋即說:所以我可以不用講了!幽默過後,他指出第一次接觸到宇宙在膨脹,其實是在小時候看電影中學的。片中小孩消極的說,他甚麼都不做,是因為宇宙在膨脹,而順著這樣的命運。第二次是就讀研究所時,沒有選到弦論,卻也接觸到宇宙論的前沿專家,就在那個年代開始探索這個看似科幻小說的領域。

「宇宙在膨脹」這件事源自於1920年代,喬治·勒梅特和愛德文·哈柏在天文觀測中推測出宇宙膨脹的速度。而現在的科學家,對宇宙的觀點多支持「大霹靂」理論:這是描述宇宙的源起與演化的宇宙學模型。在過去宇宙曾經處於一個密度極高且溫度極高的狀態,是一團高溫電漿,也可視為一團基本粒子,直到溫度降低才出現現今的恆星和太陽等組成,這是從粒子物理推論出來的。吳博士提到前幾年大型粒子加速器在類似條件下所進行的實驗結果,發現了「希格斯粒子」,有力地支持了這個學說。

然而,粒子物理所提出的模型,我們所熟悉的物質只佔了整個宇宙的4%,其他23%由「暗物質」構成,73%是由更神秘的「暗能量」構成。雖然宇宙中90%以上為不發光的物質與能量,我們卻可以透過重力知道它們的存在。暗物質存在的證據可以用觀測到的宇宙大尺度結構來證明─透過電腦模擬得出的結果,知道如果沒有那麼多的暗物質,我們的宇宙結構不會是現在這個樣子;另外以「重力透鏡」來計算也得出明顯證據,當星系發出的光,經過一團團暗物質,光沿彎曲的路徑走,使遙遠背景星系呈現出扭曲的影像;最後聽起來更恐怖的證據,就是星系團對撞的實景!

暗能量的存在證據,則是「超新星爆炸」、「宇宙背景輻射」,與「大尺度結構」綜合分析所得到的結果。首先,透過Ia型超新星來測定星系距離,加上紅移觀測來得到星系的運動速度,從觀測的結果可知,整個宇宙不是等速膨脹,而是加速膨脹!Ia型超新星爆炸的機制,是一顆白矮星與一顆巨星或低質量恆星所組成的雙星系統,當白矮星吸聚足夠質量來到Chandrasekhar極限,也就是1.4個太陽質量時,經歷熱失控的惡性循環而產生爆炸。由這種類型超新星的爆炸機制,讓每個案例爆炸時的質量(也就是能量)為定值,能產生相同的峰值光度,所以可用做「標準燭光」來測量宇宙的距離。

吳博士接著提到,帶有「負壓力」的暗能量趨使宇宙加速膨脹,而暗能量究竟是什麼?他認為可以用「宇宙常數」─愛因斯坦視同一生最大的錯誤,是他從廣義相對論推導出宇宙在膨脹,但自己對宇宙是永恆靜態的信念,讓他在方程式裡加入了本質為「負壓力」的一種能量─來解釋。吳博士表示,在1990年代,宇宙加速膨脹的觀測結果出來後,人們發現愛因斯坦提出的宇宙常數,實際是個洞見!

暗能量可能是什麼?它可能是真空能量,因為其具有負壓力,這個負壓力加速了宇宙的膨脹。吳博士講到,宇宙的未來命運按此運作將會不斷膨脹,我們會變得越來越孤獨,在我們身旁的星系會隨著宇宙的膨脹離我們遠去,只剩下鄰近幾個星系在重力夠強的束縛下還會在我們身邊。不過這個「很快」其實也是天文數字,他笑著告訴大家其實真的不用過於擔心。

吳博士接續提到他的研究重點:宇宙微波背景輻射(CMB)。在宇宙的極早期,當時的溫度可高達絕對溫度10的26次方。隨著宇宙不斷膨脹,能量密度變小,在宇宙創生後38萬年,溫度降到了3000K,到現在變成了3K(-270°C),如今我們看到的宇宙背景輻射就是宇宙冷卻下來所殘留的訊號。關於宇宙微波背景輻射的觀測,Arno Penzias與Robert Wilson首先發現了宇宙微波背景輻射,獲得1978年諾貝爾物理獎;接著COBE計畫由John C. Mather與George F. Smoot領導,發現了宇宙背景輻射的完美黑體輻射以及各向異性,在2006年獲得了諾貝爾物理獎。

吳博士繼續說到,宇宙微波背景輻射告訴了我們宇宙早期其實是相當均勻的,Alan Guth透過暴漲宇宙模型理論解釋宇宙此大哉問,早期宇宙極度加速膨脹,極度撐大了宇宙,也降低了空間的曲率。而我們能觀測的宇宙在這宇宙中只佔了小小的一塊,所以我們所見的宇宙是平坦的,同時暴漲也消除了不均勻性,使我們可見的宇宙是非常均勻的。而在微波背景輻射裡尋找極小尺度的溫度波動,是在暴漲階段真空能量的量子起伏,造成微小的能量分布不均,種下大尺度結構的種子。

吳博士在演講最後表示,真空能量到底是什麼?暴漲的負壓力能量遠大於暗能量,能量階為什麼如此不同?這些總是不斷出現的問題,像是把一個難題,再換做另一個難題。關於真空能量的一種可能,人們推想它或許類似於希格斯粒子的位能,真空能量所釋放的熱能創造出大霹靂!

透過吳博士對於暴漲宇宙和暗能量的連串介紹,我們在基礎宇宙學的第三堂課中,認識到科學家的堅持、睿智,以及艱難的實驗觀測,把宇宙學從科幻故事發展為精確的科學。吳博士也真切的希望,未來有更多感興趣的夥伴,一起「大膽假設,小心求證」,並以此共勉!
 
推薦文章

TOP