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天外有天–從單一宇宙到多重宇宙

 
 
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】
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