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膨脹的宇宙

「遂古之初,誰傳道之?上下未形,何由考之?冥昭瞢闇,誰能極之?馮翼惟像,何以識之?明明闇闇,惟時何為?」—屈原〈天問〉
 
 
二千多年前,屈原寫下了膾炙人口的〈天問〉:「遂古之初,誰傳道之?上下未形,何由考之?冥昭瞢闇,誰能極之?馮翼惟像,何以識之?明明闇闇,惟時何為?」簡單地說,屈原想問的是宇宙的起源,包括:宇宙有一個起點嗎?那是什麼時候?宇宙是如何形成的?是有限還是無限?有邊還是無邊?形狀又是什麼?還有,原本黑暗的宇宙,什麼時候才出現光?

宇宙可說是人類最好奇的話題,自有人類以來,仰觀夜空,類似的疑問曾浮現在許多人的腦海中。不同的文明都會提出自己的答案,不過這些答案大都是神話或宗教式的。屈原很顯然對那些神話的答案並不滿意,因此他問了:「遂古之初,誰傳道之?上下未形,何由考之?」也就是他不只要答案,也要了解人們是如何得知這些發生在久遠過去的事情。

同樣的問題也是現代天文學家和宇宙學家想解答的,經過了數千年的努力,最近天文學家終於能夠擺脫神話,對這些千古難解的問題提出一個有實際觀測根據的答案。
 

宇宙演化的最新科學概念—從大爆炸宇宙的誕生,一直到宇宙中星系及大尺度結構的形成。(圖片來源:http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2008/20/image/a/)
▲宇宙演化的最新科學概念—從大爆炸宇宙的誕生,一直到宇宙中星系及大尺度結構的形成。(圖片來源:http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2008/20/image/a/)


近代宇宙學上最重要的科學性討論,也許是 19 世紀的歐伯斯佯謬(Olbers’ paradox)。這個佯謬是問:「為什麼夜晚的天空是黑的?」這個問題看似簡單,很多人直覺地認為是因為晚上的時候陽光照不到。

不過,宇宙中有數不清的星系,星光的亮度雖與距離平方成反比,但星系的數目在均勻分布下卻與距離平方成正比,因此不同距離的星系所貢獻的亮度應是類似的。若把所有來自很遙遠的星光都算進來,只要考慮得夠遠,天空應該是很亮的,而且如果宇宙是無限的,天空就應是無窮亮!為何夜晚的天空仍是黑暗的呢?

歐伯斯對這提出一個簡單的解釋:宇宙不可能是無限的!不需要任何精密的現代儀器,從白天與黑夜這麼一個看似簡單而平凡的現象,就可以告訴我們現代宇宙論中一個深奧且重要的結論。不過這樣一個重要的推論,一直要到 20 世紀發現宇宙正在膨脹的哈伯定律後,人們才能真正面對。

20 世紀初,哈伯發現除了少數近距離的星系外,所有的星系都有紅移現象,而且距離愈遠的星系紅移愈大,這就是著名的哈伯定律。如果星系紅移現象是由都卜勒效應所造成的,哈伯定律就表示距離 d 愈遠的星系,遠離我們的速度 v 會愈快,即 v = H0d,其中 H0 就是哈伯常數。

但如果所有的星系都是離我們遠去,是不是代表我們地球處在宇宙中一個很特殊的位置?難道我們真是位在宇宙的中心嗎?天文學家不會以如此自我中心的思考模式來看這個問題。另一個可能且合理的解釋是宇宙正在膨脹,如此不只地球上的人會看到距離愈遠的星系遠離速度愈快,事實上所有星系上的觀察者也都會看到其他星系離自己而去,而且距離愈遠速度也愈快。

哈伯定律的發現震驚了當時的科學家。在這以前,愛因斯坦在提出廣義相對論時,發現無法找到靜止宇宙的解,為此他提出一個假設的宇宙常數,以求能得到一個穩定宇宙的解。哈伯定律發現後,野史針砭了這段軼事,宣稱宇宙常數的提出是愛因斯坦一生中最大的錯誤。

宇宙會膨脹看似神奇,其實我們可以思考一下牛頓力學第二定律 ƒ = ma 及萬有引力。它們告訴我們,受到重力作用的物體一定會有加速度,不可能是靜止的,在一個有重力作用的宇宙,本來就不應該有靜止的宇宙。從物理的直覺上思考,如果宇宙是靜止的,才真的大有問題。但偉大如愛因斯坦,在這問題上也會為了信念(相信宇宙是靜止的)而放棄了物理的直觀。畢竟一個膨脹的宇宙是有許多重要的意涵,其中一個便是宇宙的創生。

一個膨脹的宇宙表示,愈早期的宇宙愈緊密。而且回溯到原點,便可得知宇宙的年齡。由哈伯定律 v = H0dd/t0,如果宇宙以固定的速度膨脹,則 t0 = 1/H0 就是宇宙的年齡。但因為宇宙中有許多物質,如星星、月亮、太陽等,物質間的萬有引力會使宇宙的膨脹速度減慢,所以宇宙過去的膨脹速度應該比現在快。因此宇宙的年齡實際上應小於 1/H0 ∼140 億年!也就是宇宙創生於距今不到 140 億年前。如上推論,我們知道了宇宙有一個開始,而且也計算出它的年齡!

宇宙有一個開始或沒有一個開始,其實都造成了人們的困惑。許多人問,如果宇宙起源於 140 億年前,那 200 億年前又是什麼?事實上,宇宙的誕生包含時間與空間,在宇宙誕生前並沒有時間的存在,因此沒有所謂 200 億年前這回事,也無法建立一個 200 億前的時間表。一般人以為有 1 年前、2 年前,就會有 100 億年前、200 億年前等,但這是個人對時間經驗的外插,在宇宙學中,經驗外插並不全然成立。

另一個問題是,如果宇宙年齡是 140 億年,宇宙中有沒有星系是相距超過 140 億光年的呢?這答案很明顯,從天空各方向都可以觀察到超過 100 億光年遠的星體,這表示在天空相反方向上的這些天體,現在彼此間的距離就已超過 200 億光年。如果宇宙中的所有星系和物質都來自同一創生點,宇宙年齡又小於 140 億年,這些星系的分離速度一定超過光速。

那宇宙如何誕生呢?目前的理論和觀測結果認為,宇宙是誕生於一次大爆炸,或稱為大霹靂,這理論的主要根據來自對宇宙微波背景輻射的觀察。科學家發現不管在哪一個方向,宇宙背景輻射強度都非常接近,表示這些輻射起自同一來源。雖然這些輻射現在的溫度很低,但反推回去,得知宇宙初期必是一團極高密度的熱物質與輻射,這就是所謂的熱爆炸。在膨脹過程中,一些輻射轉換成了物質,同時物質與輻射分離開來,分別以不同的速度冷卻,這過程也決定了宇宙中氫和氦含量的比例。

現代的宇宙論雖然解開了人們關於宇宙起源的疑問,但也揭露了更多難解的問題。例如依據廣義相對論,天空中不同方向的背景輻射應該是來自不同的視界,即其在宇宙誕生時是沒有任何物理因果關係相連的。但觀測上,宇宙中各個方向的背景輻射強度卻差不多,表示它們曾經彼此相連且有一些互相影響的物理過程,例如熱平衡,才會使得彼此的溫度及強度如此接近,因此推論宇宙應起自同一個源頭。

對於宇宙背景的均勻及各向同性的問題,目前理論上是以粒子物理學來解釋。宇宙在誕生後不久,在快速膨脹過程中,由於強作用力而發生了相變不完全的現象,使得宇宙在誕生後大約 10-36 秒時暴脹了至少 1026 倍。這現象就如把水蒸氣從攝氏 100 度以上快速地降溫到 100 度以下時,水分子來不及變成水,還維持著水蒸氣的狀態。

攝氏零度到 100 度間的水,其正常的「最低能態」,也就是正常水的「真空態」,是在零度。但零度到 100 度間的水蒸氣,其最低能態卻不在零度,它比水多了一些潛能。這種潛能,或稱為錯誤真空(false vaccum)能量,會造成宇宙以指數的速度膨脹,這種膨脹稱為宇宙的暴脹(inflation)。暴脹理論是目前用來解釋宇宙背景輻射均勻性的最佳理論,它也可以解釋現代宇宙論的另一個大問題,即宇宙的平坦問題(flatness problem)。

宇宙的幾何結構主要由其所含的質量密度決定。在一個均勻的宇宙中,如果密度大於臨界密度,則宇宙是封閉的;如果密度小於臨界密度,則宇宙是開放的;如果密度正好等於臨界密度,就會有一個平坦的宇宙。

早期的觀測有些不確定性,但現在發現宇宙的平均密度非常接近臨界密度。依理論計算,宇宙的密度和臨界密度之間的差,會隨著宇宙膨脹而快速增加。因此如果現在宇宙的密度和臨界密度之間僅有一個很少的差別,表示在宇宙早期,宇宙的密度非常地類似臨界密度,也就是非常接近一個平坦的宇宙。但宇宙為何如此接近平坦呢?

暴脹論可以解釋為何我們會看到一個平坦的宇宙。因為宇宙的暴脹,使我們看得到的宇宙只占實際宇宙的很小部分,這樣量到的宇宙曲率會非常接近平坦。就像我們地球表面雖是圓的,但如果只能測量一小塊土地,總覺得地是平的。近幾年一些新的宇宙背景輻射的觀測,也證實了我們所觀測到的宇宙是很接近平坦的,也就是宇宙的密度幾乎等於臨界密度。

雖然從背景輻射的觀測知道宇宙的密度大約等於臨界密度,但實際上可觀測到的物質僅約為臨界質量的百分之四,也就是宇宙中約有百分之九十六的質量是觀測不到的。這些構成宇宙主要質量的物質是什麼呢?目前相信,在這百分之九十六的質量中,約有三分之一是黑暗物質,而三分之二是所謂的黑暗能量。黑暗物質和黑暗能量究竟是什麼?這是現代宇宙論要面對的最大挑戰。

在宇宙中,黑暗物質存在的證據非常多。例如,從旋渦星系的旋轉曲線及星系團的結構,都可以發現黑暗物質的蹤跡。但黑暗物質的本質是什麼,人們仍不清楚,除了具有重力外,我們並未觀測到黑暗物質的其他現象。但從星系團及宇宙的一些大尺度結構,可推知黑暗物質的速度並不會太快,因為這些結構主要是靠黑暗物質的重力吸引,如果黑暗物質具有極快的速度,這些結構就無法形成。

旋渦星系(圖片來源:http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/galaxy/2005/01/)
▲旋渦星系(圖片來源:http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/galaxy/2005/01/)
目前物理學家認為有可能是黑暗物質的粒子很多,其中之一是稱作中性伴隨子(neutralino)的中性超對稱粒子。但超對稱理論是否正確,以及中性伴隨子是否存在,都還是未知。大型強子對撞機的結果也許能確認這些超對稱理論是否正確,以及黑暗物質是否是超對稱粒子。

另一個現代宇宙論中的未解之謎,是所謂的黑暗能量的存在。如果知道某些天體,例如 Ia 型超新星的實際亮度,就可以估計遙遠的超新星的亮度。但實際觀測卻發現,遙遠的超新星看起來比估計的暗很多,這意謂著它們的距離比理論推測的還要遠很多。

觀測結果顯示,宇宙不只是在膨脹,而且正在加速膨脹!宇宙的正常物質有重力,會彼此吸引,因此只會使宇宙的膨脹速度減慢,為何宇宙卻在加速膨脹?這意謂著宇宙中具有反重力的東西,這就是所謂的黑暗能量。但黑暗能量究竟是什麼?天文學家及物理學家到現在仍然沒有確定的答案,而其中的一種可能,便是愛因斯坦當初以為是錯的宇宙常數。

現代的宇宙論用實際的觀測告訴我們,宇宙起源於 137 億年前的大爆炸,這回答了千古以來人們仰望蒼穹時所感到困惑的問題,但同時發現了更多新的問題。黑暗物質和黑暗能量及其相關的問題,在可預見的未來,可能會持續困擾著天文及物理學家。
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