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暗能量突然消失?宇宙命運攸關,宜慢輕言

2016/10/27 — 22:33

柏克萊的 Saul Perlmutter 團隊發現暗能量,改變了宇宙運程,只是不到廿年前的事。

Saul 和我同年進入物理研究院,印象中曾在同班修讀電磁學課。2011 年諾貝爾獎消息見報,才回想起那些年聽聞一群柏克萊物理人不務正業,上天落地尋找滅絕恐龍的星際元兇。Saul 的殺手鐧演算法,原來源自恐龍殺手星的搜索行動。

86 年完成論文後,Saul 立刻加入師傅 Richard Muller 的研究團隊,透過由超新星爆炸 (supernova) 的標準亮度提供的距離和時間,測量宇宙大爆炸以來澎漲的速度,希望有助描繪宇宙演化的大圖象。當時主流宇宙學家估計,受制於物質之間的重力吸引,宇宙必會停止澎漲,一旦開始收縮,將會一發不可收拾,時空和物質將會消失於大崩墜 (The Big Crunch) 的終局。

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暗能量扭轉大崩墜命運

時間長河是否流向永恆,還是有一天曳然而止?1997 香港回歸那年,早已讓 Saul 接管研究團的 Muller 教授在物理課上向學生「爆料」,預告即將有答案。

不過,暗能量並非在石破天驚中横空出世。研究之初,小量數據顯示宇宙一直以均速澎漲,沒有加速或減速。後來才逐漸有驚人的發現,宇宙早期的超新星爆炸比預期暗,意味宇宙的澎漲速度不斷加快,不但已抵消物質之間的重力吸引,更漸佔上風。澎漲的力量可能來自太空本身。宇宙學家發現,只要修定廣義相對論公式,將愛因斯坦為了平衡重力的吸引而加插的宇宙常數從時空幾何的一方移到代表能量的對方,就可以將加速澎漲融入現代宇宙學模型,更完滿地吻合各種證據。從此,宇宙學的描述中,多了一種來自空間自身的澎漲壓力,抗衡物質之間的重力吸引,稱為暗能量 (Dark Energy)。有了暗能量,宇宙將會戰勝大崩墜的趨勢,不斷加速澎漲。

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兩年後,Richard Muller 在課堂上宣告,時間不會終結。

暗能量是空間內在的密度特質 (energy density),不會隨澎漲而稀釋。約在 60 億年前,暗能量在與物質的角力中勝出,宇宙澎漲開始加速。預計數百至千億年後,宇宙經過長期加速澎漲,銀河系所在的超級星系團 (super cluster) 外的一切將已飛越光速可及的視界之外,離開我們的宇宙。到那時,在銀河系安身立命的地球人或高等智能,即使擁有能探測宇宙盡頭的科技,亦僅可發現千億點點星光。今人所知的銀河天外數千億星系(各有千億星星),將不屬於未來的物理世界 (physical reality)。反過來,假如人類和太陽系提前 60 億年前開始演化,就不會知道宇宙澎漲將會加速,宇宙學所描述的宇宙命運就截然不同。可想而知,如果現實世界 (reality) 最深層只能由科學發現界定,柏拉圖理想中的終極現實不是人類所能窺見,甚至可說不存在。我剛在星期日 "The Island of Knowledge" 書評提及,人類探索大自然是大冒險,猶如在未知或不可知的汪洋中建起島嶼。知識島越大,無知的涯岸越長,宇宙的奧秘永無窮盡。

回到 2011。那年 Saul Perlmutter 獲頒諾貝爾獎,與另兩位同期競逐的團隊成員各享獎金一半。這時暗能量假說除了已得到更多超新星爆炸數據的支持,更有來自宇宙背景微波以及星系團狀況的獨立證據互相印證(分別為下圖的 SNe、CMB 及 BAO),改寫了現代宇宙學。在目前公認的 ΛCDM 宇宙模型 (Lamda-Cold Dark Matter) 中,絕大部份是觸不到見不著,仍沒有基礎物理解釋的暗能量和暗物質,分別約佔宇宙能量密度的 69% 及 26%。地球人熟悉的普通物質則只佔 5%,不啻為「知識孤島」的寫照。

數據強度略降,未足以消滅暗能量

科學永遠是在建工程,隨著學說和測量技術不斷演進,人類對大自然的認識亦因而不可能永衡不變。不要忘記,半世紀前的宇宙學還只是物理科學的遠親,仍未能提供科學宇宙觀的皺型。儘管比利時天文學家神父 Georges Lemaître 早在 1931 年已挑戰愛因斯坦一直假定的靜態宇宙主流觀念,在 "The Beginning of the World” 論文提出宇宙由「初生原子 (primieval atom)」澎漲生成,大爆炸學說仍要等到 Arno Penziac 和 Robert Wilson 在 1965 年無意中發現宇宙微波背景 (CMB) 之後確立,才成為支撐起整個現代宇宙學的框架。

和 CMB 相比,不到 20 年歷史的暗能量引起更多爭議。到博客 Ethan Segal 的 Start with A Bang 網站搜索 Dark Energy,就可從多篇文章的標題見到冰山一角。最近,牛津教授 Subir Sarkar 重新對一個最大型的超新星爆炸紀錄數據庫進行統計分析後,認為宇宙澎漲正在加速的證據強度已減弱,不及 Saul Perlmutter 團隊由只有現在 1/10 的數據所得之強。

本來發現錯誤是科學發展的最大動力,而暗能量亦是與研究當初預期相反的發現。聽過 Saul Perlmutter 的諾貝獎講座就知道,超新星爆炸的探測和統計錯綜複雜,即使同一套數據的不同詮譯亦可能出現異議。多年來一直質疑暗能量存在的 Sarkar 認為,加速澎漲證據現在「只有 3 個標準差」。不過,超新星爆炸的測量並非暗能量唯一證據,而 3 個標準差仍具有足夠強度,因此這論文並未帶來太大的震撼。要消滅暗能量,並隨即推翻 ΛCDM 模型 ,目前言之尚早。Sarkar 亦在論文明言,有待更大型望遠鏡在未來十多年的測量提供更準確有力的證據。

科學人其實對任何推翻主流的可能性都感到雀躍,除非不可能,如 Sarkar 這研究。惱人的是,不少傳媒由公關文稿搬字過紙,連字面意思也不理解就誇大研究結論,變成《科學家說不,宇宙並沒有在加速澎漲》,一個標題就改寫了宇宙的命運。蘋果日報喜歡引用的英國每日郵報更無中生有,指 “The universe might NOT be expanding”——Sarkar et al. 並沒有質疑宇宙澎漲,那是在目前幾乎不可能的。

本來牛津大學文稿《宇宙正在不斷加速澎漲,真的?》以及原論文 “Marginal evidence for cosmic acceleration from Type Ia supernovae” 兩個標題都恰如其分。可是 Sarkar 在公關文內的表述卻有誤導之嫌。他以去年歐州強子撞擊實驗錄得疑似新粒子的事件為例,指如果該「750 GeV 雙光子信號」達到 4 個標準差的強度亦證實只是偶然出現的巧合,今次宇宙加速澎漲證據只有 3 個標準差,更加不夠堅實。

這個比喻有如蘋果和橙的比較,並不合理。首先要明白,物理實驗以標準差表達證據支持假說的統計強度,其實就是大家更熟悉的 p-value 的不同表達形式。「軟科學」如醫藥、心理、社會學等,多以 p =0.05 以下為可接受結論的標準。物理實驗則嚴格很多,一般以 3 個標準差代表發現證據,對應 p = 0.003,但要確認為新發現,成為物理世界的一份子,「上帝粒子」Higgs Boson 的訊號必須強於 5 個標準差,對應 p = 0.0000003。特別注意,標準差或 p-value 並不代表假說成立的機會率,但很多科學家都是這樣地誤解(包括研究生時代的筆者以及導師)。近年多項大型研究發現大部份心理學研究結果不能重現,引發科學的信心危機,源頭就是 p-value 被廣泛誤解及誤用,由教學、研究、期刋以至研究經費來源都如是,因此美國一份心理學期刋率先禁止引用 p-value

說回標準差的真正意思。Sarker et al. 的 3 個標準差強度是相對於「宇宙沒有加速澎漲」的零假設 (null hypothesis) 而言:假如宇宙沒有加速,要重覆此研究 350 次才有一次得到加速澎漲的結論。至於「750 GeV 雙光子信號」達到 4 個標準差,對應的零假設則是「粒子物理的標準模型中並沒有此粒子」。後者是科學史上最成功及最嚴謹的粒子物理標準模型,以它和粗枝大葉的宇宙學比較,有如以精緻的新奇士橙對照粗獷的野生品種,絕不適合。

暗能量的存在還得到其它多項獨立證據的支持,Sarkar 在論文中只以三言兩語交代,認為超新星爆炸提供最直接的動態數據,遠勝宇宙微波背景以及超級星系團「由模型決定」的推論。但外行如我都知道,宇宙的距離不可能憑空「用間尺來量度」。宇宙學各種成就當中,最引人入勝之一是等於標尺的標準燭光,其中的 1a 類超新星爆炸不但有相同的亮度和特性,更假設為亙古不變。全賴大自然留下這個線索,Richard Muller 和 Saul Perlmutter 才敢大膽䇿劃研究,量度跨越百億光年的宇宙時空動態變化。Saul 在諾獎講座中提及標準燭光的穩定性及星際微塵等因素對測量結果有嚴重影響,必須以無限耐性逐一分析,從數據中剔除,才能通過同儕審查,一舉成名。Sarkar 所說的「直接量度」,只是程度上的分別,不可能是絕對直接。

想起同樣和諾獎相隔一度星塵,同樣是柏克萊物理系出身的郭兆林。2014 年南極州 BICEP2 實驗在宇宙微波背景偏光測量中錄得 5 個標準差的始源重力波遺痕證據,郭兆林身為團隊主將,親自拜訪將會一同前往斯得哥爾摩的 Andrei Linde。兩人開門見山,一句 ”It’s five-sigma at point two” 之後喜極相擁,那一幕至今歷歷在目。奈何發佈操之過急,至交予同儕審查後才發現訊號更可能來自銀河星塵。諾獎夢碎,留下短片永存雲端。聽說郭兆林後來加拍了一段,向那瓶香檳道歉。年青人,有賭未為輸,祝 BICEP3 為你贏回更香醇的美酒。

從 “The Island of Knowledge” 向 Marcelo Gleiser 借來一段:「這些教訓很惱人。不但因果和技術局限了我們所能認識的宇宙,我們得到的訊息亦會哄騙我們,建構一個完全虛假的宇宙觀。我們量度所得並不是全貌;可能其實只是一個無關重要的小部份。」

後記

和 Saul Perlmutter 共享諾獎的 Adam G. Reiss 剛在 Scientific American 回應,觀點和本文一致:

Once you read the article, however, it’s safe to say there is no need to revise our present understanding of the universe. All the paper does is lightly reduce our certainty in what we know—and then only by discarding most of the cosmological data on which our understanding is based. It also ignores important details in the data it does consider. And even if you leave aside these issues, the headlines are wrong anyway. The study concluded that we’re now only 99.7 percent sure that the universe is accelerating, which is hardly the same as “it’s not accelerating".

此外,Ethan 隨後亦發文,指出 Sarkar et al. 的數據不但不足以否定暗物質,更提供統計分析的新視角。下圖為 Ethan 在他們最新的超新星爆度數據分析之上,加上本文上圖另兩項條件的規限,可見交接處依然無疑問地落在加速區:

伸延閱讀

  • 幾乎是我全部宇宙學知識始源的 Starts With A Bang 網頁最近移師到 Forbes,網主天體物理教授 Ethan Segal 邀得理論物理學家 Sabine Hossenfelde 客串,更加出色。有興趣從暗能量開始入門宇宙學的話,可由 Ethan 和 Sabine 在私人博客的答問開始: What is Dark Energy?Where does dark energy come from and what’s it made of?
  • 暗能量的最新發展,可留意 Ethan 的報導及解讀
  • 生物統計專家 David Colquhoun 最近在 Aeon 發表的 The problem with p-values,是我讀過多篇普及文章中,思路及解説最澄明的一篇。作者特別指出,傳統非貝思統計思維企圖以「基於假說推論數據的可能性」來滿足「基於數據更新假說的可信度」的假說檢定本意,掉入前設倒置的泥淖而不自知,是 p-value 害人不淺的關鍵所在。唯有面對不可迴避的先驗 (prior) 機率,才能離開怪圈。

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