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一切歸於黑暗:淺談宇宙命運

2015/9/4 — 13:14

Pillars of creation / NASA

Pillars of creation / NASA

最近在華文媒體看到關於「宇宙走向終結」的報導,覺得有點兒嘩眾取寵。身為物理撚的我正好借題發揮,探討一下現有科學理論對宇宙命運有何看法。

報導是這樣開頭的:

廣為科學界所接受的大爆炸理論告訴人們,宇宙的年齡是有限的,而天文學家最近還得知了它「死去」的速度。

科學界的確廣為接受「大爆炸」作為宇宙開端的一環。在 1929 年,美國天文學家哈勃(Edwin Hubble)發現星系正高速相互離去;這意味著過去星系之間的距離比較近。然後在 1964 年,美國貝爾實驗室的兩位研究人員在調整無線電天線時,意外地發現了充滿空間、強度不隨著方向和時間變化的電磁輻射源。這輻射跟零下 271 度的物體發出的熱輻射相仿,是宇宙曾經處於熾熱狀態、然後慢慢冷卻的強力證據。透過上述兩個觀測,科學家推測宇宙是從體積很小、能量很高的狀態逐漸膨脹而成 – 形象地說,是「爆」出來的。

這就是大爆炸理論。它解釋了宇宙的起源,而沒有預測其「年齡」或最終命運。當然,這並不代表我們對宇宙的演化一無所知。經過六十年的努力,宇宙學家在一些基本的事情上已取得共識,而普通人如我和你也可以參與討論,而不被眾論紛紛所迷惑。

你也許聽說過「萬有引力定律」:物質互相吸引,而吸引力跟它們的質量成正比。如果把定律應用到全宇宙,那麼,星系會不會在彼此向內拉的萬有引力下聚合呢?宇宙膨脹的速率又會否慢下來呢?畢竟,一個星系平均有千億顆恆星,而每顆恆星的質量大約是地球的一百萬倍

答案,還是要靠天文觀測判定,而宇宙膨脹導致了可被觀測的效應。上文提到,哈勃觀測到星系正以高速相互離去,但更準確的描述是說 *空間本身* 在膨脹。打個比喻:在氣球上用墨水筆畫上兩點,充氣時水點就會慢慢分開。水點分開是因為氣球 – 也就是它們身處的空間 – 正在膨脹(見下圖)。同樣道理,因為宇宙膨脹的緣故,星系之間的越來越多空間,結果看似它們在遠離對方。雖然個別星系會有「本動運動 (peculiar motion)」– 例如透過引力互相吸引 – 但誰也逃離不了空間膨脹的無形之手。 

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圖中氣球比喻膨脹的宇宙空間,而紅點則比喻星系。相對氣球表面,紅點是靜止的。因此,即使箭頭長度本身增加了一倍,兩個箭頭長度的比例卻沒有改變。那麼紅點會變大嗎?這就是比喻的不完美之處:紅點確會隨著氣球充氣而變大,但恆星之間的萬有引力卻足以抵抗膨脹,令星系不會散開。 圖:物理園。

圖中氣球比喻膨脹的宇宙空間,而紅點則比喻星系。相對氣球表面,紅點是靜止的。因此,即使箭頭長度本身增加了一倍,兩個箭頭長度的比例卻沒有改變。那麼紅點會變大嗎?這就是比喻的不完美之處:紅點確會隨著氣球充氣而變大,但恆星之間的萬有引力卻足以抵抗膨脹,令星系不會散開。 圖:物理園。

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天文觀測依靠分析星光,而空間膨脹對星光的影響是把它:「紅移 (redshift)」,也就是增加其波長膨脹越快,紅移量越大;情況就彷若當消防車(波源)高速離你而去的時候,警號聽起來會比較低沉。要知道膨脹速率怎樣隨著時間變化,我們需要量度來自不同距離的星光的紅移量。如果膨脹速率曾經快速下降(例如因為大量物質的牽引),那麼高紅移的星體會離我們較近。這是因為從前紅移量大、快速膨脹的年代在時間上接近現在,所以星體沒有被膨脹帶得太遠。另一方面,如果膨脹速率變化不太大(例如因為宇宙裡面質量不多),高紅移星體就會離我們比較遠。

經過幾年的努力後,Saul Perlmutter 和 Brian Schmidt 的團隊在 1998 年分別宣布觀察到膨脹正在加速。他們發現高紅移的超新星比預期中暗淡、遙遠,甚至比在宇宙空無一物的假想情況下顯得更遠 [3]。因為這個發現,Schmidt、Perlmutter 和合作者 Adam Reiss 在 2011 年獲得諾貝爾物理學獎。

等等!宇宙膨脹在加速?莫非引力定律在星系或更大的尺度上發生「故障」?也許吧。不過,更被廣為接受的說法是,有一股未知的能量形態在抗衡星系間的吸引力,並將它們加速帶離。這股神秘的力量,宇宙學家稱之為「暗能量 ( Dark Energy) 」。支持暗能量假說的其中一個原因是,物質被膨脹「稀釋」、密度降低於暗能量的時候(大概是宇宙年齡的一半、大爆炸後六十億年),星系合拼的速率剛好在明顯下降 [1];暗能量作為令膨脹加速的一股影響,能夠為現象做出解釋:膨脹加速會防止物質聚集在一起,並形成星系。
 

左邊顯示了星系合拼速率如何隨時間下跌,而右邊是 NGC 4676 星系對合拼的示意圖。圖:[1] / NASA

左邊顯示了星系合拼速率如何隨時間下跌,而右邊是 NGC 4676 星系對合拼的示意圖。圖:[1] / NASA

不過,暗能量到底是什麼東東呢?

很抱歉,宇宙學家暫時只可以攤手搖頭說:「不知道」。曾經受歡迎的一個假說是「真空能量」,由相對論性量子力學預測的、在出現後立即湮滅的虛粒子所構成。但在今天這個假說顯得很荒謬:理論計算給出的真空能量,比導致宇宙膨脹的能量大出至少 1055 倍!如果有某種效應消除了絕大部分的真空能量,餘下的 10-55 需要精細微調才能跟天文觀察相符合 [3,4]。這不是宇宙學家樂見的。在 2015 年,科學界依然在建構新的實驗,為的是仔細量度空間膨脹在不同時期的變化。也許在更深入了解暗能量對宇宙演化的影響後,我們會提出踏實的假說來解釋它的本質。對認真的科學家而言,「不知道」本身並不羞恥。相反,這才是求知樂趣的開始;渺小的人類能夠以一己之力探索宇宙奧秘,這已是個驚喜。


最後回到初衷,解答我們最感興趣的問題:宇宙何去何從呢?可以肯定的是,宇宙正在加速膨脹。這樣下去,在一千億年後除了鄰近的數百個星系外,其他星體發出的光都因為高度紅移(波長趨於零)從夜空上消失 [2,4]。如果那時候還有人類的話,他們抬頭看到的將會是一片漆黑的死寂。

 那麼,華文媒體報導的「宇宙終結」又是怎麼回事呢?原來最近有研究發布,說各種星體散發的總能量比二十億年前減半。先不說這項研究還沒有經過同行評審;討論宇宙的命運而忽略暗能量,根本就是停留在九十年代以前的知識水平,也埋沒了當年不分日夜分析超新星數據的科學家的努力吧!


參考資料:
[4] 可以在下面的連結免費下載,而至少 [1] 和 [2] 可以透過 Google 找到。 

  1. Conselice, C. J. (2007). The Universe’s Invisible Hand. Scientific American, 296(2), 34–41. DOI: 10.1038/scientificamerican0207-34
  2. Krauss, L. M., & Scherrer, R. J. (2008). The End of Cosmology?. Scientific American, 298(3), 46–53. DOI:10.1038/scientificamerican0308-46
  3. Perlmutter, S. (2003). Supernovae, dark energy, and the accelerating universe. Physics Today, 56(4), 53–60. DOI:10.1063/1.1580050
  4. Turner, M. S. (2003). Dark energy: Just what theorists ordered. Physics Today, 56(4), 10–11. DOI: 10.1063/1.1580026

原文刊於作者博客

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