解開宇宙命運之謎的四把鑰匙

白衣

【科學人(Scientific American) 2004年3月號】
解開宇宙命運之謎的四把鑰匙
宇宙的歷史始於暴脹，它的結構從隨機演化為有序，它的膨脹從減速到加速……
它的未來又將何去何從？
撰文╱馬瑟（George Musser）﹔黎斯（Adam G. Riess）、特納（Michael S. Turner）
翻譯／李沃龍﹔曾玠郡
審訂／吳俊輝


導論

對宇宙學家而言，目前的景況像是猛踩煞車，卻感覺車速攀升。這是一種興奮中摻雜了些許不安的情緒，因為事情似乎不太對勁。1998年，研究者用以測量宇宙膨脹減速率的望遠鏡，卻意外觀測到宇宙正在加速膨脹中，這個發現普遍被認為是當年最重要的科學發現。自此之後，研究人員便緊緊地抓住方向盤，不敢稍或放鬆。

對於如此神秘深邃的加速現象，假如我們就接受了這個發現而不再探究其根源，那麼其他各種宇宙學問題便能迎刃而解。在1998年之前，宇宙學家一直對宇宙的年齡、密度，及宇宙中物質叢聚等許多觀測和理論矛盾的現象大惑不解，加速膨脹的論點讓所有的謎團豁然開朗。這一關鍵觀念，加上高精密度的觀測和新穎的學說，使得大霹靂理論更加精進。

大霹靂常被認為是發生在很久之前、創造宇宙的大爆炸事件。事實上，大霹靂理論並沒有提到宇宙創生時的任何事情，那些是量子物理（或形上學）的工作；它只不過是陳述了在我們所能逆向推論的太古之初，宇宙便已處於不斷膨脹、稀釋與冷卻的狀態中。大霹靂不應被視為特異事件，而是一個持續在混沌中逐漸理出秩序的過程。最近的觀測結果更賦予此一圖像前所未有的一致性。



威金森微波異向性探測器（簡稱WMAP衛星）所拍的宇宙38萬歲時
的快照。地球位於此天球的中心；紅色代表較高溫的區域，藍色則
是較低暖的區域。

　

好比地球上生命起源的過程一般，宇宙的歷史起始於暴脹。這是將宇宙的狀態重新設定的過程，它將之前所有的東西清除，只留下一個沒有結構，也沒有特色的空間；當時的宇宙沒有具像的形態，僅存一片空寂。接著，暴脹的機制將它所釀造出近乎完全均勻的輻射填入其中，且均勻中帶有微小的雜亂變化。以數學術語來說，這種雜亂就是一種隨機的表現。

慢慢地，宇宙自身逐漸產生秩序。我們熟悉的物質粒子，如電子和質子，自輻射中凝結而成，正如水滴於雲霧之中成形。從亂無章法的混沌中奔流而出的聲波，決定出物質初步分佈的情形。物質循序漸進，自輻射手中奪得宇宙演化的掌控權。在暴脹後數十萬年，物質終於獲得最後的勝利，並擺脫了輻射控制。現在用以探索古老輻射的高精密度觀測，就是在檢驗這個與輻射脫鉤的時期，以及它那戲劇性的尾聲（見〈聆聽宇宙交響曲〉一文）。

在隨後的億萬年裡，物質一點一滴地形成，並不斷地增大其結構：從次星系尺度的塊壘，擴增至浩瀚的星系、星系團，甚而星系長城。就宇宙學而言，我們所熟知的宇宙—一個由眾多相距遙遠的獨立個體所佔據的廣袤空間—這其實是在宇宙演化的晚期才形成。這個廣大的結構現正有系統地記錄成圖（見〈攤開宇宙的藍圖〉一文）。物質自數十億年前便開始漸漸將宇宙演化的主宰權交給了加速膨脹的機制。大霹靂顯然在稍加喘息之後，又再接再厲地活躍起來，這對宇宙而言或許是件美事，但對我們來說卻恰恰相反。愈來愈快的膨脹已經阻礙了大尺度結構的形成，如果再繼續下去，很可能會撕裂星系，甚至是我們所居住的行星（見〈從減速到加速〉一文）。

在發展出目前這個具一貫性，並能以實驗完善解釋的宇宙歷史之過程中，宇宙學家同時也暫停了曾經振奮此領域的爭辯，例如大霹靂理論與穩態學說（steady state theory）的老話題，或是暴脹宇宙和其替代理論之間的爭議。在科學裡沒有什麼事是絕對確定的，但是現今研究者認為，他們最好多花點時間在更深奧的基本問題上，就從造成宇宙加速的起因開始。

雖然發現宇宙加速是一項革命性的進展，宇宙學家起初對此事的反應卻非常保守。他們啟用愛因斯坦塵封已久的「宇宙常數」觀念，來代表一種新型態的能量—這是一般被稱之為「暗能量」的一個例子。但有許多物理學家卻認為，革命性的發現應匹配革命性的理論回響，或許萬有引力定律作用於巨大的宇宙尺度時，和其作用在日常生活的尺度上有所不同（見〈挑戰重力，走出黑暗〉一文）。

正如同發射核子導彈，非得同時轉動兩把鑰匙不可，宇宙學所預期的爆發性進展，也必須仰賴眾多觀測與理論的同時突破。不斷湧現的新觀念是否會導致理論學說的混亂？理論建構的秩序是否會重新浮現？




第三把鑰匙：超新星觀測－－從減速到加速

打從牛頓（Isaac Newton，1642~1727）那時開始，一直到1990年代末期，我們總認為重力只會相吸。重力讓我們停在地面上，也減緩了棒球的飛升，並且讓月球繞著地球運行。重力使我們的太陽系不致四分五裂，也將龐大的星系群綁在一起。雖然愛因斯坦的廣義相對論同時允許相斥和相吸的重力行為，可是大部份的物理學家卻認為，那純粹只是個理論上的可能性，與現今的宇宙並無關聯。直到數年前，天文學家都還滿心期待，盼能觀測到宇宙減速膨脹的現象。

然而在1998年，研究人員發現了重力的相斥現象。在仔細觀測過遠處的超新星（supernova，在一瞬間釋放出的光足以媲美100億顆太陽）之後，天文學家發現，它們似乎比預期來得黯淡。解決這個矛盾最合理的方法，就是那些在數十億年前由超新星所爆發出的光，走的路比預期還長。從這個解釋出發將可推導出，宇宙的膨脹事實上正在加速而非減速。由於這個發現實在太具顛覆性，以致宇宙學家認為，超新星的晦暗源自於其他效應，舉例來說，有可能是其間的宇宙塵削弱了光的亮度。然而在過去幾年間，天文學家已經藉由研究更多遙遠的超新星來穩固宇宙加速膨脹的說法。

但宇宙究竟是一直在加速膨脹，還是近50億年才變成如此？這答案有更深層的意含。若科學家發現宇宙總是在加速膨脹，則他們必須修正其對宇宙演化的認知。但若像宇宙學家所預測，加速膨脹是近期才有的現象，那麼藉由研究膨脹加速的濫觴和驅動力，研究人員或許可找出其成因，甚或回答宇宙最終命運的大哉問。




巨人的角力戰


哈伯觀測到其他星系正遠離我們，因此發現宇宙膨脹的事實。

　

約75年前，哈伯（Edwin Hubble）觀測到其他星系正遠離我們，因此發現宇宙膨脹的事實。他發現愈遠的星系就遠離得愈快，這便是我們所熟知的哈伯定律（相對遠離速率等於距離乘上哈伯常數）。以愛因斯坦的廣義相對論觀之，哈伯定律起因於空間的均勻膨脹，純粹只是宇宙尺寸的膨脹。

在愛因斯坦的理論中，就算是在宇宙那樣的大尺度下，對於所有物質和能量的已知型態而言，重力相吸的性質依舊成立。因此，廣義相對論預期宇宙的膨脹將會趨緩，而其速率則取決於宇宙中物質和能量的密度。然而，廣義相對論亦未排除會造成相斥重力這類性質怪異的能量型態（詳見〈重力為何會相斥？〉一文）。這項宇宙膨脹正在加速而非減速的發現，即明顯點出了這類能量的存在，即所謂的「暗能量」。

到底膨脹是在加速或減速，取決於兩位泰坦族巨人間的角力戰︰物質間的重引力和暗能量間的重斥力，兩者之間的相抗衡。在這場競賽中，最舉足輕重的就是彼此的密度。物質的密度，隨著宇宙膨脹導致的空間增大而遞減。（只有一小部份的物質是以發光恆星的形式存在；其餘的大部份都被認為是暗物質，除了受到相吸的重力之外，暗物質與其他普通物質和光之間的交互作用十分微弱。）雖然對於暗能量的所知有限，但是我們卻預期它的密度在宇宙膨脹時，變化得非常緩慢，或者根本保持不變。現今的暗能量密度已經大於物質的密度，但在很久以前，物質的密度是較大的，因此那時的宇宙是處於減速膨脹的階段。

宇宙學家尚有其他原因希望宇宙不是總在加速膨脹的。因為若真如此，科學家將無法解釋現今觀測到的宇宙結構。根據宇宙學的理論，星系、星系群和大尺度結構，都是從早期宇宙中，質量密度的微擾演化而來，這也正是宇宙微波背景（CMB）輻射的溫度異向性告訴我們的。在物質分佈較密集的區域，較強的重引力會阻止它膨脹，進而形成一個受重力所縛的天體，從我們的星系一直到大星系群亦然。但若宇宙一直都在加速膨脹，那麼這些結構早在形成前就已經被拉散。再者，若膨脹一直都在加速，那麼CMB的異向性變化，和在大霹靂之後數秒所生成的輕元素含量，這兩項早期宇宙的關鍵宇宙學預測，也會悖離現今的觀測。

然而，找尋宇宙早期曾經減速膨脹的直接證據還是非常重要的。如此的證據將有助於確立宇宙學標準模型的地位，並且給科學家一條現今宇宙之所以會加速膨脹的線索。因為望遠鏡在觀測非常遙遠的恆星和星系時，就好像在回溯過往，因此天文學家可藉由觀測遙遠的天體，一窺宇宙的膨脹史。而這段歷史就潛藏在星系的距離和其遠離速率的關係當中。倘若宇宙是在減速膨脹，那麼遠處星系的遠離速率便會比哈伯定律所預期的速率快。但若宇宙是在加速膨脹，遠處星系的速率則會比預期來得慢。換句話說，若宇宙是在加速膨脹，那麼具有某一給定遠離速率星系的位置，便會比預期中更遠，因而更顯晦黯。


獵捕超新星

要想利用這個簡單的關係，那就必須尋獲一顆可知其絕對光度（物體每秒所放出的輻射量）的天體，而且在距離我們很遠時也能看得到。Ia型超新星（type Ia supernovae）是超新星裡的一支特殊族群，恰好可以擔此重任。這些星體在爆炸時非常璀璨明亮，以致在越過半個可視宇宙之後，都還能用地表上的望遠鏡來觀測它們，至於哈伯太空望遠鏡能看的就更遠了。在過去的10年間，研究人員早已仔細校準過Ia型超新星的絕對光度了，因此，它們其中任何一顆與我們的距離，都可透過其視亮度（apparent brightness）來決定。

天文學家得知超新星與我們遠離速率的方法，主要是透過其所屬星系的紅移來判定。遠離物所輻射出的光線，其波長會變長；舉例來說，當宇宙只有現今一半大小時所放出的光線，傳送到我們銀河系時，其波長將倍增而偏向紅光。藉由調校大量位於不同距離的超新星紅移和視亮度，研究人員可造出一組宇宙膨脹的記錄。

可惜天不從人願，Ia型超新星非常罕見，通常得等上數個世紀，才會在像是銀河系的星系裡覓得芳蹤。而超新星獵手所慣用的技巧，則是反覆觀察一小塊佈滿著數千個星系的天空，並且比對其影像。一個突然出現在某張影像上的光點，很有可能就是顆超新星。1998 年證明宇宙正在加速膨脹的證據，來自於兩個研究小組的觀測，他們觀察到一群約在50億年前爆發的超新星，當時的宇宙大小約為現今的2/3。

然而，有些科學家卻質疑這兩個研究小組解釋超新星資料的正確性。是否可能因宇宙加速膨脹以外的效應，讓超新星看起來比預期晦暗？例如，塵埃滿佈的星系際空間，便可削弱超新星的光芒；又或許是因為當時的恆星在核反應時造出較少量的重元素，使當時宇宙的化學組成與今時不同，而讓遠古的超新星在誕生時，就已經沒那麼明亮了。

值得欣慰的是，我們對於這些難分高下的假說，有著還不錯的檢驗方法。如果超新星比預期晦暗是由於某些天文物理上的因素，像宇宙塵的遮蔽或遠古的超新星生來就比較暗，那麼這個變暗的效應，應會隨物體的紅移而加劇。反之，如果超新星比預期暗是由於宇宙由早期的減速轉為之後的加速膨脹，那麼超新星在減速的這段期間，便會顯得比預期亮眼。因此，只要能夠觀測到那些在宇宙尺寸到達現今的2/3前所爆炸的超新星，便可對這些假說的正確性提供一個評斷。（當然也有可能是某個未知的天文物理現象，同時符合加速和減速所造成的效應，不過一般說來，科學家不大喜歡這種需要人為調校的解釋。）



倘若宇宙正在減速膨脹，那麼超新星會比預期來得近，因而較為耀眼﹔但是，如果
加速膨脹，超新星則會較遠，因而較為黯淡。

【摘錄自 科學人 2004年3月號「解開宇宙命運之謎的四把鑰匙」。】