天文太空

暗能量撕裂宇宙?

宇宙為何加速膨脹?我們歷經20年的研究,仍不知道原因,卻產生更多疑惑。未來數年會是這項研究的關鍵時刻,它將告訴我們宇宙的結局。

撰文/黎斯(Adam G. Riess)、利維歐(Mario Livio)
翻譯/李沃龍

天文太空

暗能量撕裂宇宙?

宇宙為何加速膨脹?我們歷經20年的研究,仍不知道原因,卻產生更多疑惑。未來數年會是這項研究的關鍵時刻,它將告訴我們宇宙的結局。

撰文/黎斯(Adam G. Riess)、利維歐(Mario Livio)
翻譯/李沃龍


重點提要
■大約20年前,科學家發現宇宙正在加速膨脹,並把加速膨脹的原因稱為「暗能量」。
■之後的密集研究並未解開暗能量之謎,反而凸顯這些問題:為何暗能量的強度與理論預測天差地遠?這對宇宙的未來有何影響?我們透過暗能量的研究,是否會得到多重宇宙的結論?
■科學家透過一些正在與即將進行的實驗,希望能在未來幾年解答這些問題。


宇宙每一秒都在變大:星系彼此飛離,星系團與星系團也越分越開,宇宙裡的一切事物皆漸行漸遠。自1920年代起,哈伯(Edwin Hubble)與其他人的觀測便已告訴我們,宇宙正在膨脹、擴張。但不久前,天文學家發現這個過程甚至還在加速進行,宇宙的膨脹幅度持續升高,使星系的退行速率隨著時間遞增。


本文作者之一黎斯與澳洲國立大學的施密特(Brian Schmidt)共同領導的研究團隊測量遙遠超新星爆發事件,在1998年得到這項驚人發現;美國加州大學柏克萊分校的珀爾穆特(Saul Perlmutter)領導的另一組團隊,以類似的方法也在同一年獲得相同的結果。這項鐵證如山的結論顯示,某種未知原因引起宇宙加速膨脹。但究竟是什麼?


科學家把此未知原因稱為「暗能量」,它似乎會產生把宇宙加速撕裂的斥力。我們研究此現象將近20年,至今暗能量的本質仍是個謎,我們對它的認識就和當初一樣粗淺。事實上,最近的觀測結果似乎與理論解釋有些牴觸,使真相更加撲朔迷離。


我們面對的是幾個深刻難解的問題:暗能量是什麼?為何它的強度似乎總比最簡單的理論預測微弱許多(卻仍足以讓我們偵測到)?暗能量的本質究竟對宇宙的未來有何影響?最後,若依照多重宇宙(multiverse)的構想,我們的宇宙只是無限多個不同型式的宇宙之一,每個宇宙具有不同性質與暗能量強度;因此暗能量的詭異特性,其實暗示了我們的宇宙是隨機發生的?


全力探究暗能量本質的行動正如火如荼進行,其中有幾項觀測計畫的前景看好,預期很快就能取得進展。我們希望在10年內開始回答這些問題,並確切了解宇宙加速膨脹的本質,至少不再聽天由命,徒留永無止境的神秘感。


什麼是暗能量?

科學家有幾項假說,或許可用來解釋宇宙加速膨脹的原因。目前最佳的假說源自空無一物的空間本質。在量子物理中,真空並非「空無一物」,真空裡可以不斷出現一對對「虛」粒子與其反粒子,瞬間自發出現又湮滅。雖然這件事聽起來很奇特,不過大量短暫存在的粒子對含有能量,而能量就像質量一樣,能夠產生重力。唯一不同的是,能量可以產生具有吸引或排斥性質的重力,這完全取決於壓力的正或負。根據理論,空無一物的空間能量具有負壓,因此可能是驅動宇宙加速膨脹的排斥性重力來源。


這概念等同於愛因斯坦在廣義相對論的場方程式中加入的「宇宙常數」,代表充斥於空間中的固定能量密度。一如其名,這假說中的暗能量密度是個常數,並不會隨著時空變動。直到目前為止,除了些許差異,天文物理的觀測證據與宇宙常數假說的解釋最吻合。


另外,暗能量可能是個遍及全宇宙的能量場,稱為「第五元素」(quintessence),在空間中各點抵消重力的特性。物理學家非常熟悉場的概念,能夠透過場來描述日常生活中電磁力與重力如何運作(雖然這些力通常來自小範圍的局部源頭,而非充斥整個空間)。


假如暗能量是一個場,強度將無法保持固定,會隨著時間改變。在此狀況下,暗能量可能一度比現今強一些、或微弱一點,因此在不同時刻對宇宙造成不同的影響。同理,它在未來的強度變化,也會衝擊宇宙的未來。在此假說中,有種模型稱為「冰凍場」,其暗能量的變化隨著時間漸趨緩慢;在另一種「融化場」的模型裡,場的變動則由緩趨急。


解釋宇宙加速膨脹的第三項假說,是暗能量根本不存在,愛因斯坦的重力理論未能解釋宇宙加速膨脹的物理機制,也就是廣義相對論並不完備。在星系團或整個可觀測宇宙這樣極大的尺度中,重力運作的定律可能不符合理論預測,反而有奇怪的重力現象。按照這樣的邏輯,物理學家提出了一些理論猜想,但目前沒有條理一致的理論可解釋所有的觀測結果,因此暗能量似乎比這假說稍佔上風。


暗能量為何如此微弱?


沒有任何一種關於暗能量的解釋是令人信服的。例如,宇宙常數假說預測,暗能量應該比實際強度更大。當我們嘗試把真空裡一對對虛粒子與其反粒子的所有量子態的能量相加,便發現總和遠比觀測值大了120個數量級(即10120倍)。因此,如果暗能量真的是真空能量,我們不禁要問:為何真空能量如此微弱?


若以場來解釋暗能量,也無法在這方面取得任何優勢。理論學家單純假設(沒有好理由說明為何該如此),暗能量場的最小位能極低,以確保僅有少許暗能量在空間中散佈。同時,根據這些模型,除了斥力,暗能量場和宇宙裡的其他東西之間有極微小的交互作用;這是一種很難解釋的性質。這些因素使得暗能量場的假說,難以融入一般的粒子物理學模型。