天文太空

戳破宇宙暴脹

根據最新的天文觀測數據與理論中值得商榷的問題,一向被視為圭臬的宇宙暴脹理論,再次引發質疑,很可能需以新概念取代才能描述宇宙起源。

撰文/伊雅斯(Anna Ijjas)、斯坦哈特(Paul J. Steinhardt)、羅布(Abraham Loeb)
翻譯/李沃龍

天文太空

戳破宇宙暴脹

根據最新的天文觀測數據與理論中值得商榷的問題,一向被視為圭臬的宇宙暴脹理論,再次引發質疑,很可能需以新概念取代才能描述宇宙起源。

撰文/伊雅斯(Anna Ijjas)、斯坦哈特(Paul J. Steinhardt)、羅布(Abraham Loeb)
翻譯/李沃龍


在2013年3月21日舉行的國際記者會中,歐洲太空總署(ESA)公佈了普朗克衛星最新觀測結果。這顆探測衛星觀測130多億年前在大霹靂發生後不久發出的光子,以前所未有的精確度描繪宇宙微波背景(CMB)輻射分佈圖。科學家宣稱,新的CMB分佈圖證實了35年來宇宙學家極重視的「暴脹理論」:宇宙誕生自大霹靂之後,隨即在很短的時間內急遽膨脹。這段過程幾乎澈底鋪平了宇宙,直到百億年後在任何地點往各方向看,宇宙都保持近乎均勻且「平坦」,不像球體般彎曲;然而物質密度分佈仍有極細微的差異,可以解釋為何有星球、星系和星系團等階層結構存在。


記者會主要目的是:宣告普朗克衛星的數據完美符合最簡單暴脹模型的預測,強化暴脹理論根基穩固的形象。研究團隊似乎暗示我們已為宇宙學這本書寫下結局,並即將闔上。


該聲明發表後,我們(本文三位作者)在美國哈佛史密森尼天文物理中心討論這項宣示可能帶來的影響。伊雅斯當時是來自德國的訪問研究生;斯坦哈特是30年前暴脹理論的創建者之一,但他後續的研究卻指出該理論的根基問題重重,那時他輪休,正在哈佛大學擔任訪問學者;哈佛大學天文系主任羅布則擔任東道主。我們都認同普朗克團隊的觀測謹慎又精準,卻不同意他們的詮釋。若真要說任何值得關注之處,我們認為普朗克衛星的數據並不支持最簡單的暴脹模型,反倒加劇了長久以來該理論根基的問題,好讓我們再次考量其他可相抗衡的宇宙起源與演化概念。


之後,普朗克衛星又累積了更多精確的數據,然而綜合其他儀器的測量結果,只益發突顯暴脹理論的問題。不過宇宙學社群至今仍未冷靜、誠實檢視暴脹理論,亦未嚴肅正視關於暴脹是否發生的質疑。相反地,不少宇宙學家似乎對暴脹理論深信不疑,因為只有它能對已觀測到的宇宙性質提出簡單解釋。但我們即將說明,普朗克衛星的數據與理論上的問題,已撼動了暴脹理論的基礎。


暴脹理論有缺陷


為了闡明暴脹模型的問題,我們先依循倡議者的主張:假設暴脹毫無疑問曾發生。並假想有位「全知者」宣稱,暴脹必定發生於大霹靂後不久。我們可以從中得知哪些關於宇宙演化的資訊?假如暴脹真的可以提供宇宙演化一個簡單的解釋,我們勢必能期盼在普朗克衛星的觀測數據中,看到許多與全知者宣稱吻合的相關性質。


至少有件事可以確定:在大霹靂後不久,一小塊空間內滿是特殊型式的能量,導致空間急遽加速膨脹(稱為「暴脹」)。多數我們熟知的能量型式,例如物質與輻射帶有的能量,都會因為重力而抗拒並減緩宇宙的膨脹;相反地,如果暴脹要發生,宇宙必須充滿引發斥力的高密度能量,才能加速膨脹。但關鍵是,這種暴脹能量純然出於假設,沒有直接證據證明它必定存在。此外在過去35年裡科學家提出數百種理論,試圖定義暴脹能量的型式,每一種的暴脹速率與整體的空間拉扯程度皆大不相同。因此,暴脹理論具有高度彈性、包含許多可能性,顯然不夠精確。


若不論暴脹能量的型式,我們可以從全知者的宣稱了解暴脹模型的共通特性嗎?首先,根據基礎量子物理,暴脹結束時宇宙各處的溫度與物質密度應不盡相同。在暴脹時,次原子尺度下暴脹能量中的隨機量子漲落,會被拉扯成許多帶有不同能量的宇宙尺度區域。根據暴脹理論,當暴脹能量轉變成普通物質與輻射時,加速膨脹的過程便結束。暴脹能量密度(每立方公尺的暴脹能量)較高的區域,加速膨脹會持續較久;暴脹結束後,該處的溫度和物質密度就會稍高。量子效應引起的暴脹能量差異,將成為CMB分佈圖上的熱點與冷點,記錄了那些時刻的變動。在接下來137億年裡,宇宙中物質密度與溫度的微小差異將受重力影響,形成星系及大尺度結構。


這個說法雖有些模糊,卻是好的開始。我們可以藉此預測星系的數量與分佈、空間彎曲和變形的程度嗎?又有多少物質或其他型式的能量組成了今日的宇宙?以上皆非。由於暴脹概念極具彈性,任何結果都有可能發生。暴脹是否能告訴我們大霹靂為何發生?或是最初啟動暴漲的空間如何形成、最終演化成我們今天觀測到的宇宙?答案仍舊為否。


就算暴脹真的發生過,我們還是無法預測普朗克衛星觀測到的熱點與冷點。根據普朗克衛星的CMB觀測數據與先前的研究都指出,無論我們靠得多近,熱點與冷點的分佈型態幾乎總是相同,科學家稱此特性為「尺度不變性」。最新的普朗克數據顯示,宇宙幾乎達到完美的尺度不變性,僅偏離幾個百分比;所有冷熱點的平均溫度變化也只差萬分之一。


倡議者強調,從暴脹理論推導出的溫度分佈可以滿足這些性質,但他們往往遺漏了一個關鍵:暴脹也容許其他偏離尺度不變性較多的冷熱點分佈存在,這些分佈的溫度差異通常遠大於觀測值。換言之,不論是尺度不變性、遠離尺度不變性或任何介於兩者之間的分佈模式都有可能發生,取決於理論模型所假設的暴脹能量密度。因此,普朗克衛星的觀測結果並不能做為暴脹發生的證據。


值得注意的一點是,如果暴脹真的發生過,我們就能在普朗克衛星的CMB觀測數據裡看到宇宙重力波的蹤跡。所有最簡單型式的暴脹能量(包括那些寫入教科書的)都會產生這種效應。隨機量子漲落造成暴脹能量的隨機差異,同時引起空間隨機扭曲,並在暴脹結束時以波的型式傳播出去。這些擾動稱為重力波,是CMB分佈圖上冷熱點的來源之一,不過重力波具有特殊的偏振模式(重力波驅使光波的電場沿特定方向振盪,取決於光來自熱點、冷點,或介於其間)。


不幸的是,搜尋宇宙重力波的工作總是徒勞無功。雖然宇宙學家煞費苦心仔細搜尋,並早在1992年宇宙背景探測衛星(COBE),以及包括2015年普朗克衛星的一連串計畫中觀測到熱點和冷點,但截至目前為止,宇宙學家從未偵測到因暴脹而產生的宇宙重力波。(2014年3月17日,在南極的BICEP2團隊宣稱偵測到宇宙重力波,但當他們發現觀測到的偏振效應,其實是由銀河系內的塵埃所引起,便撤銷該聲明。)請注意:這些宇宙重力波與2015年雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO)偵測到黑洞合併所產生的重力波無關。


普朗克衛星的觀測結果委實令人震驚,不論是CMB上冷熱點分佈意外接近完美的尺度不變性(只有幾個百分比的偏差),或是偵測不到宇宙重力波的蹤跡,都是30多年來的觀測首次對暴脹模型(包括教科書中描述的)提出嚴重質疑。理論學家當然立即修補暴脹理論的圖像,卻只搞出一些神秘難解的模型,並暴露出更多根本問題。


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