天文太空

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

天文太空

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?