天文太空

你也誤會了大霹靂?

對宇宙的膨脹感到困惑嗎?其實你並不孤單。就算是天文學家,也常常搞不清楚。

撰文/萊恩威福(Charles H. Lineweaver)、戴維斯(Tamara M. Davis)
翻譯/林世昀

天文太空

你也誤會了大霹靂?

對宇宙的膨脹感到困惑嗎?其實你並不孤單。就算是天文學家,也常常搞不清楚。

撰文/萊恩威福(Charles H. Lineweaver)、戴維斯(Tamara M. Davis)
翻譯/林世昀

關於萬物的起源,在歷來的發現中,宇宙的膨脹也許是其中最重要的一項了。如果宇宙未曾膨脹,你就不會在這裡看這篇文章,因為人類根本就不存在。從熾熱的大霹靂所誕生的宇宙,若非經由膨脹而逐漸冷卻,諸如生命和類地行星等由冷分子所構成的東西,就不可能形成。宇宙中所有結構的形成,從星系、恆星到行星,甚至《科學人》雜誌,全都得仰賴宇宙的膨脹。

在40年前的那個7月,科學家宣佈他們找到了確切的證據,可以證明宇宙是從一個高熱、高密度的太初狀態,逐漸膨脹而成。他們發現的是大霹靂冷卻後的餘暉:宇宙微波背景輻射。自此之後,宇宙的膨脹與冷卻便成了宇宙學中的主要論點,就如同達爾文的演化論是生物學的主流思想一樣。宇宙的膨脹就像達爾文的演化論,對於簡單的結構如何逐步發展形成複雜的結構,提供了可循的脈絡。沒有了演化論和宇宙膨脹,現代生物學和宇宙學幾乎就沒什麼意義可言了。

宇宙的膨脹和達爾文的演化論,還有著另一個古怪的相似處:大部份科學家都認為他們了解這個理論,可是對其真正的涵義,卻很少意見一致。在《物種起源》出版了一個半世紀後,生物學家還在爭論達爾文主義的機制與含意(而不是實際內容),而大多數人也還在為前達爾文時期的漫無頭緒而焦躁徬徨。同樣地,距離最初的發現已經75年了,宇宙的膨脹還是廣遭誤解。曾經參與解釋宇宙微波背景輻射的著名宇宙學家、美國普林斯頓大學的皮伯斯(James Peebles),在1993年寫道:「這個圖像(熱大霹靂模型)的完整內容及深度,並不如我所以為的那樣得到充份理解,即便是在某些對此思潮具有啟發性貢獻的人身上,也是一樣。」

「膨脹中的氣球」對於要了解宇宙的膨脹來說,是個很好的比喻。在氣球表面的星系,其實是靜止的,但隨著宇宙的膨脹,任兩個星系間的距離卻增加了。至於星系本身的大小則沒有增加。





大霹靂是空間本身的爆炸。我們所在的空間本身在膨脹。這種爆炸沒有中心,且在各處發生。密度與壓力到處都一樣,因此並不像一般的爆炸是藉由壓力差來驅動。

有聲望的物理學家、天文學課本的作者,以及著名的科普專家,都曾對宇宙的膨脹做出不正確、誤導的,或是容易遭到錯誤解讀的陳述。由於膨脹是大霹靂模型的基礎,這些其實都是對於基本原理的誤解。膨脹是一種很容易讓人接受的簡單概念,但是當我們說宇宙正在膨脹時,真正的意思到底是什麼?它要膨脹成什麼樣子?地球也在膨脹嗎?更教人迷糊的是,現今宇宙的膨脹似乎正在加速之中,這真是讓人連腦子也一起跟著膨脹。

膨脹究竟是什麼?

當某個日常熟悉的物體擴張,如扭傷的腳踝、羅馬帝國,或是一顆炸彈,是因為膨脹至周圍的空間而變大。腳踝、帝國和炸彈都有中心和邊界。在邊界之外,有個空間可以讓它膨脹。但宇宙似乎並沒有什麼邊緣、中心,或宇宙之「外」可言,那麼它要如何膨脹呢? 一個很好的比喻是,想像你是一隻螞蟻,生活在一個膨脹中的氣球表面。你的世界是二維的;你只知道前後、左右這幾個方向而已,全然沒有「上」和「下」的觀念。有天你忽然意識到,走去蚜蟲牧場擠奶的路途,怎麼一天比一天遠:某天要五分鐘,第二天要六分鐘,再過一天又變成七分鐘。而且前往其他熟悉的地點,所需要的時間也在增加。你很確定你行走的速度沒有變慢,也確定蚜蟲是一群群隨處圈養的,牠們並沒有串通好要一起遠離你。

這就是重點了:蚜蟲沒有亂跑,可是要去擠奶的距離仍然不斷增加。牠們就站在那兒不動,對氣球的橡皮表面而言,牠們是靜止的,可是你和牠們的距離,以及牠們彼此之間的距離,卻因為氣球的膨脹而增加。察覺到這些事實後,你推論出,原來是腳下踩的土地正在膨脹。這話說來很奇怪,因為你已經走遍你的世界,卻從沒發現有什麼邊界或是「世界之外」,可供你的世界向外膨脹。

狹義相對論並不適用於遠離速度。在膨脹的空間中,遠離速度隨著距離的增加而不斷加快。到某個叫做哈伯距離的距離之外,就比光速還快了。這並不違背相對論,因為遠離速度並不是由穿越空間的運動所產生,而是來自空間本身的膨脹。



宇宙的膨脹和氣球的膨脹很像。我們與遙遠星系的距離正不斷地增加。天文學家常會脫口而出,說遙遠的星系正在「後退」或是「遠離」我們,不過那些星系不是大炸彈爆炸所產生的碎片,它們並沒有穿越空間而遠離我們,而是星系和我們之間的空間在膨脹。個別星系在所屬的星系團內隨處移動,但星系團本質上是靜止的。「靜止」這個字眼可以嚴格地定義。充塞於宇宙中的微波背景輻射,就如同氣球的橡皮表面一樣,定義出一個普適的參考座標,相對於它的運動是可以測量的。

不過這個關於氣球的比喻可別引申過頭了。由氣球外的我們看來,彎曲的二維橡皮面是因為擺在三維的空間中,才得以膨脹。在三維空間中,氣球確實有個中心,而在它膨脹的時候,表面也是向周圍的空間擴張出去的。所以有人也許會急著下斷語說,我們所處的三維空間,要膨脹就要有第四個維度存在。不過在近代宇宙學的基礎──愛因斯坦的廣義相對論中,空間是動態的。它自己可以膨脹、收縮與彎曲,並不需要擺在一個更高維度的空間裡。

在此意義之下,宇宙是自給自足的。它既不需要一個中心點,來讓膨脹由此開始,也不需要有外部的空間(不管在哪裡),來容納它的膨脹。當它膨脹時,並不必先要求周圍要有尚未佔滿的空間。有些新潮的理論如弦論,的確假設了額外的維度,但是當我們的三維宇宙膨脹時,並不需要這些額外的維度供其擴張。

超新星,如圖中位在仙女座星系團中的這顆(箭頭所指),可做為宇宙膨脹的指標。由觀測超新星所得到的性質,排除了宇宙學中主張空間並沒有膨脹的理論。



到處存在的宇宙大塞車

就像氣球表面一樣,在我們的宇宙裡,所有的東西彼此都在遠離。因此,大霹靂不能說是一種空間中的爆炸;它比較像是空間本身的爆炸。它並不是在某個特定的位置發生,然後在某個原來便存在的空間中散開。它是同時發生在每一個地方。

不妨想像一下,將時間的流向倒轉,於是宇宙中的每塊區域都越縮越小,所有星系越來越靠近,直到擠在一起,造成宇宙大塞車──這就回到了大霹靂。這種大塞車的比喻,也許會讓你以為它是一種局部的擁塞,只要聽收音機的路況報導就可以避得開。但是大霹靂是一種逃不開的塞車。它就像是把地球的表面和表面上的所有公路都同時縮小,但車子卻保持原來的尺寸。最後,每條路上的車子都會頭尾相接。沒有任何的收音機廣播可以幫助你繞過這種塞車。到處都塞成一團。

同樣地,大霹靂到處都在發生──在此刻你閱讀本文的房間裡,在半人馬座α 星左側的某塊區域中,在每一個地方。它並不是一個從某特定點所爆發出來的炸彈,可讓我們定出爆炸的中心。而在氣球的比喻中也一樣,氣球表面並沒有一個特別的位置是膨脹的中心。

不管宇宙有多大,也不管宇宙的大小是有限還是無限,大霹靂的遍存性都不受影響。宇宙學家有時會說,宇宙曾經只有一個葡萄柚那麼小,但他們真正的意思是,宇宙中那個我們現在所能看得到的部份,也就是我們的可見宇宙,曾經只有葡萄柚般的大小。

住在仙女座星系或更遠處的觀測者,也有他們各自的可見宇宙,和我們的有所重疊,卻不太一樣。仙女座星系的居民可以看得到我們看不見的星系,不過這只是因為他們離那些星系比我們稍微近一點所佔的便宜,反之亦然。而他們的可見宇宙也曾經只有葡萄柚般的大小。因此,我們可以把早期宇宙想成是水果攤上一堆往各個方向無窮延伸的葡萄柚。而大霹靂很「小」這個觀念也是會引起誤會的。整個空間其實可以是無限大的。把一個無限大的空間縮小任意倍,它還是無限大的。

後退得比光速還快

另一類誤解牽涉到對於膨脹的定量敘述。1929年,美國天文學家哈伯(Edwin Hubble)發現,星系間距離的增加率,遵守一個特殊的形式:星系遠離我們的速度(v),和它與我們的距離(d)成正比,即v=Hd。其中的比例常數H,就是所謂的哈伯常數,它可以把空間向外延伸的快慢予以量化,不只針對我們周遭,也適用於宇宙中所有觀測者的周圍。

有的人對於某些星系不遵守哈伯定律這件事感到困惑。事實上,最鄰近我們的大型星系──仙女座星系,就是朝著我們移動,而非遠離。會有這樣的例外,乃是因為哈伯定律所描述的只是星系的平均行為。星系在成群的整體運動外,也可以有適度的局部運動,並受彼此間的重力牽引──銀河系和仙女座星系之間就是如此。遙遠的星系也會有微小的局部運動,不過從我們的觀點來看(距離很遠,d的值很大),這些散亂的局部速度在與極大的遠離速度(v)相較之下,顯得極不明顯。因此對於那些星系來說,哈伯定律是相當準確的。

請注意,根據哈伯定律,宇宙並不是以單一的速度膨脹。有的星系以每秒1000公里的速度遠離我們,有些(距離兩倍遠的那些)則是每秒2000公里,以此類推。事實上哈伯定律預測,在某個距離以外的星系,後退的速度會比光速快,這個距離叫做哈伯距離。由量測到的哈伯常數值來推斷,這個距離大約是140億光年遠。

這個「星系比光速快」的預言,不就表示哈伯定律是錯的嗎?愛因斯坦的狹義相對論不是說沒有任何物體的速度可以超過光速嗎?這個問題困惑了一代代的莘莘學子。正確的解答是,狹義相對論只適用於「正常」定義下的速度──也就是在空間中穿梭的運動。而哈伯定律中所謂的速度,是由空間膨脹所導致的遠離速度,並不是在空間中的運動。那是一種廣義相對論效應,並不受狹義相對論的極限所限制。具有比光速快的遠離速度,並沒有違反狹義相對論。沒有任何東西能跑得比光速快這件事,還是對的。

拉長與冷卻

對於宇宙膨脹的首次觀測,是在1910~30年間。就如同在實驗室中所測量到的,原子會放出或吸收特定波長的光。從遙遠星系傳來的光,其光譜也會呈現出相同的圖樣,只不過這些圖樣會往較長的波長偏移。於是天文學家就說星系的光「紅移」了。對此的解釋很簡單:當空間膨脹時,光波隨著被拉長了。如果在光波旅行的過程中,宇宙的大小膨脹了兩倍,光波的波長就會變成兩倍,能量則減為二分之一。

這種過程可以用溫度來描述。由一個物體所發出的光子,集體而言會具有一個溫度──由能量的分佈可以反映出該物體有多熱。當這些光子經過膨脹中的空間,它們會損失能量,溫度便隨之降低。經由這種方式,宇宙便會隨著膨脹而冷卻,就像氧氣筒裡的壓縮空氣,在釋放出來時會因為膨脹而冷卻一樣。舉例來說,目前微波背景輻射大約是絕對溫度3K,而釋放出這些輻射的過程卻發生在3000K左右。從發出這些輻射的時間到現在,宇宙的大小已經增加為1000倍,因此光子的溫度也就下降了那麼多倍。經由觀測遙遠星系中的氣體,天文學家也已經直接測量到發自遠古時期的輻射溫度。這些測量結果,確認了宇宙的確已隨時間的流逝而冷卻。

關於紅移與速度之間的關係,也有不少誤解。膨脹所造成的紅移,常會和我們比較熟悉的都卜勒效應所產生的紅移搞混。如果音源正在遠離,平常的都卜勒效應會導致聲波的波長變長──比如說,遠離中救護車的警笛聲,就是個很好的例子。同樣的原理也可以描述光波,假如光源穿越空間而遠離我們,光波也會變長。

來自遠方星系的光,所發生的事情雖然很像,卻不一樣。宇宙學的紅移並不是平常的都卜勒偏移。天文學家常常把它推給都卜勒效應,這已對他們的學生造成嚴重的傷害。都卜勒紅移和宇宙學紅移是由兩個截然不同的準則所支配。前者是由狹義相對論而來,並沒有考慮空間的膨脹,而後者則是來自廣義相對論,已經把空間的膨脹考慮在內。對鄰近的星系來說,兩個方程式給出的結果幾乎是一樣的,可是對於遙遠星系就大不相同了。

根據一般的都卜勒方程式,穿越空間的物體在速度趨近光速時,紅移會趨近無限大,導致它們的波長過長而觀測不到。如果這對於星系也是正確的,那麼天空中可見的最遙遠物體,就會是那些遠離速度僅僅略小於光速的天體。可是,宇宙學紅移的方程式卻導出了不同的結論。在目前的宇宙學標準模型中,紅移在1.5左右的星系(即所發出的光,波長比實驗室參考值長150%),其遠離速度等於光速。可是天文學家早已觀測到約1000個紅移大於1.5的星系。換句話說,他們已經觀測到約1000個,遠離我們的速度比光速還快的物體。而相對地,我們遠離那些星系的速度也比光速還快。宇宙微波背景輻射走過的距離則更遠,它的紅移大約是1000。當早期宇宙的熱電漿發出我們現在所看到的輻射時,它正以大約50倍光速遠離我們的這個位置。

為保持原地而飛奔

可以看見超過光速的星系,聽起來很神秘,但只要膨脹速率會改變,這就有可能。想像一道比哈伯距離(140億光年)還遠的光束,正試圖朝向我們行進。它相對於其周遭的空間,以光速向我們移動,而其周遭空間卻以比光還快的速度遠離我們。雖然那道光束盡全力以最大速度行進,還是趕不上空間伸展的速度。這有點像是在移動的電扶梯上,試著往相反方向跑的小孩一樣。在哈伯距離的光子,就好比是紅心皇后和愛麗絲,她們全力奔跑,只是為了能夠保持在原地。

所以人們也許會斷言,在哈伯距離以外的光,絕對到不了我們這裡,因此便永遠偵測不到它們的來源。不過,哈伯距離並不是固定的,因為其所依賴的哈伯「常數」,其實會隨時間而改變。說得更明白一點,哈伯常數等於將兩個星系間距離的增加率,除以這兩個星系之間的距離(任兩個星系都可以拿來計算)。在符合觀測資料的宇宙模型中,哈伯常數的分母增加得比分子還快,因此哈伯常數會變小,而哈伯距離也就越來越大。隨著哈伯距離變大,本來剛好就在哈伯距離外、遠離我們的光,便會逐漸進入哈伯距離的範圍內。然後那些光子會發現,它們身在一個遠離速度比光速慢的空間中。於是它們便能接近我們。

即使如此,發出這些光子的星系,還是能夠繼續以超光速向後退。因此,我們可以觀測到那些一向、且將永遠以超光速向後退的星系。換另一種方式來說,哈伯距離不是固定的,也並不代表可見宇宙的邊緣。

那麼,什麼是可見宇宙的邊緣呢?這也是常造成混淆的地方。如果空間沒有膨脹,那麼我們可看到的最遠物體,會是現在距離我們140億光年左右的東西,這是在大霹靂後的這140億年中,光線所能行進的距離。不過由於宇宙在膨脹,光子之前所曾走過的空間,在其經過之後已在它背後膨脹。結果,我們可看到的最遠物體,目前和我們的距離約比前述距離的三倍還來得遠,也就是460億光年。

最近發現了宇宙正在加速膨脹的現象,讓事情又更有趣了。之前,宇宙學家以為我們生活在一個減速膨脹的宇宙,會有越來越多的星系進入我們的視野之中。然而,在一個加速膨脹的宇宙中,我們會由一道邊界所包圍,在它之外所發生的事件,我們永遠都看不到──這就是宇宙事件視界(cosmic event horizon)。假如要讓一道後退得比光還快的星系所發出的一道光,能夠到得了我們這裡,哈伯距離就得增加,可是在加速的宇宙中,哈伯距離會停止增加。遠方發生的事件也許會朝我們的方向發出光束,不過這道光會因為宇宙的加速膨脹,而被困在哈伯距離之外。

於是,一個加速膨脹中的宇宙,就像一個黑洞般具有事件視界,在此邊界之外的事物我們都看不到。目前宇宙的事件視界距離我們約160億光年,完全在我們觀測能力的範圍之內。此刻已在宇宙事件視界之外的星系所發出來的光,將永遠無法到達我們這裡;現在相當於160億光年的距離處,會膨脹得太快。在星系穿越出事件視界前的瞬間,我們還可以看到那些發生在其中的事件,不過接下來發生的事件,就永遠在我們的視線之外了。



布魯克林也在膨脹嗎?

在電影「安妮霍爾」(Annie Hall)中,年輕的伍迪艾倫所飾演的主角,向他的醫師與母親解釋他為什麼沒有辦法做功課,他說:「宇宙正在膨脹……宇宙就是一切的事物,所以要是它在膨脹,總有一天它會裂開,那就會是一切的終點!」不過這位母親知道的更多:「你現在是在布魯克林。布魯克林可沒在膨脹!」

他的母親是對的,布魯克林沒在膨脹。人們經常假設,隨著空間的膨脹,空間中所有事物也都會膨脹。不過這是錯的。膨脹本身,也就是既不加速也不減速的膨脹,並不會產生力量。光子的波長會隨著宇宙一起擴張,是因為光子並不像原子和城市那些凝聚著的物體,是由許多作用力的協調而決定大小。膨脹率的變化確實在這許多作用力中加入一個新力量,可是就算是有這種新的力量,也不會讓物體膨脹或收縮。

比方說,如果地球的重力增強,你的脊椎將會受到擠壓,直到你脊椎骨裡的電子達到一種稍微緊密些的平衡狀態為止。你會變得矮一些,不過你不會一直縮小下去。同樣的道理,假如我們生活在一個由相互吸引的重力所主宰的宇宙中,就如同大部份宇宙學家直到幾年前還有的舊想法一樣,宇宙的膨脹就會減速,和緩地壓縮宇宙中的物體,使它們達到一種比原來略小的平衡尺寸。達到這個地步,它們就不會繼續縮小了。

事實上,我們的宇宙正在加速膨脹,這會在物體上施加一股輕微向外的力。結果,緊密結合的物體,會比處在非加速宇宙中時還要稍微大一點,因為眾多的作用力要在稍微大一些的尺度之下,才能夠達成平衡。在地球表面,這種從地心朝外的加速度,與一般正常的向心重力加速度比起來,遠遠小得多(約為1030分之一)。假如這種加速度的大小是固定的,那麼它並不會使地球膨脹;而是會讓地球穩定於一個固定的平衡尺寸,比原來應有的尺寸要稍微大了一些。



但是,如果加速度不是常數,這項推論就要有所改變了。有些宇宙學家推測,如果加速度不斷增加,到最後它的強度可能會強大到足以把所有的結構都撕裂,而導致「大解體」(big rip)。不過這種解體的發生,並不是由於宇宙膨脹,或是膨脹的加速本身,而是來自膨脹加速度的逐漸增加。

大霹靂模型奠基於諸多的觀測結果,如宇宙的膨脹、宇宙微波背景輻射、宇宙中的化學成份,以及物質聚集的情形等。和所有的科學觀念一樣,有一天這個模型也可能會給取代。不過和我們現有的所有其他模型相比,它還是最符合目前數據的一個。日新月異的精密量測技術,讓宇宙學家對宇宙膨脹與其加速更為了解,現在他們甚至能夠追問有關宇宙的最早時期與最大尺度這類更基本的問題。是什麼導致宇宙膨脹的?

許多宇宙學家把它歸因於一種叫做宇宙暴脹(inflation)的過程,這是加速膨脹的一種類型。不過,那只是部份的答案而已,因為要啟動暴脹之前,宇宙似乎應該已經處於膨脹的狀態才對。而在我們能夠看得到的範圍之外,最大的尺度又是什麼?宇宙中不同的區域會以不同的速度膨脹嗎?我們的宇宙只不過是一個大得多的多重宇宙裡的一個暴脹泡泡而已嗎?沒有人知道。儘管還有許多的問題尚待解決,越來越多準確的觀測結果指出,宇宙將會永遠膨脹下去。而我們只希望,對於宇宙膨脹的困惑,可以縮得越來越小。