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宇宙的盡頭

‧科學人 2008/04/14

10年前天文學家震驚地發現宇宙正加速膨脹中。他們至今仍深入探討著這項發現的意涵。

【文╱克勞斯、薛瑞；翻譯╱李沃龍】 重點提要 ■10年前天文學家震驚地發現宇宙正加速膨脹中。他們至今仍深入探討著這項發現的意涵。 ■不斷加速的膨脹終將導致星系以比光還快的速度彼此遠離，消逝在我們的視線範圍外。此過程會毀滅我們賴以測量宇宙膨脹的參考點，徹底稀釋大霹靂所留下的特殊產物，使得宇宙看起來空無一物。簡言之，所有宇宙起源的遺跡都會被摧毀，好像從未發生過大霹靂似的。 ■對我們遙遠的後代子孫而言，宇宙看起來像是個只散佈著少許稀落恆星，並且一成不變、永無止境的空洞。 ■有哪些知識已經被宇宙給抹滅了呢？ (照片提供╱科學人) 100年前Scientific American刊載的一篇關於宇宙大尺度結構的文章，很可能是完全錯誤的。1908年時，科學家認為我們的星系構成了整個宇宙，稱之為「島宇宙」，意思是我們的星團被孤立在無窮無盡的空洞裡。我們現在知道銀河系只是可觀測的宇宙所包含至少4000億個星系中的一員罷了。1908年，科學上的共識認為宇宙是靜態永恆的，根本沒有人知道宇宙竟會起源於一團霹靂火球，也不曉得元素合成於大霹靂的最初時刻與恆星的內部核心，而空間的膨脹與物質可能導致空間彎曲，更是想都沒想過的事情。由於偵測到宇宙誕生並冷卻後殘留的鬼魅影像，才證實了空間中充滿輻射，而探究這些輻射所必須仰賴的科技，也是為了讓人打電話回家才發展出來。 在過去一世紀的各學識領域中，很難找到變動比宇宙學還劇烈的，這些變動也確實改變了我們的世界觀。但未來的科學是否總能在累積更多的觀察基礎後，獲得更精確的認知呢？我們最近的研究結論認為，從宇宙的時間尺度上來說，答案是否定的。我們可能生存在宇宙極長遠的歷史中，唯一可以精確理解宇宙本質的年代。 大約10年前的一個戲劇性發現，開啟了我們的研究動機。兩群美國天文學家追蹤過去50億年間宇宙膨脹的情形，都發現宇宙似乎正在加速膨脹。一般認為真空中的某種新型態「暗能量」是這種宇宙反重力現象的源頭。包括本文作者克勞斯在內的某些理論學家，根據間接測量的數據，早已預測到這個結果，但在物理學中，只有直接的觀測才算數。加速的宇宙代表著，真空能量幾乎是我們今日所觀測到一切星系、星系團與超星系團等宇宙結構所含能量的三倍。相當諷刺的是，愛因斯坦為使宇宙保持靜止狀態而首先提出這種型態的能量，他把那稱為宇宙常數。 暗能量對於宇宙的未來，具有極大的衝擊。克勞斯和美國凱斯西儲大學的宇宙學家史達克曼（Glenn Starkman）一起研究了在一個具有宇宙常數的宇宙中，生命的可能命運，他們得到的結論是：情況不妙，這樣的宇宙對生命而言是個非常不友善的環境。宇宙常數會造成一個固定大小的「事件視界」。那是個假想的曲面，一旦距離超過這個界限，不論物質或輻射都無法抵達我們所在的位置。這種宇宙就像是個內外翻轉的黑洞，物質與輻射被困在視界之外，而非視界之內。這項發現意味著可觀測的宇宙只包含有限的資訊，因此無法永遠不間斷地處理資訊（與生命）。 但遠在這個資訊極限真正成為問題之前，膨脹宇宙中的所有物質早已被驅趕到事件視界之外了。這個過程已被當時同在美國哈佛大學的羅布（Abraham Loeb）與長峰謙太郎研究過了，他們發現所謂的本地星系群（包含了銀河系、仙女座星系與一堆相互環繞的矮星系）將會崩塌成一個巨大無比的超級星團，而所有其他的星系則將越過事件視界，完全消失無蹤。這個過程大概得花上1000億年之久，看來似乎很長，但對杳無人煙的終極荒漠而言，其實蠻短暫的。 宇宙學的基石崩塌 在極遙遠的未來，居住於此超級星團中的天文學家將如何描述宇宙的歷史呢？要能夠好好地思考這個問題，必須先回顧一下我們目前對宇宙的理解是建立在哪些基礎之上。 首先是愛因斯坦的廣義相對論。牛頓的萬有引力理論做為大部份天文學的基礎，已有將近300年的歷史，它非常適用於預測從地球到星系尺度範圍內的天體運動，但對無限大量的物質卻完全無能為力。廣義相對論克服了這個限制。在愛因斯坦於1916年發表他的理論後不久，荷蘭物理學家德西特（William de Sitter）研究一個包含了宇宙常數的簡單宇宙，並得出該模型廣義相對論方程式的解，重現了當時對於宇宙的主流觀點：一個鑲嵌於廣闊的空無與靜態空洞中的島星系。 宇宙學家很快就理解到德西特宣稱的靜態宇宙是個錯誤的解讀。事實上，德西特的宇宙會永不停歇地膨脹，如同比利時物理學家勒梅特（Georges Lema褾re）稍後的清楚解釋，愛因斯坦方程式所預測的無限、均勻且靜態的宇宙，根本不可能存在；宇宙一定會膨脹，或者收縮。後來的大霹靂理論，就是衍生自這個解釋。 現代宇宙學的第二個基礎，來自於天文學家在1920年代觀測到的宇宙膨脹。第一位提供宇宙膨脹觀測證據的人是美國天文學家斯里佛（Vesto Slipher），他利用恆星光譜來測量鄰近星系的速度。當恆星朝向地球運動時，光波波長會遭到壓縮而縮短，使得光色偏藍。當發光體遠離地球時，光波長則會被拉扯變長，使光色看起來偏紅。透過測量遙遠星系發出的光波是被拉長或壓短，斯里佛可以得知那些星系遠離或接近我們的速度。（當時天文學家尚不確定那些我們稱為「星系」的模糊發光區域，究竟是一些獨立的恆星聚在一起，或只是位在我們星系內的雲氣而已。）斯里佛發現大部份星系都離我們而去，我們似乎就坐在膨脹區域的中心。 真正被視為宇宙膨脹發現者的並非斯里佛，而是美國天文學家哈伯（你什麼時候聽過斯里佛太空望遠鏡的大名呢？）。哈伯不僅測定了鄰近星系的速度，也量得它們的距離。從他的測量數據推演出來的兩項結論，使他留名青史。首先，哈伯證明了那些星系離我們非常遠，所以它們其實如銀河系一般是獨立恆星的聚集。其次，他發現星系遠離我們的速度直接正比於它與我們的距離；離我們兩倍遠的星系之速度，是離我們一倍遠的星系速度的兩倍，這正是宇宙膨脹呈現出來的效應。自那時起，哈伯的測量便不斷被重新修訂。最近的一次是透過觀測遙遠的超新星的方式，該項觀測讓我們發現暗能量。 第三個基礎是微弱發光的宇宙微波背景輻射，那是1965年貝爾實驗室的潘琪亞斯（Arno Penzias）與威爾遜（Robert Wilson）在追溯無線電波雜訊原因時，無意間發現的。這種輻射很快地被確認是宇宙膨脹的早期階段所遺留下來的，它代表宇宙剛開始是處於高熱緻密的狀態，然後因膨脹而冷卻、變得稀薄。 最後一個大霹靂的觀測基礎是，高熱緻密的早期宇宙是發生核融合的理想處所。當宇宙的溫度到達絕對溫度10億至100億K時，較輕的原子核會融合成較重的原子核，此過程稱為大霹靂核合成作用。由於宇宙因膨脹而冷卻，這個過程只會發生在最初的數分鐘內，所以核融合只能產生最輕的幾種元素。宇宙中大多數的氦是在那時產生的，氘與重氫也是。目前測得的氦與氘之豐度，符合大霹靂核合成作用的預期，成為大霹靂理論的佐證，也讓我們能夠精確地量測宇宙間質子與中子的豐度。 【完整內容，請參閱科學人2008年第74期4月號】