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在大霹靂的前一刻,發生了什麼事?──福爾蕭與考克斯的宇宙導覽(四)

左起作者福爾蕭與布萊恩。  圖/由《BBC 知識》國際中文版提供。

  • 作者
    傑夫‧福爾蕭(Jeff Forshaw)|英國曼徹斯特大學粒子物理學教授
    布萊恩‧考克斯(Brian Cox) |英國曼徹斯特大學粒子物理學教授兼英國皇家學會公眾參與科學教授。
  • 譯者
    戴凡惟|英國德倫大學理論物理學博士,現為科技大學助理教授。

 

我們可以藉由數學,回到大霹靂發生前一刻,也就是時間、空間與萬物的開端。
究竟當時比一顆質子的十億分之一還小的空間,日後如何演變成現今我們所見的宇宙?

圖/由《BBC 知識》國際中文版提供。

整個科學領域中最大膽的構想或許是:我們能從大約 140 億年前開始追蹤宇宙演化的進展,那時,現今所見的一切都被壓縮在一個遠小於質子的空間中。這是個驚人的結論;在本系列的最終章,我們將逐一檢視宇宙誕生的精采環節。

宇宙大得令人難以想像,讓我們先來看看宇宙地圖:

數位巡天繪製的宇宙地圖。每個亮點代表一個星系,紅色區域代表星系密度較高。銀河系位於正中央,紅移值為星系的距離。(最遠的星系約位於 20 億光年外) 圖/由《BBC 知識》國際中文版提供。

地圖上每個小亮點代表一個星系,一般來說,每個星系由數億顆恆星構成。我們的太陽就是銀河系中的恆星之一。仙女座星系距離我們 250 萬光年,是最近的星系。

這張星系地圖是由史隆數位巡天(The Sloan Digital Sky Survey, SDSS)的天文學家所繪製,大約涵蓋天空的三分之一,只占了宇宙萬物的一小部分而已。它除了規模大得驚人之外,還有一個值得注意的特徵:星系具有絲狀、團狀與空洞結構,呈網狀分布。如果有辦法解釋這種網狀分布的由來,豈不是大功一件?這個問題不妨暫且打住,因為我們等等就會知道,現代宇宙學中有個精彩絕倫的理論,可以解釋宇宙的可見結構。

不斷演進的宇宙

圖/由《BBC 知識》國際中文版提供。

宇宙並非一直是現在的模樣。將近 140 億年前發生了「大霹靂」(詳見「關鍵概念」),各種基本粒子在這時創生了,後來才匯聚成恆星與星系。好消息是宇宙在大霹靂時相當單純(現今的宇宙反而複雜難解),意謂宇宙學家可以算出萬物是怎麼演進的。

  • 關鍵概念:
    我們的宇宙是一塊持續膨脹的水果蛋糕。大霹靂就像是烘焙一塊水果蛋糕,當蛋糕膨脹變大,上面的水果乾會彼此逐漸分開。宇宙即是如此:空間擴張,星系彼此逐漸遠離。空間具有延展性並且可以膨脹變大,聽起來是個奇怪的概念。不過這是愛因斯坦狹義與廣義相對論的必然結果,我們在本系列文章中已探討過。大霹靂就像蛋糕剛放進烤箱,水果乾還很靠近彼此的時候。目前蛋糕繼續烘烤,我們的宇宙竟然加速擴張了。有個對大霹靂誤解是,萬物以空間某一點為中心,向外膨脹。這是不對的;大霹靂時的宇宙,確實有可能很大、密度極高,粒子之間很靠近;就像一塊剛放進烤箱的超大麵糰,上面點綴緊密的水果乾。

大霹靂之初,宇宙內充滿熾熱且幾乎均勻一致的基本粒子雲氣。「幾乎」這個詞至關重要,因為粒子雲中的粒子密度並非完全均一,而是某些區域的密度略高。宇宙學家如果知道這種密度變化的樣態,就有辦法算出雲氣的演變。

這團雲氣一開始邊降溫邊擴張,然而重力逐漸促使密度較高的區域吸引更多物質,導致該區密度越來越高。數億年後,某些氫氣雲的密度高到足以引發核融合反應,開始發光發熱;這些就是最早的恆星。宇宙學家能夠計算宇宙中的物質如何從一團緻密且熾熱的雲氣開始演變,直到形成星系為止;當中的關鍵參數就是初始雲氣密度分布的型態。然而要得知這些初始條件,就得先了解大霹靂的成因。

背景雜訊

過去 15 年來,宇宙學家越來越相信,「宇宙暴漲」理論可以解釋大霹靂的起源,並預測大霹靂時,空間的密度變化。也就是說,我們能以此計算出現今觀察到的宇宙星系分布型態。

如果這還不夠扣人心弦,宇宙暴漲理論還有個更驚人的證據:它能預測「宇宙微波背景」(cosmic microwave background, CMB)的具體細節。CMB基本上是大霹靂冷卻後的微弱餘暉,提供我們一幅宇宙誕生數十萬年之後的影像。

CMB 是大霹靂 38 萬年後發出,一路暢行無阻、穿越宇宙時空而來的光。在上述的時間點,光突然不再與雲氣中的粒子交互作用,開始筆直路徑,幾乎不再散射偏折;現在我們接收到的這些光是以微波形式存在(其實最初是紅外線,但在穿越宇宙過程中,由於宇宙擴張,波長逐漸被拉長,而變成微波)。宇宙學家透過測量 CMB,繪製出當時的雲氣密度分布圖;這些雲氣在宇宙誕生後旋即存在,並且不斷冷卻(如下圖,呈現地球現今接收到的微波型態)。

由普朗克衛星觀測,現今從四面八方抵達地球的微波。顏色代表微波溫度,變化幅度約為萬分之一度。這些微小的溫度變化直接反應出大霹靂 38 萬年後的雲氣密度差異。 圖/由《BBC 知識》國際中文版提供。

我們可以比較實際觀測與理論計算。倘若宇宙在大霹靂開始時,就以暴漲理論所預測的密度變化分布,那麼計算結果將和我們觀測到的 CMB 完全相同。這是支持宇宙暴漲理論的重要證據,不過究竟什麼是宇宙暴漲?

宇宙糖漿

宇宙暴漲理論於 1980 年代早期首度問世,起初並不是為了解決星系分布或CMB相關的問題。相反地,它的初始構想是,空無一物的空間有可能充滿一種看不見的「純量場」(scalar field),可以看作一種「宇宙糖漿」。這種「場」布滿整個空間,彷彿一片寧靜的海洋,「場」當中的漣漪就是粒子。粒子物理學家很熟悉這種構想,因為「希格斯場」就是一例,對應的粒子是希格斯玻色子(我們在〈宇宙導覽(三)〉討論過)。

如果沒有希格斯場,基本粒子就沒有質量,皆以光速前進,不會形成原子;然而大型強子對撞機(LHC)已偵測到希格斯玻色子。希格斯場的存在也意謂,「空的空間」應該帶有某種能量,這或許就是「暗能量」的根源;暗能量會導致宇宙擴張加速。我們目前的難題是,粒子物理理論所預測的宇宙加速擴張遠比天文學家觀測到的還快。而現今的暗能量強度遠較預期中來得少,是粒子物理學最大的謎團之一。儘管如此,自然界可能還有其他類似的場,使得宇宙學家認為,宇宙很可能有過一段急遽擴張期。神奇的是,這個構想不但合理,還能解答大霹靂的起因。

新的開端

暴漲理論的基本構想是,空無一物的空間曾經充斥「暴漲子場」(inflaton field),其蘊含的能量導致空間急遽擴張,速度很可能快到讓萬物急速遠離彼此,因此宇宙轉眼間變得又冷又空洞。由於暴漲子的能量持續流失,急遽擴張時期一段時間後就結束了,留下充滿冷卻暴漲子雲氣的宇宙。這些暴漲子進一步衰變成其他較穩定的粒子,較重的冷暴漲子雲氣變成較輕粒子組成的熾熱雲氣,而產生大霹靂。

圖/由《BBC 知識》國際中文版提供。

宇宙學家最初會受宇宙暴漲的構想所吸引,是因為它(在急遽擴張的早期階段)能產生巨大的宇宙。然而他們很快就了解到,這個理論不止於此:它還預測了大霹靂時的密度分布型態。換句話說,它提供了當時物質如何分布的詳盡指引,而且與現今觀測到的星系及宇宙微波背景分布完全吻合(如前文所述)。對量子物理而言無可避免的結果,使暴漲理論獲得驚人成功。我們可以藉由數學回到大霹靂發生前一刻:當時比質子的十億分之一還小的空間,日後卻擴張成整個可見宇宙。雖然極度難以想像,但絲毫不妨礙我們計算當時發生的一切。

關鍵在於,暴漲子場並不是一片完美的寧靜海洋;它裡頭有些漣漪。這些漣漪來自於海森堡(Heisenberg)的測不準原理,這是量子物理的核心原理之一(詳見 〈宇宙導覽(二)〉)。測不準原理指出,沒有任何物體是完全靜止的;即便是空無一物的空間,也充斥著憑空冒出又隨即消失的粒子(當今的粒子物理實驗可偵測到這種粒子)。因此,暴漲子場必然也有這種漣漪,這些漣漪在大霹靂發生時,會轉變成對應物質密度的漣漪。觀察天空便能體會這項卓越的科學現象,這是多麼美妙的一件事;我們非常幸運生於此時此刻,能破解其中蘊藏的奧祕。

有了宇宙暴漲,我們就能解釋大霹靂的由來,對於宇宙可見區域的未來也有了新的探究依據。劇情說不定是這樣發展的:宇宙暴漲持續一段非常長的時間(或許是無窮久),直至某個區域停止,這個區域後來發展成我們現今看到的宇宙。在這種情況下,大霹靂就不是開端了,而是整個宇宙史上的某一刻而已。

由於現今的宇宙空間正在輕微加速擴張,宇宙在遙遠的未來,將不會有終點。它會持續擴張下去,星系越來越稀疏, 溫度越來越低。1,000億年後,銀河系將坐落在唯一的超星系團裡,其他高速遠離的星系發出的光,將永遠到不了地球;屆時將沒有遙遠星系可供天文學家觀測。相較之下,我們所看到的宇宙有趣多了。我們何其榮幸,誕生在能夠探索諸多宇宙奧祕的時代。

我們可能住在一個緩緩膨脹的泡泡裡,這個泡泡嵌在一個更大且仍在高速擴張(亦即暴漲)的空間中。 圖/由《BBC 知識》國際中文版提供。

暴漲理論還有個不可思議的新發展。剛才提到宇宙在大霹靂之前或許就已永久暴漲;而大霹靂時,也有可能不是宇宙各處的暴漲都已然停止。我們很可能住在一個緩慢擴張的「泡泡」裡,這個泡泡懸浮在一個更大的、依舊處於暴漲狀態的空間中。或許我們的宇宙之外,還有其他像我們這樣的泡泡宇宙,以無法想像的高速離我們而去。有些理論物理認為,每個泡泡宇宙中的物理定律都不一樣。換句話說,自然定律的每種變體,都會在廣大無垠的多重宇宙中的某處上演。這是個值得深思的議題。

小百科

  • 大霹靂:發生於將近 140 億年前,這時的宇宙充滿了緻密且熾熱的基本粒子雲氣。
  • 宇宙微波背景:大霹靂 38 萬年後發出,以直線穿越廣大宇宙空間的光子。
  • 宇宙暴漲:大霹靂前,宇宙空間急遽擴張的時期。
  • 可見宇宙:我們所見的一切恆星與星系所在的宇宙區域。宇宙比這個區域還大很多,但因為來自最遙遠星體的光還沒有到達,所以看不到全貌。
  • 泡泡宇宙:在多重宇宙中,暴漲已經停止並產生大霹靂的區域。我們的可見宇宙或許就是這樣的一個區域。
  • 多重宇宙:在某些暴漲理論中,整個宇宙稱為「多重宇宙」,其中包含為數極多的泡泡宇宙。泡泡宇宙之間隔著巨大且高速擴張的空間。

Find out more:

  1. 更多關於量子世界怪異的運作方式,可參考福爾蕭與考克斯合著的《量子宇宙》(The Quantum Universe: Everything That CanHappen Does Happen)。
  2. 福爾蕭與考克斯的最新著作為《宇宙導覽》(Universal: A Guide to the Cosmos)。
  3. 收聽考克斯的BBC廣播節目《無限大的猴子籠》:bbc.in/monkey_cage

本文摘自《BBC知識國際中文版》第 76 期(2017 年 12 月號)

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