「大霹靂」一詞的由來 │ 科學史上的今天：3/28

重力波不只能提供星體的資訊！

說到重力波，一般人可能會想到黑洞、中子星、超新星這三個引發話題的星體。不過，只有在這些星體事件發生的「瞬間」，才會產生重力波，就像宇宙中的一場秀一樣。而當重力波通過後，就無法再偵測到這些資訊。

• 延伸閱讀：重力波很難懂？簡單明瞭的重力波捕獲現場——科學超抖宅報

譬如，LIGO 在 2015 年 9 月捕捉到的就是「來自 13 億光年外星體的重力波」。不過，和宇宙年齡相比，這其實是相對較年輕的星體事件。

我們有沒有辦法捕捉到很久很久以前，宇宙剛誕生時產生的重力波，也就是暴脹時期產生的重力波呢？

為什麼宇宙正在急速膨脹？

138 億年前，宇宙在超高溫、超高壓下，以「火球」的樣貌誕生，這就是所謂的「大霹靂」。在這之後，隨著宇宙的急速膨脹，溫度與密度逐漸下降，然後演變現在的樣貌。

這就是大霹靂宇宙論，也是目前多數學者支持的標準宇宙論。

那麼，為什麼會產生「火球宇宙」這個超高溫、超高壓的世界呢？為什麼宇宙不是一直保持原樣（不是保持相同大小），而是會急速膨脹呢？目前有一個較被接受的說法，那就是前面提過許多次的「暴脹理論」^註。

在這個理論中，宇宙初期並沒有任何物質或光，而是一個充滿能量的真空。透過這些真空能量，宇宙用比光速還快的速度，呈指數函數膨脹。

而在暴脹時期結束後，這些真空能量轉變成了光（火球），於是產生了超高溫、超高壓的宇宙，這就是所謂的大霹靂。

不過，如果空間中存在許多能量的話，應該會存在像重力這樣使空間收縮的力才對。為什麼空間會以超越光速的速度迅速膨脹，進入暴脹時期呢？

學者們用「暴脹子場」這種量子場中的真空能量，說明暴脹時期。

暴脹子場是個未證實存在的純量場。就目前而言，它的存在仍處於假說階段。

目前已知的純量場，譬如 2012 年時，由瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織 CERN 在 LHC 實驗中發現並發表，由希格斯玻色子產生的希格斯場。研究者們也因此而獲得 2013 年諾貝爾物理學獎，各位應該還記憶猶新。

137億歲的宇宙，至今仍然不斷膨脹

暴脹子場與希格斯場在質量與粒子的結合力上，都有著很大的差異。暴脹子場的真空中，會產生長時間的負壓。而這個負壓會造成宇宙加速膨脹。

這點與目前的暗能量機制十分類似。有人猜想暗能量可能是未發現的純量場。與暴脹時期相同，目前的宇宙中可能存在著未知純量場的真空能量，就像暗能量般，佔了全宇宙能量的 70％。

• 延伸閱讀：宇宙學的最大謎團！暗物質、暗能量組成超過90%的世界，卻仍無法探知他的真面目──《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》

宇宙中佔了 30％ 能量之物質，與佔了 0.1％ 的光會產生引力，但比不過真空能量所產生的斥力，所以目前宇宙正在加速膨脹。

順帶一提，即使物質與光的能量佔宇宙的 100％，宇宙也只是減速膨脹而已，並不會收縮回去。因為膨脹初期的速度過快，所以宇宙只會持續膨脹下去。

宇宙誕生的第一步——「原始重力波」

暴脹時期結束後，空間能量會迅速轉變成物質能量，使宇宙轉變成超高溫、超高壓、充滿輻射的狀態。這就是大霹靂「火球」。暴脹理論說明了幾點。

首先是前面提到的「膨脹速度超越光速的宇宙」。

這造成了我們現在看到的（宇宙視界內的）宇宙溫度擁有各向同性，在 10 萬分之 1 的精度下，為絕對溫度 2.723K（約 3K 的宇宙微波背景輻射（CMB））。

第二，這個急速膨脹，使宇宙的形狀在幾何學上變得相當平坦，就像膨脹的氣球一樣。

再者，暴脹子場的量子擾動，是宇宙初期物質擾動的來源，也就是3K宇宙微波背景輻射所觀測到的溫度擾動。暴脹子場也含有量子的擾動。這些小小的擾動在短時間內暴脹過程中，急速膨脹，延伸至宇宙視界的彼端，造成現今宇宙中不同區域的密度差異，這也是形成星系的種子。

CMB 觀測到的「溫度擾動」，正是暴脹時期產生之暴脹子場的量子擾動。

另外，在重力波方面，暴脹時期不僅會產生前述密度（溫度）的擾動，也會產生「時空擾動」。急速膨脹的過程中，真空會一直變化，成對產生重力子，這與黑洞周圍產生霍金幅射的機制類似。

學者們認為這種重力波現今仍存在，稱其為「原始重力波」。因為整個宇宙都存在這種重力波，所以也叫做背景重力波。若能檢出這種背景重力波，不只能成為暴脹理論的證據，也會是宇宙起源相關研究的一大步。

原始重力波就像是背景雜訊一樣，在宇宙四處飄蕩

黑洞雙星的合併會產生重力波，不過當重力波通過地球，被 LIGO 觀測到時，該事件便已結束。不只是黑洞，中子星雙星的合併、超新星爆發也一樣。

不過，暴脹時期產生的重力波並非如此。當時整個宇宙充滿了重力波。不過這種重力波就像白噪音般的存在，很難分析這種波的狀態，所以也叫做背景重力波。若依波的種類來分，可以將其算在駐波。如何找到這種駐波，是我們現在的課題。

與光波不同，重力波的偏振方式可以分成十字形（＋）與交叉形（×）2 種，如下圖所示。十字形的偏振會往縱向與橫向伸縮、交叉形偏振則會往斜向伸縮，如其名所示。這兩種波疊合後，會變成圖中右方的樣子，往外傳播。

隨著時間的經過，來自黑洞的重力波會持續前進；但暴脹時期產生的重力波為「背景重力波」，是一種駐波，就像噪音一樣充滿在整個宇宙中。如果能發現這種波，就能證明暴脹理論。

宇宙之窗：暴脹子場是什麼？

暴脹時期產生的「暴脹子場」究竟是什麼樣的東西呢？

重複一次，暴脹子場被認為是某種未知、很重的純量場，其質量上限在 10¹³GeV　以下。目前這個低能量宇宙中，已經不存在暴脹子場。即使透過粒子對撞，產生目前可達到的最高能量（數 10TeV，相當於數 10 京度的溫度），也沒辦法產生這種場。

每種基本粒子都有著伴隨其出現的「量子場」。

譬如希格斯場會伴隨著希格斯玻色子出現。就希格斯場這種純量場而言，其存在機率最高的期望值稱做場值（真空值），是希格斯玻色子的位置。而場值周圍存在所謂的量子擾動。這種量子擾動只有在微觀尺度下有意義。

在我們生活的巨觀尺度下，幾乎察覺不到任何量子擾動，所以我們平常的生活並不會意識到它們。

我們周圍有許多電路會用到二極體。在微觀尺度下看這些電路，會看到粒子般的電子周圍有量子擾動，這種量子擾動對二極體來說相當重要。

在這種量子擾動下，電流只能沿著電路中可跳躍量子擾動的方向流動，二極體才有如此特別的性質，可見量子論也是現代科技中的重要理論。

所以說，考慮初期宇宙中暴脹子場的量子擾動，可以知道當宇宙還很小時，暴脹並非在宇宙中的各個地方同時間發生。宇宙中各個地方開始暴脹與結束暴脹的時間都不一樣。

量子擾動會造成時間擾動，不過在暴脹這種急速膨脹後，會轉變成超越視界的古典擾動，所以我們會在巨觀視界下觀察到，各個地方都有著不同的密度。這就是所謂的「密度擾動」或「溫度擾動」。

總而言之，最初產生量子擾動後，隨著空間的急速膨脹而迅速延伸，轉變成了空間性的密度擾動。

備註

• 暴脹理論與大霹靂的名稱

1981 年，佐藤勝彥在大統一模型的框架下，提出真空相變會造成宇宙呈指數函數膨脹的理論。同年，古斯也發表了同樣的想法。自宇宙誕生的瞬間起（依大統一理論，約為 10⁻³⁸ 秒後～10⁻³⁶ 秒後）宇宙會以超越光速的速度，呈指數函數膨脹，然後轉變成大霹靂的「火球」宇宙。

1980 年時，為修正愛因斯坦的重力觀點，學者們提出了以指數函數膨脹中的宇宙。

而在 20 世紀初，多數學者認為「宇宙永遠不會改變」（宇宙穩態論），沒有開始，沒有結束，大小也永遠不會改變。不過宇宙穩態論的擁護者霍伊爾（Fred Hoyle）曾在某個廣播節目中說「宇宙的開始？那是大霹靂的觀點（the ‘big bang’ idea）」，於是「大霹靂」這個名稱就定了下來。

當時連愛因斯坦都相信宇宙穩態論，否定膨脹宇宙。不過在觀測結果陸續出爐後，哈伯（Edwin Hubble）、勒梅特（Georges Lemaître）等人成功說服了愛因斯坦接受宇宙正在膨脹。

——本文摘自《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》，2022 年 6 月，台灣東販，未經同意請勿轉載。

• 作者 / 海諾．法爾克 （Heino Falcke）、約格．羅默（Jörg Römer）
• 譯者 / 姚若潔

在今天已經建立的宇宙模型中，我們對無限的窺視終止於大霹靂。大霹靂開啟了我們的時間和歷史；所有將會發生的事物都包含在裡面。大霹靂是一種超額的密集能量。我們現在看見的所有事物（所有形式的物質或能量，甚至我們自己），最終都可以追溯回到這份原始能量。

一個近乎無限小的空間忽然在 10−35 秒內指數膨脹。純能量和光的原始閃電誕生，基本粒子的量子糖漿從閃電中開始結晶成形。質子和電子形成，物質有了基本構成單元。過了三十八萬年，質子和電子配對形成氫，充滿了宇宙。物質和光忽然彼此區分，走向各自不同的道路。暗物質在自身的重力影響下變得集中：暗星系從大霹靂的殘骸中出現，並把氫聚集到自己周邊。星系就此形成，產生了發光的星星，創造出新的元素，並透過巨大的爆炸再度把這些元素擲回太空。

從這最早的恆星之灰中，誕生了新的恆星、行星、衛星與彗星。星辰的生命循環開始，最終也誕生出我們的地球。水落在地球上匯聚起來，加上星塵，形成了菌類、單細胞動物，還有植物。這些新生命改變了世界，大氣開始形成，雲朵綻開，動物演化。最後出現了人類，在日、月、眾星的俯視之下繁衍，征服地球，建造都市，瞭解世界、時間、太空，並寫了關於這一切的書——這都要感謝大霹靂帶來的宇宙級大騷動。

我們的宇宙竟然能夠運作，整件事實在太過驚人、太過不可思議。宇宙的產生就像是走在物理學的鋼索上，需要微妙的平衡。如果重力再強一點，恆星都會塌縮成黑洞；如果再弱一些，暗能量會使所有東西分崩離析。如果電磁力更強，恆星就不會發光。宇宙機制的各個齒輪彼此相互影響，而生命竟可能在此出現，是恆久以來最偉大的奇蹟。如果有人可以目睹大霹靂並預測自己將會從那堆混亂之中誕生，一定會被視為瘋子。物理學教科書不允許物質忽然開始思索自我，形成個性與觀點，甚至發揮創意——儘管如此，我們就在這裡。

這道謎題有個解釋相當受人歡迎，就是宇宙實際上不只一個，而是許多個，它們就像原野上的花朵那樣誕生又凋零，只是每個宇宙都略為不同。我們只是正好出現在這裡，生活在這一個誕生了生命的宇宙，因為這是我們唯一可見的宇宙。

我們能否更把思考尺度變得更大？我們有沒有可能在自己的宇宙裡找到古老宇宙的遺跡，例如兩個宇宙相互碰撞後留下的大型結構？我自己願意如此猜測：超超大質量（hypermassive）的黑洞有可能是古宇宙留下來的化石——畢竟，像我們這種宇宙最後殘留下來的，應該就是超超大質量黑洞。目前為止還沒有人找到任何證據。不過，也還沒有任何跡象顯示平行宇宙真的存在，可以讓我們觀測。

另外，只因為我們的宇宙非常不可能存在，就要推論「必定有許多宇宙存在，才讓我們宇宙的存在成為可能」，這樣的關聯不見得正確。如果我的鄰居中了樂透，不表示他一定已經買過百萬次彩券。我們頂多可以說自己正好住在那個真實幸運兒的隔壁。如果我們只買過一張彩券，又不太清楚它的運作方式，那我們並無法論斷買了彩券的人有多少——或者有多少宇宙存在。

由於無從得知多重宇宙的證據，倒是引出這樣的問題：多重宇宙的存在與否，究竟屬於物理學還是形上學的問題？我們既無法回溯得比自己宇宙誕生的奇異點更早，也無法看穿宇宙的邊緣。就算主張多重宇宙不只是妄想，而是真實的物理學，這個問題仍然未解：多重宇宙是哪裡來的？我們所做的，只不過是把自己的無知推到物理學的無人之境。

——本文摘自《解密黑洞與人類未來》/ 海諾．法爾克、約格．羅默，2022 年 1 月，天下文化。

• 文／林祉均　就讀清大物理系的斜槓理工男，喜歡學習與嘗試新事物。目前對科學和翻譯有點上癮，看到 Netflix 上奇怪的字幕翻譯會皺眉頭。

瑪土撒拉 (Methuselah) 是聖經故事中最長壽的人，享壽 969 歲，堪稱世界級人瑞；瑪土撒拉同時也是宇宙中最老的星星，在 HD 星表中的編號是「HD 140283」。根據歐洲太空總署的觀測，它已經高齡 160 億歲了。

正如一般的高齡恆星，瑪土撒拉主要由氫氣與氦氣組成，缺乏金屬成分，因為較重的金屬元素在早期宇宙中非常少見。

不過，先等一下。

你現在可以回去翻翻高中課本，上面應該會寫到：「目前推測宇宙年齡約 140 億年。」但是，這根本就不合理啊！宇宙裡的星星怎麼可能比宇宙本身還要老呢？難道它在大爆炸之前就已經存在了？

年齡不是問題，先告訴我距離

要釐清這個謎團，必須先知道恆星的年齡該如何判定。年齡判斷守則第一條：確認距離才能決定年齡。

我們都知道，越年輕的恆星越明亮，但遙遠的恆星從地球上看起來會比較暗。掌握恆星跟地球之間的距離，才能回推恆星實際上發出的光芒強度，並進一步得知恆星年齡。

可是，距離的測量並非易事。

當你在高速公路上往車窗外看，較遙遠的山脈或高樓會以相對緩慢的速度後退。同樣的道理，當地球在繞日軌道上公轉，你也能看到遙遠的星體悄悄地移動。

理論上，由於我們已經清楚繞日軌道的大小，因此只要比較某顆星在不同晚上的位置變化，就能推算出它跟地球的距離。然而，大部分恆星距離我們實在太遠，移動的幅度往往極為微小，因此這項測量實際上並不容易。

賓州大學的天文學家 Howard Bond 和研究團隊重新檢視哈伯太空望遠鏡在 2003 到 2011 年間的觀測數據，想要參透這顆恆星的年齡之謎。

Bond 提到：「HD 140283 的精確距離是推算年齡時的不確定因素之一。」而除了距離之外，他們也重新考慮恆星核融合的理論模型。團隊假設外層的氦氣會向中心擴散，導致可作為燃料的氫氣減少。如此一來，恆星融合並老化的速度更快，反推回去的年齡應該要更小。他們也發現 HD 140283 中的氧氣量高出預期，而氧元素要在大爆炸後幾百萬年才出現，這個線索再度顯示了恆星應該比原先的預估要來得年輕。

他們最終在 2014 年估計 HD 140283 的真實年齡大約是 142.7 億年，誤差正負 8 億年。也就是說，就算已經重新考慮了那麼多因素，還是得有頗大的測量誤差才能讓這顆恆星低於宇宙年齡。

那麼反過來想，會不會 138 億年這個數字也該被重新檢視一下？

宇宙到底有多老？答案原來會不斷變動

宇宙到底有多老？這個問題的答案其實隨著最新的觀測而不斷變動。藉由觀測大爆炸殘留下來的熱輻射，可以回推宇宙膨脹的程度，以及相對應的年齡。普朗克太空望遠鏡在 2013 年利用這種方法，得出了 138 億年，也就是我們目前熟知的標準答案。

天文物理學家哈伯曾在 1929 年提出「宇宙膨脹說」，並宣稱我們在宇宙中的鄰居們正持續地遠離地球，速度正比於其與地球的距離。因此，另一種幫宇宙測齡的方法，就是透過星體的距離和遠離地球的速度，來推算大爆炸的時間點。近期的觀測結果指出：宇宙的年齡大約 127 億年，另一則研究得到的結果則僅僅只有 114 億年。這或許表示我們目前對早期宇宙和膨脹理論的了解仍不夠完備，而許多科學家認為可能是暗物質或暗能量在其中搞鬼。

不過別的先不談。我們的難題還是懸而未決，HD 140283依舊嚴重「超齡」，而且現在情況似乎更不樂觀。

年齡之謎難道無解？等重力波為我們解答吧！

究竟是觀測有誤差，導致 HD 140283 年齡被高估；還是宇宙學理論尚未完整，宇宙其實比想像中更老？

「過往科學發展的經驗告訴我們，應該是兩者皆有」，英國阿斯頓大學的物理學家 Robert Matthews 提供了他的預測。他認為，暗能量的強度隨著時間而有所消長，膨脹速度也因此忽快忽慢。要驗證這個理論，可能需要重力波的幫忙。

所謂重力波，是兩個巨大的質量互相繞行所產生的時空漣漪，從它的頻率能夠計算出兩個質量的大小，以及撞擊將釋放的能量多寡。當重力波橫跨遙遠的宇宙，這股能量會隨著距離衰減。於是我們便可以從地球上觀測到的重力波能量，反推出重力波源和我們的距離。

只要有距離和速度，就能建構哈伯定律，推論出宇宙的年齡。速度的部分可以交給可見光。我們知道消防車的警笛聲在駛離時會逐漸「降 key」，而光線也是一樣的道理。當光源遠離我們，波長會被拉長，顏色會偏向紅色，其程度和光源的速度有關。因此，利用撞擊發出的可見光，便能推測星體遠離我們的速度。

儘管愛因斯坦的廣義相對論中早已預測重力波的存在，它卻一直到 2015 年才首次現形，顯示其觀測的困難。不過，在未來的幾年內，科學家計畫觀測兩顆中子星的撞擊，有機會在重力波觀測上獲得重大的突破。屆時可能會讓科學家對哈伯定律和宇宙的年齡有全新的看法。

如此看來，「超齡星星」的謎團大概還會讓天文學家再頭痛一陣子，不過也有望為觀測技術和宇宙學理論帶來嶄新的發展。

參考資料：

• 本文編譯自 David Crookes 所撰寫之科普報導 How Can a Star Be Older Than the Universe?，刊載於 Live Science ( Jan 31, 2020 )