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暗物質絲跡乍現

臺北天文館_96
・2012/07/16 ・1434字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

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如果說宇宙是靠暗物質的框架撐起來的一個軀幹,那麼現在我們已經找到了其中的 –一根手指頭,或許最後這根手指還能為我們指向「星系是在哪裡成型」的終極答案!現在。研究人員已經直接偵測到橋接了兩星系團之間的一段細長狀的暗物質。而他們所運用的這種觀測技術,應該能幫助天文物理學家了解宇宙結構,並且可以辨認出一種神祕不可見、被稱為「暗物質」的物質。

根據宇宙學的標準模型,可見的恆星和星系是以一個通常我們以「宇宙網」稱之的模式,分布在整個天空中,最初,這個網是被暗物質所「蝕刻」出來的。一般認為,宇宙物質的80%由暗物質組成。德國慕尼黑大學觀測站的宇宙學者Jorg Dietrich在解釋本次研究內容時表示,話說在「大霹靂」後不久,有些較重的區域會把暗物質拉進去,它們彼此成「塊狀」聚集成團,並且最後塌縮成扁平狀的「鬆餅」,在「鬆餅」交會的區域裡,會有長條狀或是絲狀結構的暗物質。而這些絲狀結構交會的地區,也就是宇宙網中所謂的「節點」處,星系群,也就是在那裡形成。

暗物質的存在與否通常是以推估而得。推估的方式是,藉由很強的重力彎曲了位置在它背後的遙遠星系所發出的光的這種現象,去做進一步推算。從地球上的望遠鏡的角度看,強大的重力常會使遠方星系的形狀呈扭曲變形,不過,要是使用重力透鏡這種方式的話,那卻很難觀測到呈現於絲狀結構下的暗物質,因為,相對的,它的質量甚小。

研究員Dietrich領軍的這個團隊,靠觀測一個大質量絲狀結構的方式,閃過了這個觀測上的難題,因為這個連接在Abell 222和Abell 223這兩個星系群之間的這一條「絲」,長達18Mpc(百萬秒差距)。事實上,很幸運的是,這座暗物質「橋」的角度和位置都非常剛好,恰到好處地沿著適合從地球的角度去觀測的方式擺放在那裡,這使得重力透鏡獲得了強化的效果。在這個叫做「重力透鏡」的工具的幫忙下,研究人員一共檢視分析了4萬多個背景星系的變形資料,最後連絲狀結構的質量也推算出來:它大約有太陽質量的6.5 × 10^13倍到 9.8 × 10^13倍左右。

絲狀結構的電漿所發出的X射線資料,透過XMM-牛頓衛星觀測站可以獲得, 在加以計算後,於是研究人員得知:在這個絲狀結構中,熱氣體的質量佔不超過9%,而透過電腦模擬分析則是知道,其中,可見物質的恆星和星系等的比例也不超過10%,也就是說,絲狀結構中,大部份當然都是由暗物質所組成的。

來自美國MIT的天文學者Mark Bautz表示,目前為止,天文學家還不清楚可見物質會如何遵循暗物質所建立起來的路徑架構,所以,在這個不尋常的系統中,最令人感到振奮的部份就是在於,它是能同時繪製出暗物質和可見物質地圖的一個系統,如此一來,應能知這道兩者能如何沿著絲狀結構的路徑互相接連和進行演化。日本預定在2014年即將發射一座X射線太空望遠鏡”Astro-H”,屆時這座儀器將能進一步取得絲狀結構中電漿的電離態和溫度等等特性資料,更精確地辨別出這種絲狀結構如何形成,在不同模型間有哪些差異。

因為不同特性的粒子在絲狀結構中團結成塊的方式也有所不同,譬如說它的粒子特性是冷的(移動得慢)或者它像中子一樣,是溫的(移動得快),這些特性都有其意義,進一步將這種技術加以微調,將有助於描繪出暗物質的諸多細節和特性。預定2019年將發射的Euclid太空計劃,屆時也可以提供更多的重力透鏡資料。相對於以直接方式去搜尋暗物質的科學努力(譬如LHC,強子對撞器),重力透鏡技術具有其互補的價值。一位ETH Zurich的天文學者Alexandre Refregier作出以上表示。(Lauren 譯)

資料來源:中研院天文網[2012.07.09]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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來自137 億年前的訊息!透過重力波,一窺「宇宙誕生」的真相──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/09 ・4055字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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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。

discoveries GIF
圖/GIPHY

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

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。

目前科學界的研究和觀測結果大多支持大霹靂學說。圖/NASA

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%。

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。

宇宙仍在不斷的擴大。圖/NASA

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))。

在大霹靂學說中,宇宙微波背景輻射是宇宙誕生時所遺留下來的熱輻射。圖/ESA

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。

重力波可以分成兩種,來自近期星體活動的重力波,以及來自宇宙誕生的背景重力波。圖/台灣東販

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。

重力波由十字形、交叉型兩種偏振方式所組成。圖/台灣東販

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。

量子擾動除了會造成時間擾動,在某些條件下,我們也可以在巨觀視界下感受到密度和溫度的擾動。圖/台灣東販

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。

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絲狀結構的電漿所發出的X射線資料,透過XMM-牛頓衛星觀測站可以獲得, 在加以計算後,於是研究人員得知:在這個絲狀結構中,熱氣體的質量佔不超過9%,而透過電腦模擬分析則是知道,其中,可見物質的恆星和星系等的比例也不超過10%,也就是說,絲狀結構中,大部份當然都是由暗物質所組成的。

來自美國MIT的天文學者Mark Bautz表示,目前為止,天文學家還不清楚可見物質會如何遵循暗物質所建立起來的路徑架構,所以,在這個不尋常的系統中,最令人感到振奮的部份就是在於,它是能同時繪製出暗物質和可見物質地圖的一個系統,如此一來,應能知這道兩者能如何沿著絲狀結構的路徑互相接連和進行演化。日本預定在2014年即將發射一座X射線太空望遠鏡”Astro-H”,屆時這座儀器將能進一步取得絲狀結構中電漿的電離態和溫度等等特性資料,更精確地辨別出這種絲狀結構如何形成,在不同模型間有哪些差異。

因為不同特性的粒子在絲狀結構中團結成塊的方式也有所不同,譬如說它的粒子特性是冷的(移動得慢)或者它像中子一樣,是溫的(移動得快),這些特性都有其意義,進一步將這種技術加以微調,將有助於描繪出暗物質的諸多細節和特性。預定2019年將發射的Euclid太空計劃,屆時也可以提供更多的重力透鏡資料。相對於以直接方式去搜尋暗物質的科學努力(譬如LHC,強子對撞器),重力透鏡技術具有其互補的價值。一位ETH Zurich的天文學者Alexandre Refregier作出以上表示。(Lauren 譯)

資料來源:中研院天文網[2012.07.09]

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宇宙學的最大謎團!有超過90%的世界都是暗物質和暗能量,但,它們究竟是什麼?──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
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・2022/08/08 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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觀測星系時,科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等,所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

宇宙是由物質構成的,但究竟是由甚麼物質構成的呢?圖 / twenty20photos

不過,後來我們了解到,宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質,那就是「暗物質(dark matter)」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質,卻實際存在於宇宙中,而且暗物質在宇宙中的含量,遠多於我們看得到的「物質」

1934 年,瑞士的天文學家茲威基(Fritz Zwicky,1898~1974)觀測「后髮座星系團」時,發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量,與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快,推測存在 400 倍以上的重力缺損(missing mass)。

在這之後,美國天文學家魯賓(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代觀測仙女座星系時,發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別,並推論仙女座的真正質量,是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

到了 1986 年,科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構,發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構,僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足,科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質=暗物質」。

看不到卻存在?暗物質究竟是什麼?

既然看不到,那我們怎麼確定暗物質真的存在?圖 / twenty20photos

前面提到我們看不見暗物質,而且不只用可見光看不到,就連用無線電波、X 射線也不行,任何電磁波都無法檢測出這種物質(它們不帶電荷,交互作用極其微弱)。

因為用肉眼、X 射線,或者其他方法都看不到它們,所以稱其為「暗」物質。

不過,從星系的運動看來,可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力(質量)」。這就是由暗物質造成的重力。

看不到的能量:暗能量

事實上,科學家們也逐漸了解到,宇宙中除了暗物質之外,還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為,宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對,不過,1998 年觀測 Ⅰa 型超新星(可精確估計距離)時,發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」,以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例,如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星(美國)於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射(CMB),計算出來的結果。

圖/台灣東販

後來,普朗克衛星(歐洲太空總署)於 2013 年起開始觀測宇宙,並發表了更為精準的數值。

  • 什麼是「普朗克衛星」?

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。  

暗物質的真面目,究竟是什麼?微中子嗎?

既然暗物質有質量,那會不會是由某種基本粒子構成的呢?也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於這些研究,不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子(共 17 種)以及其他未知粒子,都有可能是暗物質,在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷,不與其他物質產生交互作用,會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且,宇宙中也確實充滿了微中子。因此,微中子很可能是暗物質的真面目。

不過,目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖/NASA

為什麼微中子被撇除了呢?

這是因為,雖然微中子大量存在於宇宙中,質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少,不過依照目前的宇宙論,3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子,那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對,兩者相差過大。

另一方面,暗物質中的冷暗物質(cold dark matter)的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動,進而產生暗物質的擾動(空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同),這種微妙的重力偏差,會讓周圍的暗物質聚集,提升重力,進一步吸引更多原子聚集,最後形成我們現在看到的星系。

相較於此,微中子過輕(屬於熱暗物質,hot dark matter),會以高速飛行。微中子無法固定在一處,這樣就無法聚集起周圍的原子,自然也無法形成星系。

暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼?仍然是宇宙學中最大的謎團!

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」,指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射(CMB)可顯示出宇宙初期的溫度起伏,因而得知存在相當微小,卻十分明顯的擾動,此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中,物質會往較濃的部分聚集,並形成星系或星系團等大規模結構。

不過,如同我們前面提到的,科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子,在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下,很難形成現今的星系團。

於是,科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子(SUSY 粒子)」當中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名為軸子(axion)的假設粒子;另外,也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」,雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時,即使不假設這些未知粒子的存在,在標準模型的範圍內,微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的,當我們認為微中子應該不是主要暗物質時,就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論,這點十分重要。

宇宙微波背景(CMB)是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射,充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販

那麼,微中子真的完全不可能是暗物質嗎?

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子,由於我們還不曉得它的質量以及存在量,所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過,這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下,一切都還未知。關於這點,我們將在《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——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。

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多重宇宙存在嗎?物理學的探索極限——《解密黑洞與人類未來》
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  • 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。

現今宇宙中的各種天體、物質與能量,都可以追溯到大霹靂這份原始能量。圖/WIKIPEDIA

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。

描述大霹靂後宇宙膨脹的藝術構想圖。圖/WIKIPEDIA

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。

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如果能找到超超大質量黑洞,或許能證明古老宇宙或是多重宇宙的存在。圖/Pixabay

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

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