[時事討論] 一切歸於黑暗：淺談宇宙命運

本帖最後由 felicity2010 於 2015-9-4 10:19 PM 編輯

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最近在華文媒體看到關於「宇宙走向終結」的報導，覺得有點兒嘩眾取寵。身為物理撚的我正好借題發揮，探討一下現有科學理論對宇宙命運有何看法。
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報導是這樣開頭的：/ U, k7 b$ e9 j) x5 t: d8 J

廣為科學界所接受的大爆炸理論告訴人們，宇宙的年齡是有限的，而天文學家最近還得知了它「死去」的速度。5.39.217.765 C% P% R( q: m1 z# O

科學界的確廣為接受「大爆炸」作為宇宙開端的一環。在 1929 年，美國天文學家哈勃（Edwin Hubble）發現星系正高速相互離去；這意味著過去星系之間的距離比較近。然後在 1964 年，美國貝爾實驗室的兩位研究人員在調整無線電天線時，意外地發現了充滿空間、強度不隨著方向和時間變化的電磁輻射源。這輻射跟零下 271 度的物體發出的熱輻射相仿，是宇宙曾經處於熾熱狀態、然後慢慢冷卻的強力證據。透過上述兩個觀測，科學家推測宇宙是從體積很小、能量很高的狀態逐漸膨脹而成 – 形象地說，是「爆」出來的。
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這就是大爆炸理論。它解釋了宇宙的起源，而沒有預測其「年齡」或最終命運。當然，這並不代表我們對宇宙的演化一無所知。經過六十年的努力，宇宙學家在一些基本的事情上已取得共識，而普通人如我和你也可以參與討論，而不被眾論紛紛所迷惑。
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你也許聽說過「萬有引力定律」：物質互相吸引，而吸引力跟它們的質量成正比。如果把定律應用到全宇宙，那麼，星系會不會在彼此向內拉的萬有引力下聚合呢？宇宙膨脹的速率又會否慢下來呢？畢竟，一個星系平均有千億顆恆星，而每顆恆星的質量大約是地球的一百萬倍！TVBNOW 含有熱門話題，最新最快電視，軟體，遊戲，電影，動漫及日常生活及興趣交流等資訊。: A* U6 y3 _, f% f i* Y$ `" @

答案，還是要靠天文觀測判定，而宇宙膨脹導致了可被觀測的效應。上文提到，哈勃觀測到星系正以高速相互離去，但更準確的描述是說 *空間本身* 在膨脹。打個比喻：在氣球上用墨水筆畫上兩點，充氣時水點就會慢慢分開。水點分開是因為氣球 – 也就是它們身處的空間 – 正在膨脹（見下圖）。同樣道理，因為宇宙膨脹的緣故，星系之間的越來越多空間，結果看似它們在遠離對方。雖然個別星系會有「本動運動 (peculiar motion)」– 例如透過引力互相吸引 – 但誰也逃離不了空間膨脹的無形之手。 / P7 f% _, \, |' @! s' y
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圖中氣球比喻膨脹的宇宙空間，而紅點則比喻星系。相對氣球表面，紅點是靜止的。因此，即使箭頭長度本身增加了一倍，兩個箭頭長度的比例卻沒有改變。那麼紅點會變大嗎？這就是比喻的不完美之處：紅點確會隨著氣球充氣而變大，但恆星之間的萬有引力卻足以抵抗膨脹，令星系不會散開。圖：物理園。
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天文觀測依靠分析星光，而空間膨脹對星光的影響是把它：「紅移 (redshift)」，也就是增加其波長膨脹越快，紅移量越大；情況就彷若當消防車（波源）高速離你而去的時候，警號聽起來會比較低沉。要知道膨脹速率怎樣隨著時間變化，我們需要量度來自不同距離的星光的紅移量。如果膨脹速率曾經快速下降（例如因為大量物質的牽引），那麼高紅移的星體會離我們較近。這是因為從前紅移量大、快速膨脹的年代在時間上接近現在，所以星體沒有被膨脹帶得太遠。另一方面，如果膨脹速率變化不太大（例如因為宇宙裡面質量不多），高紅移星體就會離我們比較遠。TVBNOW 含有熱門話題，最新最快電視，軟體，遊戲，電影，動漫及日常生活及興趣交流等資訊。! I8 V' u# A- B% X
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經過幾年的努力後，Saul Perlmutter 和 Brian Schmidt 的團隊在 1998 年分別宣布觀察到膨脹正在加速。他們發現高紅移的超新星比預期中暗淡、遙遠，甚至比在宇宙空無一物的假想情況下顯得更遠 [3]。因為這個發現，Schmidt、Perlmutter 和合作者 Adam Reiss 在 2011 年獲得諾貝爾物理學獎。公仔箱論壇1 }( u# \8 }; D& q( c7 p
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等等！宇宙膨脹在加速？莫非引力定律在星系或更大的尺度上發生「故障」？也許吧。不過，更被廣為接受的說法是，有一股未知的能量形態在抗衡星系間的吸引力，並將它們加速帶離。這股神秘的力量，宇宙學家稱之為「暗能量 ( Dark Energy) 」。支持暗能量假說的其中一個原因是，物質被膨脹「稀釋」、密度降低於暗能量的時候（大概是宇宙年齡的一半、大爆炸後六十億年），星系合拼的速率剛好在明顯下降 [1]；暗能量作為令膨脹加速的一股影響，能夠為現象做出解釋：膨脹加速會防止物質聚集在一起，並形成星系。TVBNOW 含有熱門話題，最新最快電視，軟體，遊戲，電影，動漫及日常生活及興趣交流等資訊。* x; a. g/ d( ~
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左邊顯示了星系合拼速率如何隨時間下跌，而右邊是 NGC 4676 星系對合拼的示意圖。圖：[1] / NASA) d% t) s! g W/ y

不過，暗能量到底是什麼東東呢？
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很抱歉，宇宙學家暫時只可以攤手搖頭說：「不知道」。曾經受歡迎的一個假說是「真空能量」，由相對論性量子力學預測的、在出現後立即湮滅的虛粒子所構成。但在今天這個假說顯得很荒謬：理論計算給出的真空能量，比導致宇宙膨脹的能量大出至少 1055 倍！如果有某種效應消除了絕大部分的真空能量，餘下的 10-55 需要精細微調才能跟天文觀察相符合 [3,4]。這不是宇宙學家樂見的。在 2015 年，科學界依然在建構新的實驗，為的是仔細量度空間膨脹在不同時期的變化。也許在更深入了解暗能量對宇宙演化的影響後，我們會提出踏實的假說來解釋它的本質。對認真的科學家而言，「不知道」本身並不羞恥。相反，這才是求知樂趣的開始；渺小的人類能夠以一己之力探索宇宙奧秘，這已是個驚喜。

最後回到初衷，解答我們最感興趣的問題：宇宙何去何從呢？可以肯定的是，宇宙正在加速膨脹。這樣下去，在一千億年後除了鄰近的數百個星系外，其他星體發出的光都因為高度紅移（波長趨於零）從夜空上消失 [2,4]。如果那時候還有人類的話，他們抬頭看到的將會是一片漆黑的死寂。; `" o8 s: K2 t" ^6 v

那麼，華文媒體報導的「宇宙終結」又是怎麼回事呢？原來最近有研究發布，說各種星體散發的總能量比二十億年前減半。先不說這項研究還沒有經過同行評審；討論宇宙的命運而忽略暗能量，根本就是停留在九十年代以前的知識水平，也埋沒了當年不分日夜分析超新星數據的科學家的努力吧！

參考資料：
[4] 可以在下面的連結免費下載，而至少 [1] 和 [2] 可以透過 Google 找到。

Conselice, C. J. (2007). The Universe’s Invisible Hand. Scientific American, 296(2), 34–41. DOI: 10.1038/scientificamerican0207-34
Krauss, L. M., & Scherrer, R. J. (2008). The End of Cosmology?. Scientific American, 298(3), 46–53. DOI:10.1038/scientificamerican0308-46
Perlmutter, S. (2003). Supernovae, dark energy, and the accelerating universe. Physics Today, 56(4), 53–60. DOI:10.1063/1.1580050
Turner, M. S. (2003). Dark energy: Just what theorists ordered. Physics Today, 56(4), 10–11. DOI: 10.1063/1.1580026

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Dr Sean Carroll, Entropy, dark energy and time

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