請問什麼是宇宙論?

Question

請問什麼是宇宙論? 請用簡單一點的敘述，能讓人了解就好了?

Answer 1

宇宙學新發現

–邵逸夫天文學獎首屆得主皮布爾斯教授的貢獻

朱明中

香港中文大學物理系

詹姆斯‧皮布爾斯 (P. James E. Peebles) 教授作為邵逸夫天文學獎1的首屆得主，絕對是實至名歸。皮布爾斯教授是現代宇宙學研究的先驅，他的工作為當今宇宙論理論及觀測研究打好基礎。近幾年來，宇宙學的突破性發現接踵而至，震撼整個科學界。美國最權威的＜科學＞雜誌亦評選宇宙學發現為去年最重要的科學突破2。本文簡介宇宙學近年的發展。


宇宙膨脹及大爆炸

一般人都會以為，時間和空間就像宇宙的大舞臺，人類、星辰和所有其他物質，都只可以在其中活動，不能改變或影響空間的間隔，或時間的進程。愛因斯坦於八十年前卻把這個幾千年的迷思打破了。根據他的廣義相對論，物質及能量把時間和空間扭曲，造成萬有引力。怎樣去明白時空的扭曲？愛因斯坦教我們想像空間及時間間隔，並在虛空中劃上刻度表明，就像齊整的網格，讓我們可以「看到」時空。相對論的要點是，這些本來均勻的網格在物質或能量周圍被拉扯變形，變得大小不一。例如在物質附近的時間間隔比遠離物質的長，亦即時間的進程被拉慢了。 而且宇宙的時空尺度大小可隨時間不斷變化3；情況就好比繪畫在氣球表面上的網格（見圖一）。當氣球膨脹或收縮時，網格的大小亦隨之而改變。愛因斯坦發現，他提出的廣義相對論竟然不容許一個恆常不變的時空。換句話說，宇宙總是在膨脹或收縮！幾年後，這驚人的結論更得到觀測上的證據支持。首先發現宇宙膨脹的是著名的天文學家艾雲‧哈勃（Edwin Hubble），他觀察到遠方的星系都以高速飛離我們的銀河系，而且愈遠的星系速度愈高！既然宇宙在膨脹，我們不難便推算出約在一百四十億年前，宇宙的所有物質都聚集在很細小的時空裡，而當時的密度及溫度亦必然很高；後來這個宇宙原始火球的不斷膨脹及冷卻，發展成為我們今天的宇宙。這就是著名的「大爆炸理論」（Big Bang Theory）4。


大爆炸的兩個主要證據

除了宇宙膨脹外，是否有其他的證據支持大爆炸理論呢？有！還有至少兩項觀測證據 –「宇宙微波背景輻射」及「宇宙中的輕元素含量」，而相關的理論基礎，都是由皮布爾斯教授奠定的。若果宇宙早期溫度真的很高，物質便應放射大量輻射，情況就如一塊碳燒熱時發光一樣。這些由原始火球發出的光充斥著整個宇宙，並遺留至今天，我們稱之為「宇宙背景輻射」。它們的波長，隨著宇宙的膨脹而被拉長了約一千倍，到今天主要只剩下微波波段。事實上，即使普通的電視天線，亦可以接收一小部份這些差不多完全均勻分佈的宇宙微波背景輻射，成為畫面上「雪花」的一小部份。這可能有點匪夷所思吧？家中的電視竟然可以接收一百數十億年前宇宙發出的訊號！無論如何，宇宙微波背景輻射的存在加上宇宙膨脹，很明確地告許我們，宇宙曾經很熱，與大爆炸理論相符。微波背景輻射的強度其實亦不是完全均勻，而是在天空不同位置有些微的差異。它們的強弱分佈，或稱為不均勻性是源於原始火球的輕微振動。從這些振動，我們可以推算出早期宇宙的總質量等物理性質。近幾年來宇宙論觀測的很多突破，都由宇宙微波輻射不均勻性的觀測而得到5(圖二)。而皮布爾斯教授則是宇宙微波輻射不均勻性研究的先驅。


另一個大爆炸的證據，是宇宙中輕元素的比例。自然界各種物質都由原子(atoms)組成，而原子內部則有原子核(atomic nucleus)及外圍的電子(electrons)。原子核很細小，由帶正電荷的質子(protons)及不帶電荷的中子(neutrons)結合而成。不同數目的質子及中子組成不同的元素，例如，氫(Hydrogen)原子核只有一顆質子，而氦(Helium)原子核則有中子及質子各兩顆。由於宇宙早期溫度太高，粒子即使曾經聚合，亦很快瓦解，所以早期的宇宙物質只是一大堆熾熱的質子、中子及電子。隨著宇宙膨脹，原始火球的溫度下降，質子和中子才開始結合成氘(Deuterium)、氦等輕元素的原子核，這過程稱為「大爆炸核合成」(Big Bang Nucleosynthesis)。不過，原始火球冷卻得很快，在短促的時間內製造出最輕的幾種元素後，核合成便停止了。皮布爾斯教授根據宇宙膨脹的速度推算出原始火球溫度及密度的變化，從而計算核合成的速率及各種輕元素的比例。他的計算結果與觀測結果大致脗合，又一次證明大爆炸理論的正確6。


黑暗物質與黑暗能量

不過，皮布爾斯教授計算輕元素比例時發現，由質子、中子等組成的普通物質，只可以佔宇宙總質量的一小部份，其它大部份是不明成份、不放射亦不吸收光的物質，稱為「黑暗物質(dark matter)」7。近幾十年來，天文學家利用大型望遠鏡觀測遠方星系及恆星的運動，亦證實了宇宙必然存在大量黑暗物質。物質多了，物質之間的萬有引力也大了，那麼，宇宙的膨脹會否終有一天被萬有引力拉停，甚至倒轉過來變成宇宙塌縮呢？


欲知宇宙的未來，天文學家放眼宇宙最遠的過去。只要量度出很久以前宇宙膨脹的速率，與現在的比較，我們便可以知道萬有引力把宇宙膨脹減慢的程度。怎樣量度宇宙從前的脹速？我們可看見遠方的星體，是靠它發出的光，而光的傳播速度雖然很高，卻是有限的。因此，我們接收到的星光都是以前發出的。距離愈遠，星光需要愈多時間才到達我們的望遠鏡，也就是愈久遠前發出的光。我們只要量度極遙遠星系的飛離速度，便知道很久以前的宇宙膨脹速率了。問題是，星體愈遠，星光愈暗，觀測也愈難！幸好自然界有一類標準光源是非常明亮的，那就是IA類超新星(Type IA Supernovae)8。很多恆星耗盡燃料而死亡時，總會經歷一次猛烈的大爆炸；星球的外殼被猛力推出太空，恆星光度亦於短時間內暴增百億倍！這便是超新星。而且，我們相信IA類超新星都是由狀態及質量相同的恆星所產生，所以它們的光度都應該是一致的。幾年前，兩組美國天文學家分別量度一大批遠方IA類超新星的飛離速度及距離，不約而同得出一個驚人的結果：宇宙膨脹不但沒有減速，反而正在加速9！那就是說，宇宙除了萬有引力外，必定存在更強的斥力，我們稱它為「真空斥力」，而對應的能量，便稱為「黑暗能量」(dark energy)。這個發現亦被＜科學＞雜誌評選為一九九八年最重要的科學突破10。有趣的是，當年愛因斯坦曾經引入「宇宙常數」(cosmological constant)以抗衡萬有引力，使宇宙維持不脹不縮的穩定狀態，但當哈勃發現宇宙膨脹後，愛因斯坦才後悔引入這神秘的、代表真空斥力的宇宙常數。黑暗能量的發現，不啻是替宇宙常數翻案！而且，前述宇宙微波背景輻射不均勻性的數據，亦支持黑暗物質及黑暗能量的存在，數值上與其他觀測亦完全脗合。


香港中文大學的相關研究

在香港從事宇宙論研究的人屈指可數，集中在香港中文大學及香港大學物理系。在中大，我和幾個研究生過去幾年從事一些宇宙學理論研究，包括宇宙微波背景輻射不均勻性的理論計算、以中微子星解釋部份黑暗物質、黑暗能量的模擬及早期宇宙物理性質的研究等。


宇宙論的新世紀

那究竟黑暗物質是甚麼？它們如何分佈？黑暗能量又究竟如何產生？黑暗能量及黑暗物質遵從怎樣的物理定律？科學家驚覺我們大致熟悉的物質和能量，只是宇宙中微不足道的一小部份。我們基本上完全不明白宇宙大部份的物質及能量！人類對自然探索了那麼多年，竟處於比瞎子摸象更尷尬的境況！諷刺的是，科學家放眼到宇宙最深遠之處，才發現我們是如此無知。


然而，這倒令科學家興奮！正如其他重大的科學發展一樣，宇宙學的新發現引發更多的疑問，打開更多研究領域的大門，促成更多更新鮮、更意想不到的發現。沒有人知道明天的宇宙觀是什麼模樣，但肯定的是，關於天文及宇宙的理論仍會繼續使人著迷，激盪人類的思考。

Answer 2

宇宙論的定義就是:舉凡跟宇宙的誕生起源、還有它的演化、還有今天的狀況、以及未來的命運……等等的研究，我們都叫它是宇宙論。

Answer 3

今天我主要要跟各位講的大概就是做一個簡單的介紹，主題就是現代宇宙論。為什麼叫它是「現代」宇宙論，甚至於不叫它是「近代」，現代比近代更近，理由我會在第一個部分，簡介的部分來跟你說明。基本上我把我要講的東西分做三大部分，最後有一個簡單的總結。第一部份會介紹宇宙論千年來的主要的發展，為什麼我們現在叫它是現代宇宙論？到底什麼是屬於現代宇宙論的範疇？從什麼時候開始，人們開始對現代宇宙論開始感到興趣，中間到底是什麼造成這個分水嶺？　　在第二個部分，其實宇宙論在現代這個階段，已經從以前早期哲玄學的範疇推演到近代所謂的實驗科學，它裡面有很多的模型，有很多以前哲玄學的想法，關於整個宇宙大尺度上的一些想法，關於時間空間的一些想法，我們現在實際上已經可以用一些觀測的數據、科學的方法來加以驗證。比如說：宇宙到底有多大？宇宙有沒有邊際？所以第二部份就是告訴你，宇宙學到底有什麼樣的觀測數據能夠拿來當作是科學的證據，以證明或反證宇宙學的裡面一些模型及理論，它為什麼已經不再是哲玄學，就是因為我們已經可以用一些觀測的數據和科學的方法來驗證宇宙學裡面的一些理論，哪些東西是看的到？可以用來驗證宇宙學，我會在第二部分做一個簡單的說明。　　第三個部分當然就是跟各位簡單的講一下，宇宙學未來的還有現在的一些發展趨勢，主要是一些未來的發展趨勢。宇宙學即使在過去主要十年來、十五年來觀測上有很多重大突破和發現，我們仍然預期在未來的大概五年到十年會有一些重大的發現，那些重大的發現跟突破，目前所預期可是還沒有達到的這些目標，我會在第三個部分來跟各位做一個說明。最後會給你一個簡單的結論。 參考資料http://www.math.ntu.edu.tw/student/graduate/talk/2002/Modern_Cosmology.htm