http://asweb.asiaa.sinica.edu.tw/modules/news/article.php?storyid=270宇宙學,相當年輕的一門科學,試圖重建的卻是,從起初到現在,橫跨數十億年之久的宇宙歷史。要回頭望向那麼遠的時間彼端,除了本身困難重重以外,雪上加霜的問題更在於,架構起宇宙學的主幹理論,許多都是近20年以內才獲得人類認知發現的,這毫無疑問讓問題難上加難,因為,20年的時間,實在太短,不夠讓科學家和理論家取得各種細節或者充分理解全盤情況。
最近,曾為宇宙「暗能量」命名的知名宇宙學家Michael Turner,在一場演講中對媒體表達了他個人對於近期宇宙學發展現況的看法:「要不,我們應該會發現一些重要的新物理學,否則,就準備在現今大家已普遍接受的宇宙觀中,找到一個致命的缺陷。」
如此說來,現在的宇宙學家該做什麼?能再向極限挑戰一步,使它從理論走上科學,而讓我們對宇宙,至少能終於有點初階的認識了嗎?現擔任芝加哥大學Kavli宇宙物理研究所所長的Turner教授(最早,「暗能量」一詞是由他創造的),在2010年11月中旬的美國科學作家協會會議中,發表了他對宇宙學領域前四大可能新發現的未來展望,但願不久的未來,這些將會一一實現:
願望 # 1: 搞清楚暗物質
「我認為我們已經非常接近揭開暗物質謎底的那一天了。當有那麼一天,每個人真的意識到,原來,我們這個世界上的物質,和組成宇宙的大多數物質,是截然不同的兩種東西,那將是大大令人驚異、天翻地覆的一件大事」。
以目前宇宙學家所觀測到的來講,是暗物質,將宇宙湊在了一起。但是,暗物質,它既不會產生電磁輻射,我們又不能看到它,怎麼知道它存在呢?你可以這麼想:「星系需要被聚集在一處,星系團也需要被聚集成一團,事情就是這麼的簡單,然而你把所有恆星的質量都加總,重力也還不夠維持一個星系能聚集在一起。」這是Turner教授的簡單版說明。
還有,你也可以這麼想:暗物質就像在戶外,一棵掛著裝飾燈的聖誕樹,從遠處,我們只能看到五光十色的燈光,但其實把小燈泡撐架起來,給予它們形狀的,卻是那棵我們看不見的樹,更有詩意的說法,宇宙就像是「撒開暗物質為網,綴以點點星光」。
Turner教授對未來10年做了一個大膽預測:「我們即將進入以暗物質為主題的十年- 暗物質即將被搞清楚,我們很快就會有答案。」
子彈星系團中的暗物質。此圖顯示,除非利用背景星系的重力透鏡加以觀測描繪成形,否則望遠鏡根本不可能看見暗物質。圖片來源: X射線: NASA/CXC/CfA; 重力透鏡圖: NASA/STScI; ESO 可見光: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona
願望#2 搞通暗能量的性質
暗能量可能是當今宇宙學最深奧的一個問題,這是Turner教授10年以來多方觀察後的認真結論:「如果我們說宇宙是靠暗物質才得以聚集結合在一起,那麼,「暗能量,更是宇宙命運的掌控者。」
這估計構成了宇宙66%的暗能量,最初,是怎樣站上舞台的呢?1998年,天文學家意識到,宇宙膨脹的速度,非但不是照當時主流觀點之預期,逐漸趨緩,反而膨脹的速度隨時間推移,愈來愈快,於是暗能量的存在,才從理論方面開始,獲得了一些注意。
若要問到,當前我們對暗能量理論上的認識是什麼?答案應該會是:毫無所悉。但是,對Turner教授而言,非要來一個大膽的假設不可,他說,「我會寧可發現它不僅僅只是一種真空能量。在數學上,真空能量即相當於愛因斯坦的宇宙常數,我希望我們能發現的這種東西,是一種比一無所有更加怪異的能量。當然這完全沒有解決任何問題,但對年輕一代卻是一個好禮物,因為科學必須有大題目,他們需要一點可以開始的線索,一個夠大的假設,好讓他們可以全心投入去研究。」
對理論學者而言,暗能量是個大問題,也是個大機會,更是橫霸未來十年的幾個大問題之一,但相對於暗物質,十年內能不能解開這一道難題?Turner教授的態度保守了許多。
願望# 3:藉由B型極化的發現確認宇宙暴脹
目前為止,用來解釋宇宙最早發生了什麼事情的最佳理論,就是暴脹。在大霹靂後的遠小於一秒鐘的短暫時刻,宇宙似乎呈現指數型的擴張。藉由高精確度的測量所謂的宇宙微波背景輻射B-Mode,將可以提供「重力輻射是由暴脹產生」的證據,並且也將能檢驗,先前以簡單模型預測過的暴脹規模,是否正確。
B-Mode將會成為活生生、證據確鑿的暴脹的證明,它也將能夠說明所有的結構從何而來 - 量子力學亞原子尺度上的波動,就是被這個巨大的擴張所引發的。只要一個方程式,我們就可以計算出暴脹是在什麼時候發生的,這真是個了不起的想法。你會注意到我們每個人談暴脹,都不會告訴你暴脹發生的時間點,因為沒有人知道。但未來B-modes上的發現將會為我們說明清楚。
願望#4。多元宇宙,消失吧。
如果真有暴脹,這也就意味著,某些地方,還有許多個宇宙。
多元宇宙的概念就像是「房間裡有隻500公斤的大猩猩」(意思是:明明可見,卻人人迴避),它把我們拉進了一個困境:我們既然有證據顯示暴脹曾經發生,而寫出一個暴脹方程式的意思也正表示著,如果它發生過一次,它也會發生兩次,有點像老鼠和餅乾 - 有一就有二,有二就有三…換言之,宇宙的暴脹,可能已發生過無數次。
多元宇宙的推論是,萬事萬物皆由多元宇宙或平行宇宙組成,也就是說,不只是獨有我們這麼一個「地區性」的宇宙存在著。如果有一個多重宇宙的架構,並且如果你願意將這個架構再和弦理論配搭成雙運用,最後你會得到的結論是,宇宙中可能有許多不同的物理,法則也因地而異,各個次宇宙之間,彼此可能都大大不相同,且不同到一種難以想像的程度 - 有些根本不具備穩定的粒子,許多宇宙中毫無生命…諸如此類,從空間到時間,各方面都全然迥異。這個想法大膽得令人難以置信,甚至有可能是繼哥白尼之後最重要的突破性想法。
但是,下一個問題隨之而來-宇宙學大師已為我們預備好了:「你怎麼驗證這樣的想法呢?而如果你空有理論,又不能檢驗,它就不能稱之為科學了。」所以,多元宇宙論為宇宙學者帶來的是個「多元宇宙型頭痛」 - 你有個非常了不起的重要想法,但另一方面,你卻連它是否還算是個「科學」都不再能肯定的回答說「是」。
所以最後,結論會像什麼呢?或許,還是一隻大象。關於宇宙學,最後我們恐怕得以瞎子摸象的寓言故事收尾。
Turner教授說:「我們是群盲人宇宙學家,每個人都想感知到,宇宙究竟為何物,每一塊手中的數據都描述著一部份事實,同時卻還有更多大問題有待回答,宇宙非常的大,以至於相形之下,我們的能力顯得如此的原始。」不過,鑑往知來,回頭看看,過去一路走來,我們也完成了這麼多事情。從事宇宙學研究的人正試圖把每塊拼圖都湊在一起,未來10-15年內,我們真有可能把它們全拼湊起來,呈現全貌。那絕對是相當驚人的事情。(Lauren譯)