天 文 新 知|
當 愛 恩 斯 坦 在 1913 - 1915 年 發 表 了 廣 義 相 對 論 之 後 ， 便 用 之 來 研 究 宇 宙 的 時 空 結 構 和 運 動 ， 是 首 位 探 討 這 個 問 題 的 科 學 家 。 愛 恩 斯 坦 在 1917 年 發 表 的 宇 宙 模 型 是 一 個 靜 態 、 均 勻 及 具 有 球 狀 對 稱 的 宇 宙 。 問 題 是 主 宰 宇 宙 的 引 力 ， 在 沒 有 外 力 的 抗 衡 下 ， 勢 必 導 致 物 體 速 度 的 改 變 ， 形 成 一 個 不 穩 定 的 宇 宙 。 當 時 科 學 家 並 不 知 道 宇 宙 正 在 膨 脹 ， 所 以 愛 恩 斯 坦 對 這 樣 的 宇 宙 模 型 並 不 滿 意 ， 故 特 意 在 廣 義 相 對 論 引 力 方 程 中 加 入 一 個 人 工 的 「 宇 宙 常 數 」 ， 這 個 常 數 的 作 用 ， 相 等 於 一 個 和 引 力 相 反 的 排 斥 力 ， 以 抵 銷 引 力 的 作 用 。 後 來 觀 測 結 果 發 現 宇 宙 原 來 真 的 在 不 斷 膨 脹 ， 愛 恩 斯 坦 對 自 己 的 畫 蛇 添 足 後 悔 不 已 ， 更 把 引 入 「 宇 宙 常 數 」 一 事 稱 為 「 自 己 一 生 中 最 愚 蠢 的 錯 誤 」 。 以 純 理 論 探 討 來 說 ， 我 們 當 然 可 以 保 留 這 個 「 宇 宙 常 數 」 ， 但 多 年 來 的 天 文 觀 測 結 果 ， 並 不 支 持 這 個 宇 宙 反 引 力 的 存 在 ， 所 以 科 學 家 一 直 假 設 這 個 常 數 為 零 。 假 若 引 力 是 唯 一 影 響 宇 宙 膨 脹 速 度 的 力 ， 在 引 力 的 牽 引 下 ， 我 們 當 然 會 認 為 宇 宙 的 膨 脹 速 度 應 該 會 不 斷 減 慢 。 這 就 是 為 甚 麼 當 來 自 柏 克 萊 的 天 文 學 家 在 1999 年 發 表 宇 宙 的 膨 脹 正 在 不 斷 加 速 的 論 文 時 ， 科 學 界 為 之 大 吃 一 驚 。 過 去 數 年 來 ， 其 他 的 觀 測 結 果 和 研 究 亦 支 持 這 個 不 可 思 議 的 現 象 。 支 持 宇 宙 正 在 加 速 膨 脹 的 第 一 個 證 據 來 自 對 Ia 型 超 新 星 的 研 究 。 這 種 超 新 星 在 爆 發 時 ， 最 終 都 會 達 致 相 同 ( 或 至 少 容 易 校 準 ) 的 固 有 光 度 。 但 觀 測 結 果 顯 示 ， 遙 遠 的 Ia 型 超 新 星 的 固 有 光 度 ， 比 近 處 的 同 類 型 超 新 星 暗 20% 。 這 個 觀 測 結 果 很 容 易 以 宇 宙 膨 脹 速 度 增 加 來 解 釋 。 假 若 宇 宙 的 膨 脹 正 在 加 速 ， 那 麼 這 些 超 新 星 遠 離 我 們 的 速 度 將 會 不 斷 加 大 ， 它 們 和 我 們 的 距 離 當 然 會 較 膨 脹 速 度 不 變 或 減 慢 的 情 況 為 遠 ， 結 果 超 新 星 的 光 度 自 然 會 較 預 期 的 暗 。 當 然 ， 天 文 學 家 亦 曾 考 慮 其 他 的 可 能 性 ， 例 如 星 際 塵 埃 亦 會 減 弱 遙 遠 的 星 光 。 可 是 沒 有 一 個 解 釋 能 獲 得 觀 測 數 據 的 支 持 。 更 重 要 的 是 ， 在 過 去 兩 年 天 文 學 家 發 現 不 少 證 據 ， 證 明 我 們 確 實 活 在 一 個 膨 脹 速 度 不 斷 增 加 的 宇 宙 中 。 從 研 究 Ia 型 超 新 星 及 「 威 爾 金 森 微 波 各 向 異 性 探 測 器 」 (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP) 的 觀 測 數 據 所 知 ， 宇 宙 大 約 由 30% 的 普 通 物 質 ( 包 括 可 見 和 不 可 見 物 質 ， 天 文 學 家 稱 宇 宙 中 不 可 見 的 物 質 為 「 黑 暗 物 質 」 ) 以 及 70% 稱 為 「 黑 暗 能 量 」 的 神 秘 成 分 所 組 成 ， 而 宇 宙 中 發 光 因 而 可 見 的 部 份 只 佔 微 不 足 道 的 5% 。 換 言 之 ， 不 同 的 研 究 和 觀 測 數 據 皆 表 明 ， 現 時 宇 宙 中 大 部 份 的 能 量 密 度 很 可 能 隱 藏 於 虛 空 之 中 ！ 黑 暗 能 量 其 實 很 可 能 就 是 愛 恩 斯 坦 在 1917 年 在 引 力 方 程 中 加 入 ， 但 終 被 拋 棄 的 宇 宙 常 數 。 我 們 當 然 不 甘 於 單 單 把 黑 暗 能 量 等 同 於 宇 宙 常 數 ， 對 科 學 家 來 說 ， 更 重 要 的 是 要 對 黑 暗 能 量 的 來 源 找 一 個 合 理 的 物 理 解 釋 。 最 有 趣 的 看 法 是 黑 暗 能 量 來 自 真 空 能 量 ， 且 讓 我 細 細 道 來 。 根
據 量 子 力 學 ， 虛 空 其 實 並 非 真 的 空 無 一 物 ， 而
是 會 不 斷 隨 生 隨 滅 大 量 的 虛 粒 子 對 。 真 空 會 無
中 生 有 ， 好 像 破 壞 了 物 理 學 最 基 本 的 能 量 守 恆
定 律 ， 但 在 量 子 力 學 的 世 界 裡 ， 只 要 「 借 來 的
物 質 或 能 量 」 換 言 之 ， 不 可 以 把 真 空 能 量 視 為 零 ， 這 種 能 量 可 視 為 一 種 引 力 源 。 特 別 的 是 ， 這 種 「 引 力 」 就 好 像 液 體 一 樣 有 負 壓 強 ， 產 生 的 排 斥 力 相 類 於 宇 宙 常 數 。 負 壓 強 令 宇 宙 膨 脹 不 斷 加 速 ， 就 有 如 從 觀 測 Ia 型 超 新 星 所 得 出 的 結 論 一 樣 。 雖 然 宇 宙 常 數 的 引 入 能 極 好 地 解 釋 現 有 的 觀 測 數 據 ， 但 科 學 家 仍 努 力 尋 根 究 底 ， 探 討 其 他 類 形 的 黑 暗 能 量 ， 更 提 出 了 數 個 不 同 黑 暗 能 量 來 源 的 可 能 性 。 除 了 宇 宙 常 數 外 ， 我 們 也 有 很 多 原 因 去 考 慮 利 用 動 態 黑 暗 能 量 來 解 釋 宇 宙 的 加 速 膨 脹 。 首 先 或 許 亦 是 最 重 要 的 ， 以 物 理 學 來 說 ， 以 動 態 黑 暗 能 量 來 取 代 宇 宙 常 數 在 邏 輯 上 是 有 一 定 道 理 的 ， 這 些 理 論 亦 可 以 觀 測 來 驗 證 。 此 外 ， 把 真 空 能 量 重 新 假 設 為 零 亦 符 合 不 少 科 學 家 的 祈 望 ， 除 非 事 非 必 要 ， 我 們 仍 不 想 放 棄 對 真 空 的 傳 統 理 解 。 或 許 對 科 學 家 來 說 ， 最 有 趣 的 是 ， 若 在 引 力 公 式 中 ， 以 一 個 動 態 場 取 代 一 個 常 數 ， 是 否 就 能 免 去 精 細 調 節 這 個 常 數 的 麻 煩 呢 ？ 解 釋 黑 暗 能 量 最 簡 單 的 物 理 模 型 ， 是 一 個 單 一 而 緩 慢 滾 動 的 純 量 場 ， 有 時 稱 為 真 空 場 。 當 場 本 身 在 緩 慢 改 變 時 ， 純 量 場 的 勢 能 對 宇 宙 的 影 響 就 仿 如 宇 宙 常 數 。 除 了 真 空 場 模 型 外 ， 科 學 家 亦 提 出 其 他 解 釋 黑 暗 能 量 的 理 論 ， 這 些 模 型 建 基 於 不 同 的 物 理 理 論 或 假 設 ， 例 如 超 對 稱 規 範 理 論 、 超 重 力 、 增 加 一 些 小 或 大 的 空 間 維 數 、 量 子 力 學 在 彎 曲 時 空 的 影 響 等 等 ， 這 些 理 論 模 型 ， 返 本 溯 源 ， 其 實 背 後 都 假 設 存 在 著 一 個 特 性 類 似 於 宇 宙 常 數 的 無 質 量 純 量 場 。 當 然 亦 有 些 黑 暗 能 量 理 論 模 型 並 未 引 入 純 量 場 的 觀 念 ， 其 中 一 個 假 設 是 「 實 」 黑 暗 物 質 的 存 在 ， 這 些 物 質 可 以 是 糾 結 的 宇 宙 弦 網 絡 或 區 域 牆 。 亦 有 人 提 出 黑 暗 物 質 粒 子 的 質 量 會 隨 宇 宙 膨 脹 而 增 加 ， 所 以 它 們 的 能 量 會 較 普 通 物 質 有 較 低 的 紅 移 量 。 無 論 如 何 ， 這 些 假 設 對 宇 宙 所 造 成 的 結 果 非 常 複 雜 ， 暫 難 以 仔 細 分 析 ， 科 學 家 仍 需 努 力 。 或
許 有 一 天 ， 讀 者 們 能 進 入 物 理 世 界 的 堂 奧 ， 為
我 們 解 決 黑 暗 能 量 以 及 宇 宙 成 份 之 謎 。
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