甚麼是宇宙學?

The Hubble eXtreme Deep Field
The Hubble eXtreme Deep Field

宇宙學不是天文學

相信很多人大概都知道或學過一些簡單天文知識,好像九大行星(好像改了成八大行星,不管了),知道甚麼是星系、恆星(其實我比較喜歡英文的叫法: galaxy, stars, planets 比起中文甚麼也叫星清楚得多),亦起碼有宇宙這個概念。可是一般人大都不明白甚麼是宇宙學,最多只聽過 Big Bang Theory 、霍金,普遍也認為宇宙學是天文學的分支——小弟當年也是,所以起初報讀錯了物理加天文學課程。

其實兩者有很大差別,天文學主要係研究恆星、星系,行星這些相對規模較小的東西;宇宙學的研究對象是整個宇宙,探索它的結構、起源和演進過程。當然兩者有重疊,關聯的地方,但其實在大部份範疇,宇宙學與理論物理/粒子物理學 (particle physics) 反而更接近(聽過 LHC 吧?),宇宙學亦包括研究相對論在極端情況下的正確性,探討相對論以外的可能性。

現行之模型

宇宙學建基於愛因斯坦的相對論 (General Relativity) ,而目前為止最成功的模型是 ΛCDM 模型, Λ 代表宇宙常數/暗能量 (Cosmological constant/Dark Energy) , CDM 代表暗物質 (Cold Dark Matter*)。 ΛCDM 這個名字簡單表述了我們宇宙的構成,而宇宙的演進過程(dynamics)則根據廣義相對論進行。站於門外漢的角度,以下是本人聽過最貼切的比喻: (credit: Dr Clare Burrage)

簡單翻譯一下:就我們所知,宇宙的演進與焗麵包/蛋糕很相似,隨(烤焗)時間膨脹,不同的材料,成份會導致完全不同的結果。簡單而言,我們身處的宇宙的組成主要可以分為三大類別:宇宙常數/暗能量 (Cosmological Constant/Dark Energy) 、暗物質 (Cold Dark Matter) 和我們平常在地球,太陽系接觸到或現在物理學所認知的東西 (Normal Matter) 。

物質 (matter) 就好比麵粉,會互相吸引,黏在一起,組織成不同結構、紋路。暗物質和普遍我們認知,日常接觸到的物質相似,同樣受地心吸力影響。只是它基本上有如毒男(包括小弟),不與任何東西包括光產生作用,所以我們只能從它們重力的影響間接推論它們的存在。而暗能量就好比酵母,令空間膨脹,使麵粉間出現氣泡。與烤製麵包/蛋糕一樣,大部份的情況下也只會得出垃圾,只有特定的組成比例才可以孕育出如我們所見的宇宙。

另外也探討(觸及)一些由古至今一直困擾我們身為人類的哲學問題,好像宇宙的起源。可是有別於烤焗,宇宙只有一個,我們不可能像烤製麵包/蛋糕般,不斷製造不同宇宙出來做實驗。我們只能透過精確的觀察來間接推論宇宙的歷史、演進,這是宇宙學與天文學獨有的難處,不過某程度上亦是我愛上宇宙學的原因(因為我很討厭做實驗)。

有空再談。

*不明白或覺得這些詞彙怪異是正常的,因為連我們物理學家都不知道它們是甚麼。不過請不要 FF 完或代入科幻小說的解說而以為自己明白。

Godfrey Leung

生於香港,有幸在劍橋待過一個寒暑,閒時研究物理/宇宙學,憂心香港未來的「業餘足球員」,曾經夢想成為另一個湯川教授。沒有親身見過喬布斯,但至少與霍金有過一面之緣。現實:英國劍橋大學數學系碩士、英國諾定咸大學物理系博士,曾為南韓APCTP博士後研究員,主修宇宙學。Blog: www.godfreyleungcosmo.wordpress.com