主宰宇宙的黑暗勢力 (Dark force of the universe)

(Cover Credit: Star Wars)

“The Force will be with you… always.” (引述自《星球大戰》電影系列)星戰系列又來了,Star Wars: The Last Jedi 剛剛上年底上映了,大家有沒有去戲院「朝聖」呢?(小弟雖然貴為一介科學界中的小螺絲,但本人其實並不是科幻小說/電影的狂熱份子,本人對星戰系列興趣不大)

小時候看卡通片或電影,永遠都是邪不能勝正,光明必定最終打倒黑暗這套王道故事設定結局。不過這價值觀看來在我們的社會不大適用,尤其在強國/小人當道的XX世界。但原來不止如此,更甚的是連我們身處看似「客觀公平」、浩瀚無垠^的宇宙也不奉行這套價值觀,此刻真正在統治世界的其實並不是你和我這班微不足道的人類,亦不是恆星、星系、光甚或一切現時物理學所熟識的東西,而是一股黑暗的「邪惡」能量 — 暗能量(dark energy)喔!

^宇宙是無垠與否正確說其實沒人知道。愛因斯坦也說:「有兩件事情是無限的,這宇宙與人類可以有幾愚蠢。我不太確定前者。」(“Two things are infinite: the universe and human stupidity; and I’m not sure about the universe.”)

 

宇宙在膨脹中,但是以甚麼速度?

加速抑或減慢中?

 

不少人也聽說過大爆炸理論,知道我們宇宙起初是由無限細、密度無限大的一點「爆出來」(其實說法不對,因為相對論在接近如黑洞中心這類重力如此龐大,如此極端情況下的奇點(singularity)時會失效,不能夠再正確描述現實物理狀態為何。所以正確說法是沒人知現實應該為何。詳細有機會下次再詳談),而且不停膨脹中。可是你又知不知宇宙正以甚麼速度膨脹中?演化過程中膨脹速度又有沒有改變過?

(Credit: NASA and ESA)

宇宙的膨脹速度其實並不是固定永恆不變,而是取決於它本身內含各種不同「物質」各自的特性和它們佔宇宙整體能量密度的百分比多少。不同幾何結構,不同組成成份的宇宙它們的演化可以很不同,有些可能膨脹速度會隨時間減慢甚至到後來變為收縮;有些則可能一直不停地加速膨脹,如上圖般。

根據觀察結果和現時宇宙學的公認標準模型,其實宇宙膨脹速度一直都在改變中,過去在很早期還曾經以超光速膨脹*(根據暴脹論 cosmic inflation)過!那宇宙現時膨脹過程在加速還是減慢中呢?如果簡單用牛頓萬有引力去看,重力作為吸引力,而且影響範圍無限遠,所有物質都會感受到同樣般的重力,如此推論,宇宙膨脹速度只有可能不變或變得愈來愈慢。宇宙內裡物質質量足夠大的話,膨脹甚至會轉方向變為收縮,最終導向宇宙大崩塌(Big Crunch),變回一點密度無限大的奇點。不過事實又是不是這樣簡單呢?

*這裡超光速膨脹沒違反相對論,因為相對論說的是物質與訊息的傳遞速度上限為光速,但時空的膨脹速度不在此限

 

宇宙其實不只在膨脹中,它還在加速膨脹

 

(Credit: quickmeme.com)

上世紀在愛因斯坦發表廣義相對論時,因當時主流觀念影響,他起初堅信宇宙是靜止不動而不是在膨脹/收縮中。當然大家也知道後來結果是一班以費德里曼(Alexander Friedmann)等為首苦心鑽研宇宙在相對論框架下如何演化的一眾物理學家他們提倡宇宙在膨脹中這套主張才是對的,並且經天文學家哈勃(Edwin Hubble)等透過觀察星系紅移驗證。

與牛頓萬有引力的重力理論不同,相對論需要同時考慮時空本身的幾何結構與物質的能量和壓力密度,能令重力變成排斥力的物質/時空結構在相對論框架下理論上是存在的。雖然如此,但絕大部分物理學家所認知和觀察到的物質(除了一種叫真空能量vacuum energy的東西)它們的特性都不屬此類,直至上世紀未前,亦未有觀察結果指宇宙膨脹速度有加速的跡象。所以一般相信宇宙的膨脹速度是會逐漸減慢,而且有機會變為收縮甚至最終大崩塌,就如用牛頓萬有引力推論般。

不過在上世紀90年代,天文學家舒密特(Brian P.Schmidt)利爾斯(Adam G.Riess)等率領研究超新星的團隊透過觀察Ia型號超新星(type Ia supernova ),發現在我們「附近」 — 宇宙紅移(cosmological redshift,z)很小並小於1(這裡指的「附近」是相對於宇宙宏觀大尺度,紅移 z~0.1其實等於差不多十億光年上下的距離喔!在宇宙學上這叫低/小紅移,不過天文學中他們會叫「高」紅移,這某程度上道出了宇宙學與天文學的分別),亦即是宇宙時序上屬近年的星系根據多普勒效應(Doppler shift)推算出的遠離速度和距離並不是簡單線性關係。這些超新星的光度亦比身處於一個減慢膨脹中宇宙的超新星光度暗,觀察結果似乎指向一個加速膨脹中的宇宙,如以下圖表所表達般。Ia型號超新星是一種有標準模型,由一顆位處雙星系統(binary system)中的白矮星(white dwarf)因為與系統中另外一顆星體合併而誕生,光度足以媲美一整個星系,而且屬於標準燭光(standard candle)#的超新星。

(Credit: University of Alberta, https://sites.ualberta.ca/~pogosyan/teaching/ASTRO_122/lect30a/lecture30a.html)

及後亦有更多獨立、不同類型用其他大尺度結構如宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background, CMB)重子聲學振盪(baryon acoustic oscillations, BAO)等觀察結果推論出的模型同樣指向宇宙正在加速膨脹中這個結論,確立了宇宙現時充斥著一種會令膨脹加速叫暗能量的宇宙學標準模型。上面提到涉及Ia型超新星那宇宙學發現後來在2011年獲頒發諾貝爾物理學獎。

#標準燭光是天文學一術語,與蠟燭無關。這詞彙是指一種我們知道它理論上本身有多光,可以用來與測量光度對比從而推算出它距離我們多遠的天體

那暗能量是甚麼?

 

好啦,說了這麼久,你或許會問那究竟暗能量是甚麼?很老實說,其實沒人知答案,對這東西物理學家知道的甚至比暗物質更少。這個詞只是宇宙學家對一種會導致現在宇宙加速膨脹,由早期減速中變成「近年」加速(如下圖)那東西的統稱。名字叫做「暗」能量,某程度上代表物理學家其實不大知那東西是甚麼,「暗」物質(dark matter)亦然⋯當然,暗能量之所以稱「暗」,也是因它與暗物質一樣和光或其他已知物質好像組成原子的重子沒甚麼相互作用,不會自己發光,我們暫時只是靠天文/宇宙學涉及重力的間接觀察知道它們的存在。

(Credits: University of Oxford, http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/dark-energy.html)

雖然同樣稱「暗」,「看不到」,不過暗能量與暗物質很不同。宇宙/物理學家之所稱暗能量作「能量」,是因為這東西的特性與所有已知物質(包括暗物質)完全不同,用標準流體去模擬它們在宇宙大尺度上的分佈時,暗能量的壓力密度和能量密度有下面的關係

這裡w叫狀態方程(equation of state)。根據相對論,能夠令重力變成「排斥力」,令宇宙加速膨脹w必須要少於-1/3,亦即以上暗能量的特性。由於這特性非常獨特,與我們對物質的認知很不同 (普通非相對論性non-relativistic物質,如溫度很低、運行得慢的氣體/粒子,w=0,暗物質亦屬此類; 光那類相對性的物質,w則為1/3),為了強調並區分所以宇宙學家叫暗能量作「能量」。理論上,最「簡單」能夠解釋並乎合暗能量特性的是宇宙常數(cosmological constant, Λ,一樣愛因斯坦自認為(好像是)自己一生最大錯誤的東西。愛因斯坦自認很錯是因為他原本加這東西進模型的目的是為了令宇宙靜止不動,一個後來被證實為錯的觀念。宇宙常數是一種充斥在時空中任內角落,能量密度不會隨時空膨脹/收縮而改變,與真空能量有密切關係的東西。因為模型「簡單」,參數只有一個,所以宇宙常數亦是暫時宇宙學標準模型ΛCDM對暗能量的「公認」解釋。這裡小弟強調「簡單」和「公認」是因為宇宙常數這解釋其實會帶來更多問題,宇宙學上統稱叫宇宙常數問題(cosmological constant problem),例如與用量子場學推算出來的真空能量數值差天共地(觀察數值和理論差10^-120倍)等等,有興趣了解多些可以看看以下短片(英文),下次有機會再詳談這個困擾著宇宙學家的問題

 

其他有可能解釋到暗能量是甚麼的還包括「第五元素」(Quintessence)改良重力模型(modified gravity theories)具質量重力理論﹙massive gravity﹚或大尺度空洞模型(big void models),不過這些模型一樣有各自的問題(當中尤以空洞模型的問題最大),而且亦未有觀察證據證實他們存在。暫時暗能量是甚麼仍是現代物理/宇宙學未解的最大疑案之一,宇宙的未來會怎樣還是一個未知數喔!(PS: 「第五元素」不是指化學/五行元素,與那科幻電影無關。這裡指的是一種會產生有別於重力、強核力、弱核力、電磁力的第五種力的物理純量場 scalar field

“May the force be with you”,今次說到這裡,下次有機會再談。

 

PS: 其實在理論物理學上愛因斯坦加入宇宙常數根本沒錯,即使如果後來沒有發現宇宙加速膨脹也是如此說。因為理論物理學設計理論模型時最重要的準則是理論的對稱性(symmetry),任何乎合對稱性的數項都應該加進理論模型中。廣義相對論模型的核心為微分同胚(diffeomorphism)這對稱性,宇宙常數是僅有少數簡單兼且乎合這對稱性的數項。

 

引伸延讀:

[1]《Dark energy and the Big Rip》by Sixty Symbols(英文短片)https://youtu.be/IJYDcXZMe9c

[2]《We have no idea: a guide to the unknown universe》 by Jorge Cham and Daniel Whiteson

[3] http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=newscan&id=472

 

原文:

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