simon81620 2012-7-30 22:53
宇宙學家的四個大夢
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。<br />
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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。」<br />
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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：<br />
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願望 # 1: 搞清楚暗物質<br />
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「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」。<br />
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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。<br />
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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」。<br />
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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。」<br />
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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<br />
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願望＃2 搞通暗能量的性質<br />
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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。」<br />
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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。<br />
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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。」<br />
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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。<br />
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願望# 3：藉由B型極化的發現確認宇宙暴脹<br />
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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。<br />
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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。<br />
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願望＃4。多元宇宙，消失吧。<br />
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如果真有暴脹，這也就意味著，某些地方，還有許多個宇宙。<br />
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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。<br />
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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。<br />
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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」。<br />
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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。<br />
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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。