迷樣的暗能量 前言 自古以來人類就不斷的去追求這世界的真理和答案，如同希臘時代的哲學家討論世界的元 素一樣，說到宇宙是由土壤、空氣、火和水組成。但是一但提出新的理論的時候，往往會 發現一些問題是無法解決的，然後「聰明」的人類總是會給予他一些新的東西去解釋一些 沒辦法解決的問題，如同希臘時代的哲學家無法解釋為什麼月亮不會像地球上的物質一樣 掉落地表（當時他們就已經知道月亮是繞著地球轉的），然後給予第五元素去解釋這種不 合理的現象，但是經過許久的時間，經過哥白尼和伽利略等人的努力，和最後牛頓的解釋 ，終於解決的許多天文上原本不能解釋或是錯誤的東西，可是時間一久，跟著時代的進步 ，慢慢知道恆星的質量等問題的時候，不免會發現更多不能解釋的問題，然後需要更多的 天文學家和物理學家的配合才完成更多的理論解釋，如同恆星為何不會受到重力的塌縮變 成一個點的問題，也經歷過一段時間才解決，不是一開始就知道答案的。 時間慢慢久了，人類的知識隨著時間長進，而人類的智慧是否有跟的上呢？因為當人類知 識進步的時候，以為已經懂了更多的東西，這時候往往才是發現更多問題的時候。爆炸性 理論---相對論，在二十世紀的時候打開天文和物理的一個大門，將人類的知識史上又增 進了全新的一頁，廣義相對論的出現更給予宇宙論模型更好的解釋和呈現，可是卻又帶給 這世界更多的問題，更不用說後來的量子重力場論的出現，單純理論之間的衝突就給予天 文學和物理學許許多多的問題。而天文學上出現的問題多樣化也很有趣，而且有許許多多 的問題到現在一樣是沒有很好的解釋和答案，一切如同第五元素一樣的假設，不知道哪天 會被未來的人類推翻和解釋？ 宇宙的神秘性依然保持著希臘時代那種神秘感，不會因為歷史的演進和知識的進步而失去 ，黑暗物質和黑暗能量將是這些神秘的最代表性問題，無論是發現的過程或是更多無解的 疑惑，更是令天文學家頭疼。而這兩者之間的黑暗能量所帶來世界的疑問更是神秘，而這 篇文章將試著給各位解開神秘面紗背後的真相。 超新星的觀測 哈伯常數的觀測和研究一直是尋找宇宙年齡的重點研究項目，在不斷改進距離的觀測法的 時候，恆星演化給予了一個新的觀點，就是雙星演化會因為互相的物質吸附機制，讓所有 的雙星演化的超新星爆炸所發出的能量和能量變化會是一個相似的值，這個發現提供了良 好的「標準燭光」，我們稱他為Type Ia的超新星爆炸，所以許多研究團隊也因此展開一 連串對超新星爆炸的觀測。 超新星宇宙學工程(SCP)和High-Z超新星團隊在做超新星爆炸的距離觀測和紅位移的時候 發現一個令人震驚的事情，原本一直以為現在在等速膨脹的宇宙，竟然是在加速膨脹，這 個發現將對宇宙論有重大的衝擊，因為宇宙是充滿著物質的宇宙，互相有吸引力才對，若 是發現宇宙在減速膨脹還說的過去，竟然現在發現他是加速膨脹。 宇宙持續膨脹這點十分的不尋常，在大爆炸理論中宇宙膨脹是可以理解的事情，宇宙中存 在著物質和輻射能這是我們知道的，而物質包含暗物質也是知道的，在宇宙膨脹的一開始 ，因為密度高的關係，曾經輻射能主宰著一切，輻射能本身代表的就是一種向外的張力， 但是隨著宇宙的膨脹密度的變小，輻射能不再是主導膨脹的原因，而變成物質是主導膨脹 的主因，在這種情況下應該宇宙會因為物質的互相吸引而減速或是等速（等速是因為如同 宇宙抵達脫離動能一樣，不再被彼此間的物質吸引而不斷膨脹），所以說加速膨脹的宇宙 顯的不尋常。 說到這裡大家都會想起一位過世的偉人--愛因斯坦，他在他的廣義相對論中曾經放下一個 宇宙常數，因為他的廣義相對論的解將會給予宇宙一個收縮毀滅的型態，因為宇宙中的物 質彼此互相吸引的關係，因為愛因斯坦深信宇宙是穩定不變的，即使加上一個沒有物理解 釋的常數也沒關係。 但是這個宇宙常數在哈伯發現星系的紅位移提出宇宙膨脹理論的同時，也被愛因斯坦刪掉 了，然後愛因斯坦也公開認為這是他一生中犯的最大的錯誤，但是宇宙加速膨脹的事情發 現，給予了宇宙常數復活的機會，雖然說宇宙常數一開始的意義跟宇宙膨脹一點關係也沒 有，可是卻對用來模擬宇宙膨脹模型有很好的效果。這地方提一個提外話題，許多人穿鑿 附會說，是否愛因斯坦當時就猜對了？我想這一切只是巧合而已吧！也許是上帝開大天才 愛因斯坦一個玩笑。 宇宙的組成和暗能量的關係 Type Ia的超新星爆炸剛剛說過，可用來研究以時間為函數的宇宙膨脹。在觀測證據中， 超新星爆炸顯示出的紅移變化，顯示了宇宙正受不明的拉力而加速膨脹，就如同從樹的年 輪中可看出地球長期的氣候變化。這時候天文學家和物理學家提出了一個新名詞-暗能量 ，這新名詞的出現顯示著將來的理論物理學家和天文學家又有新的事情可以忙碌了！後來 我們透過宇宙微波背景輻射的微溫度起伏和大尺度的星系團觀測，和超星新爆炸的哈伯常 數觀測結論，定下暗物質的量，發現暗能量與臨界密度的比值說明了暗能量佔宇宙組成的 2/3重大結論，引發許多的討論。 宇宙的臨界密度的研究開始後，大家就會開始去想到底我們這宇宙中所知道的物質到底和 臨界密度差多少？經過計算後發現，即使加上暗物質進去，所有的物質站宇宙的臨界密度 似乎好像只有1/3左右，這個問題疑惑了研究人員很久，是否是這宇宙就只有這樣的東西 ，或是有更多的東西沒被我們發現？幸好暗能量的發現給予了另外2/3的答案，但是卻又 丟給大家更多的問題，因為這宇宙內的東西總合是否真的一定等於臨界密度？也許不一定 要啊！ 這問題後來有人提出一種解釋，我們這宇宙如同一隻筆站立著，若是這隻筆不能不偏不倚 的站立，即使微小的偏左或是偏右，都會造成倒下的結局。他在說我們這個宇宙，若是組 成的結果跟臨界密度差太多，就會造成倒下的結局，就是說不會像我們現在這樣的宇宙， 雖然說現在的結論還沒很確定的定下來，因為數據結果說明很接近但是又不是說明就是， 但是這人大膽的說總合就是等於1，這麼完美的數字似乎不是巧合。 我們稱宇宙中的物質密度和臨界密度的比值為ΩM，然後稱宇宙中的黑暗能量和臨界密度 的比值稱為ΩΛ，然後寫下ΩΛ＋ΩM＝1這條有名的式子，短短的式子背後卻背上了許多 宇宙演化的意義和問題在裡面。至於現的研究，有SNAP衛星天文台能藉著重力透鏡效應， 測量天空的數以千計的遠距離超新星爆炸和定位數十萬的天球角度。由測量結果將可得到 過去的100億年詳細的宇宙膨脹歷史，並定義空間曲率以提供紅移的基本測試---驅宇宙大 尺度結構的演化， 其觀測結果還可以精確地測量宇宙的主要組成：ΩM和ΩΛ和暗能量的 行為和其演化歷史。 描述暗能量的重要參數----ω 為了方便我們去了解或是描述暗能量造成的現象，我們必須製造出一個模型去描述他！但 是我們的每天的接觸的都是一般的物質和能量，像是萬有引力有吸引力，所以很難想像相 反的重力是什麼樣，這使我們很難去思考。幸好廣義相對論給我們一個很好的想像，廣義 相對論對於重力的概念比較像將空間彎曲，如果給予空間一個壓力，因為空間是彎曲的， 所以物體的路徑和光的路徑就會改變，如果我們現在觀測到的重力一樣。這種概念我們就 先稱他為給予空間的壓力是正壓力好了，那麼負的壓力就是空間如同突起一樣，變成我們 所謂的反重力，這樣的概念讓我們很容易去建立模型，但是反重力怎麼來呢？我們如果說 一般重力是物質給予空間壓力，那麼也可以想像有一種「真空能量」在給予空間負壓力， 這就是一種暗能量的想法。 之前說到過，很多人認為暗能量是愛因斯坦的宇宙常數大復活，但是我認為一點都不是， 只是巧合。說到這就先說「愛因斯坦版的真空能量」，如果壓力是正的，重力是有吸引力 的；如果壓力是負的，重力則具有反向的排斥力。藉此，為了方便研究和描述，宇宙論研 究者將「壓力對能量密度」的比率以ω來表示，在正常的氣體之下，ω是正的，並且與溫 度成正比，但是在某些情況或是系統下，ω也可能是負的。如果ω小於 －1/3，重力就會 變成反向的斥力。從數學上來看，能量守恆定律要重新定義為「能量密度的變化率與ω＋ 1成正比」。在愛因斯坦那時代，他為了解是他的靜止宇宙的想法，他認為真空能量的密 度在定義上從未改變，所以「ω＋1」的總和一定是零。換句話說就是，ω必須等於－1， 因此壓力一定是負的，這樣愛因斯坦版的真空能量就定義出來了。 但是到了CMB（宇宙微波背景輻射）研究暗能量開始之後，對很多重要的宇宙學參數來說 ，開始可以提供很精確的測量結果。我們將CMB的觀測資料與超新星爆炸的資料結合來看 ，可以推出來ω的範圍：－1.2＜ω＜－0.8（ω for cosmological constant is－1；ω for matter is 0；ω for radiation is 1/3）。但是某些科學家指出，若要正確測量 ω的大小，必須結合觀測宇宙大尺度結構與CMB的微小溫度起伏，因為暗能量影響著宇宙 膨脹，而CMB的溫度起伏會因為暗能量的ω值不同而去影響宇宙大尺度結構的形成。從大 尺度CMB的溫度起伏與大尺度測量星系團的紅移資料中，可以得到ω值小於－1，而且必定 不等於－1，這就說明我們所觀測到的暗能量和愛因斯坦的真空能量一點關係都沒有，只 是恰巧可以用同樣的數學式子去研究而已。 Quintessence 對於ω值的大小，是目前研究暗能量的重要議題，然而各方說法不一，這將會是暗能量帶 給天文學上另一個新的疑問。但很幸運的是，真空能量不是產生負壓的唯一的方法。 另 一個方法與真空能量不同，是一種因空間和時間而變化的能量來源 ---稱之為「 quintessence」。 對「quintessence」來說，ω沒有固定值，但是必定少於 －1/3，才 能使得重力是排斥力。「quintessence」可以有很多形式。 最簡單的模型是一種量子場 域，它的能量變化十分緩慢以致看起來像恆定的真空能量一樣。 「quintessence」與「 inflaton」 主要差別是「quintessence」比「inflationa」弱得多。因為它負壓力不那 麼大，所以「quintessence」的加速膨脹的宇宙沒有像真空能量一樣強烈。 這樣奇特的場域將來自哪裡？有一種奇特的說法，這是在說「quintessence」可能可以用 額外維度的物理學去解釋，而在短期之內，宇宙論學者則將專注於是發現「quintessence 」的存在，它有可觀測的結果也許比較重要。因為它的ω值不同於真空能量的ω值，它可 產生不同的宇宙加速膨脹率。 經由觀測遠距離的超新星爆炸，可以更準確地區別這兩種 情況。目前已經有兩新天文台SNAP和LSST在研究解決這些議題。 量子重力場論的出現 在暗能量方面一直停留在描述上面，一直沒有一種可以解釋這種現象物理概念出現，即使 是廣義相對論的宇宙常數或是ω值一樣都是用來描述暗能量和宇宙論的關聯性，可是一直 沒有解決暗能量的物理意義，因為一直找不到反重力的理論，直到支持quintessence的物 理學家提出量子重力場論。 在量子力學測不準原理中提到過沒有東西是我們可以測準這種概念，這當然也包含了真空 下的能量是否為零這個重要的意義，既然測不準，真空的能量想必也不會安分的是零，而 是為在零這個點附近震盪，在正負值間排回，我們稱他為真空中的零點震盪。你可以想像 一下物質是個借貸狂，跟宇宙借貸能量然後產生正物質和反物質，然後接著又成對消失， 然後出現的時間我們可以利用測不準原理去推出來ΔE×Δt≧h/4π。然後重點來了，因 為物質和能量的互換關係，說明了要產生能量可以用質量去轉換，若是要產生質量的話， 勢必需要用能量去轉換，就是說若是真空狀態下若是要產生物質，就必須跟宇宙借貸能量 ，等待正反物質的接觸產生的能量去還給宇宙，這觀點很奇妙，因為這樣說明了宇宙將會 在一瞬間能量是負的，然後平均來看的能量是零。 到了幾年前，Robert R. Caldwell, Rahul Dave 和Steinhardt，在賓州大學的聚會中指 出一種量子重力場論，它不像電場或磁場，是一種反重力的能量，如同回到希臘時代的哲 學思想中的第五元素一樣。他是融合了狹義相對論後形成的新理論，他是他是量子，所以 保持著機率性，然後他又有場的性質，若是你要對量子場論要有個視覺上的比喻的話，就 先想像一個古典的場，像一個瀰漫著無形場線的空間，只不過你需要做兩點的修正，一個 是量子場是由粒子構成的，另一個是你要想像能量像粒子一樣形式的運動，在時空中穿梭 的時候是不停的從一個量子場跳到另一個量子場不斷這樣的來回震盪。 這理論的出現不只給予了暗能量一個新的解釋，還在電子的模型上有很好的預測，更將強 弱作用力和電磁力合併的解釋。但是量子場論卻又和愛因斯坦的廣義相對論衝突，因為廣 義相對論中提到，若是沒有質量的話，空間是平坦的，但是量子場論卻會對微小尺度的空 間上產生波動，像泡沫一樣，這又形成了新的問題。 M理論 在廣義相對論和量子力學的衝突下，開始有人想要去解決這兩者之間的問題，最後提出了 一個新的理論，叫「弦論」。弦論是將所有的空間物質都用高維度的弦震盪去解釋他，然 後高維度的空間就在我們這世界中捲曲在很小的尺度下，很像一種感覺，我們可以用高科 技的投影技術，將一張2D平面的東西投影出3D的視覺效果一樣，我們這個世界有著更高維 度的空間捲曲在一起。然後弦論的微擾確實是一種特別的想法，一種近似的概念去解釋現 象。 這種觀點就是額外維度的開始，事實上額外維度的討論早就在場論發展和研究的時候出現 過，尤其是在討論重力場的概念。我們知道高斯定律所推導出來的電磁力和距離的平方成 反比，這是跟空間是三維的有密切的關係，若是空間不是三維的則不是平方反比，但是物 理學家已經常試過很小尺寸下的電磁力的測量，無論是到多小的尺度下，我們依然發現電 磁力的大小依然和距離的平方成反比，對於空間的維度是否有額外一點幫助也沒有，所以 就停擺了一陣子。但是有沒有想過另一件事情，就是重力的大小事實上都沒有人做過精密 的測量，我們往往是看巨大尺度的星體運動發現是跟距離的平方反比，但是卻很少人將物 體拿到公分以下做重力的精密測量。 師大物理系的張嘉宏教授說到，他們在很小尺度下測量重力的時候，似乎不是跟距離的平 方成反比，若這是真的，則說明了額外維度的存在，這似乎也間接說明了為什麼重力的強 度或只有電磁力的10-30倍，因為許多的重力場線可能跑到其他維度的空間裡面去。在這 裡講個提外話，史帝芬霍金提出了一個解釋暗物質的奇妙觀點，他說也許就是因為重力可 以穿過三維度的空間抵達其他維度去的關係，導致其他維度的物質產生的重力場線穿透到 我們這宇宙中，讓我們發現星系的質量似乎增加，這時候也許另一個平行宇宙的人們正在 想，為什麼他們的星系質量似乎減少。 我們回來看弦論的發展，弦論的建立和發展一路走來很不順利。一開始有著所多不同的理 論，如I型、II型、IIA型、O型雜弦和E型雜弦，這彼此之間互不相關。直到M理論的出現 ，當維度增加到10維或是11維的時候（11維比較可能），可以將前面的五種弦論整合起來 ，原來前面五種型態是同一種型態的特殊形式，如同一個人面對不同人群卻會有不同的人 格一樣。M理論的出現目的就是要將廣義相對論和量子力學整合起來，變成所謂的大一統 理論。但是這裡我又提出一個醒思，是否又是一個多餘的假設和結論呢？有待將來的人類 為我們評量。 暗能量的未來展望 人類經過許多的時間，在摸索中將宇宙的模型慢慢建立了起來，曾經經歷過許多次的大辯 論和物學的修正，如今又遇到暗能量這個大難題，在還沒真正確定他是什麼東西的情況下 ，眾多的天文學家和物理學紛紛提出了觀測證據和解釋，無論是新天文台SNAP和LSST將繼 續對於「quintessence」的研究，或是將來要用更高的解析度去看宇宙微波背景輻射的微 小溫度變化，或是ω值的大小，或是M理論和大一統理論，這些觀測和理論的提出都是為 要解決暗能量的性質等問題，但是或許還有更多的可能性我們沒有發現到，或者事實上暗 能量是更多不同的理由結合產生的結果，我們人類花了許許多多的時候卻一點也沒看透他 ，如同看兩的巨人在下棋，我們人類花了這麼多時間也許看出了哪幾顆棋該怎麼走，但是 距離成為一個下棋高手還久遠的呢！ 對於如此迷樣的暗能量，人類還是會去期待有解答的一天，這將會是幫助我們更了解宇宙 的演化，甚至說是更了解這世界的真理，雖然說天文學和宇宙論經歷過許許多多次的錯誤 和修正，但是換來的卻是更多的問題有待去解決。說不定暗能量根本不是一種真實的能量 形式，也許他是宇宙多維度空間本來的一種特性，或是根本沒有答案，這一切都有待將來 的人類去好好發現研究他。 期待人類在歷史的快速演進和知識爆炸的時代中，能夠有足夠的聰明和智慧育應付，對了 ！更重要的是，我們也許需要更好的運氣！ 參考資料 Nature 雜誌，2004年九月版 ---（What is dark energy ？）by Lawrence M. Krauss 優雅的宇宙，作者布萊恩．格林恩 (Brian Greene) ，台灣商務出版社 物理學宇宙（The Physical Universe），作者Frank Shu 胡桃裡的宇宙，作者Stephen Hawking，大塊文化出版社 SNAP ---http://snap.lbl.gov/ -- ◤◥ Origin: 國立臺灣師範大學˙精靈之城 bbs.ntnu.edu.tw ◣◢ Author: liuiii 從 140.112.25.192 發表