寂寞星球:當宇宙快速的膨脹鏤空了整個空間,地球所在的銀河系將會沉浸在完全的真空中。
撰文╱克勞斯(Lawrence M. Krauss)、薛瑞(Robert J. Scherrer)
翻譯/李沃龍

重點提要

■10年前天文學家震驚地發現宇宙正加速膨脹中。他們至今仍深入探討著這項發現的意涵。

■不斷加速的膨脹終將導致星系以比光還快的速度彼此遠離,消逝在我們的視線範圍外。此過程會毀滅我們賴以測量宇宙膨脹的參考點,徹底稀釋大霹靂所留下的特殊產物,使得宇宙看起來空無一物。簡言之,所有宇宙起源的遺跡都會被摧毀,好像從未發生過大霹靂似的。

■對我們遙遠的後代子孫而言,宇宙看起來像是個只散佈著少許稀落恆星,並且一成不變、永無止境的空洞。

■有哪些知識已經被宇宙給抹滅了呢?

100年前Scientific American刊載的一篇關於宇宙大尺度結構的文章,很可能是完全錯誤的。1908年時,科學家認為我們的星系構成了整個宇宙,稱之為「島宇宙」,意思 是我們的星團被孤立在無窮無盡的空洞裡。我們現在知道銀河系只是可觀測的宇宙所包含至少4000億個星系中的一員罷了。1908年,科學上的共識認為宇宙 是靜態永恆的,根本沒有人知道宇宙竟會起源於一團霹靂火球,也不曉得元素合成於大霹靂的最初時刻與恆星的內部核心,而空間的膨脹與物質可能導致空間彎曲, 更是想都沒想過的事情。由於偵測到宇宙誕生並冷卻後殘留的鬼魅影像,才證實了空間中充滿輻射,而探究這些輻射所必須仰賴的科技,也是為了讓人打電話回家才 發展出來。

在過去一世紀的各學識領域中,很難找到變動比宇宙學還劇烈的,這些變動也確實改變了我們的世界觀。但 未來的科學是否總能在累積更多的觀察基礎後,獲得更精確的認知呢?我們最近的研究結論認為,從宇宙的時間尺度上來說,答案是否定的。我們可能生存在宇宙極 長遠的歷史中,唯一可以精確理解宇宙本質的年代。

大約10年前的一個戲劇性發現,開啟了我們的研究動機。兩群美國天文學家追蹤過去50億年間宇宙膨脹 的情形,都發現宇宙似乎正在加速膨脹。一般認為真空中的某種新型態「暗能量」是這種宇宙反重力現象的源頭。包括本文作者克勞斯在內的某些理論學家,根據間 接測量的數據,早已預測到這個結果,但在物理學中,只有直接的觀測才算數。加速的宇宙代表著,真空能量幾乎是我們今日所觀測到一切星系、星系團與超星系團 等宇宙結構所含能量的三倍。相當諷刺的是,愛因斯坦為使宇宙保持靜止狀態而首先提出這種型態的能量,他把那稱為宇宙常數。

暗能量對於宇宙的未來,具有極大的衝擊。克勞斯和美國凱斯西儲大學的宇宙學家史達克曼(Glenn Starkman)一起研究了在一個具有宇宙常數的宇宙中,生命的可能命運,他們得到的結論是:情況不妙,這樣的宇宙對生命而言是個非常不友善的環境。宇 宙常數會造成一個固定大小的「事件視界」。那是個假想的曲面,一旦距離超過這個界限,不論物質或輻射都無法抵達我們所在的位置。這種宇宙就像是個內外翻轉 的黑洞,物質與輻射被困在視界之外,而非視界之內。這項發現意味著可觀測的宇宙只包含有限的資訊,因此無法永遠不間斷地處理資訊(與生命)。

但遠在這個資訊極限真正成為問題之前,膨脹宇宙中的所有物質早已被驅趕到事件視界之外了。這個過程已 被當時同在美國哈佛大學的羅布(Abraham Loeb)與長峰謙太郎研究過了,他們發現所謂的本地星系群(包含了銀河系、仙女座星系與一堆相互環繞的矮星系)將會崩塌成一個巨大無比的超級星團,而所 有其他的星系則將越過事件視界,完全消失無蹤。這個過程大概得花上1000億年之久,看來似乎很長,但對杳無人煙的終極荒漠而言,其實蠻短暫的。

宇宙學的基石崩塌

在極遙遠的未來,居住於此超級星團中的天文學家將如何描述宇宙的歷史呢?要能夠好好地思考這個問題,必須先回顧一下我們目前對宇宙的理解是建立在哪些基礎之上。

首先是愛因斯坦的廣義相對論。牛頓的萬有引力理論做為大部份天文學的基礎,已有將近300年的歷史, 它非常適用於預測從地球到星系尺度範圍內的天體運動,但對無限大量的物質卻完全無能為力。廣義相對論克服了這個限制。在愛因斯坦於1916年發表他的理論 後不久,荷蘭物理學家德西特(William de Sitter)研究一個包含了宇宙常數的簡單宇宙,並得出該模型廣義相對論方程式的解,重現了當時對於宇宙的主流觀點:一個鑲嵌於廣闊的空無與靜態空洞中 的島星系。

宇宙學家很快就理解到德西特宣稱的靜態宇宙是個錯誤的解讀。事實上,德西特的宇宙會永不停歇地膨脹, 如同比利時物理學家勒梅特(Georges Lema褾re)稍後的清楚解釋,愛因斯坦方程式所預測的無限、均勻且靜態的宇宙,根本不可能存在;宇宙一定會膨脹,或者收縮。後來的大霹靂理論,就是衍 生自這個解釋。

現代宇宙學的第二個基礎,來自於天文學家在1920年代觀測到的宇宙膨脹。第一位提供宇宙膨脹觀測證 據的人是美國天文學家斯里佛(Vesto Slipher),他利用恆星光譜來測量鄰近星系的速度。當恆星朝向地球運動時,光波波長會遭到壓縮而縮短,使得光色偏藍。當發光體遠離地球時,光波長則 會被拉扯變長,使光色看起來偏紅。透過測量遙遠星系發出的光波是被拉長或壓短,斯里佛可以得知那些星系遠離或接近我們的速度。(當時天文學家尚不確定那些 我們稱為「星系」的模糊發光區域,究竟是一些獨立的恆星聚在一起,或只是位在我們星系內的雲氣而已。)斯里佛發現大部份星系都離我們而去,我們似乎就坐在 膨脹區域的中心。

創作者介紹

jcjin的心情筆記

jcjin 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(0) 人氣()