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 宇宙學 加速膨脹的宇宙 會徹底摧毀自身源頭的遺跡 撰文 克勞斯 Lawrence M. Krauss 薛瑞 Robert J. Scherrer 翻譯 李沃龍 100 年前Scientific American 刊

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1 宇宙的盡頭 36 科學人

2 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 宇宙學 加速膨脹的宇宙 會徹底摧毀自身源頭的遺跡 撰文 克勞斯 Lawrence M. Krauss 薛瑞 Robert J. Scherrer 翻譯 李沃龍 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 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 些輻射所必須仰賴的科技 也是為了讓人 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 在過去一世紀的各學識領域中 很難找 測量宇宙膨脹的參考點 徹 到變動比宇宙學還劇烈的 這些變動也確 底稀釋大霹靂所留下的特殊 實改變了我們的世界觀 但未來的科學是 產物 使得宇宙看起來空無 一物 簡言之 所有宇宙起 否總能在累積更多的觀察基礎後 獲得更 源的遺跡都會被摧毀 好像 精確的認知呢 我們最近的研究結論認 從未發生過大霹靂似的 為 從宇宙的時間尺度上來說 答案是否 對 我 們 遙 遠 的 後 代 子 孫 而 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 slim flims 1 0年前天文學家震驚地發 像 才證實了空間中充滿輻射 而探究這 打電話回家才發展出來 sa.ylib.com 重點提要 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 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 科學人 37

3 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 steve green Vanderbilt University (Krauss and Scherrer); slim films (sphere illustrations) 膨脹的宇宙, 縮小的視野 宇宙或許無限寬廣, 但若將環繞在我們四周的整個空間區域設為紫色球時, 我們其實只能看見如黃色內球般的一小部份 當空間膨脹時, 星系 ( 橘色圓圈 ) 會隨之散開 只要有足夠的時間傳播光, 在地球上的我們 ( 或者我們的祖先與子孫 ) 這些觀測者便能看見穩定增長的空間體積 大約 60 億年前, 宇宙開始加速膨脹, 以超過光的傳播速率, 載運著遙遠的星系離開我們 星系 可觀測的範圍 克勞斯 ( 右 ) 是美國凱斯西儲大 學的宇宙學家, 並擔任該校的宇 宙學與天文物理教育與研究中心 主任 他著有七本書, 並且非常 熱中於科普活動 薛瑞 ( 左 ) 也是位宇宙學家, 曾出版過科幻小說, 現擔任范德比爾特大學物理與天文系主任 克勞斯與薛瑞於兩年前開始合作, 當時克勞斯利用休假年造訪范德比爾特大學, 並走遍了田納西州那許維爾每一家便宜的舞廳酒館 趁著宇宙尚未終結前, 他們醉心於宇宙學的研究工作中 整個空間區域 剛開始加速時, 我們 可看到最大數量的星 系 注意 : 由於宇宙是均勻地膨脹, 其他星系裡的外星人看到的也是相同的景象 雖然可見的區域增加了, 但宇宙膨脹得更快, 所以我們實際上只能看到較少量的星系 遙遠的星系 ( 那些沒和我們以重力綁在一起的恆星系統 ) 離開了我們的視線範圍 同時, 重力將鄰近的星系拉在一塊兒 38 科學人

4 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 最終我們所能看到的是一個超級星系和永無止境的空洞 1000 億年後, 哈伯所發現的那些關於宇宙膨脹的證據, 將無法重現 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 Lemaître) 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 真正被視為宇宙膨脹發現者的並非斯里佛, 而是美國天文學家哈伯 ( 你什麼時候聽過斯里佛太空望遠鏡的大名呢?) 哈伯不僅測定了鄰近星系的速度, 也量得它們的距離 從他的測量數據推演出來的兩項結論, 使他留名青史 首先, 哈伯證明了那些星系離我們非常遠, 所以它們其實如銀河系一般是獨立恆星的聚集 其次, 他發現星系遠離我們的速度直接正比於它與我們的距離 ; 離我們兩倍遠的星系之速度, 是離我們一倍遠的星系速度的兩倍, 這正是宇宙膨脹呈現出來的效應 自那時起, 哈伯的測量便不斷被重新修訂 最近的一次是透過觀測遙遠的超新星的方式, sa.ylib.com 科學人 39

5 知識啟示錄 加速的宇宙膨脹正在侵蝕大霹靂理論的三項觀測基礎 : 星系彼此遠離的運動 宇宙 微波背景輻射, 以及諸如氫與氦等較輕的化學元素間之相對含量 超級星系 如今這三項觀測證據仍非常明確 我們看到遙遠的星系正在後退遠離我們 ( 紅色箭號 ), 鄰近的星系則向我們靠攏 ( 藍色箭號 ); 太空中充斥著背景輻射 ; 宇宙間的氣體保有大霹靂早期所產生的化學混合比例 數十億年後鄰近的星系將融合在一起, 而遙遠的星系會退出我們的視野 背景輻射將會被稀釋到無法被偵測的程度 不斷消亡而再生的恆星會破壞原有的化學混合比例 該項觀測讓我們發現暗能量 期, 成為大霹靂理論的佐證, 也讓我們能 第三個基礎是微弱發光的宇宙微波背 夠精確地量測宇宙間質子與中子的豐度 宇宙的失憶症 景輻射, 那是 1965 年貝爾實驗室的潘琪亞斯 (Arno Penzias) 與威爾遜 (Robert Wilson) 在追溯無線電波雜訊原因時, 無 陷入黑暗的未來宇宙 當 1000 億年後的天文學家窺視太空時 目前正加速中的宇宙膨脹, 並非摧毀其過往紀錄的唯一方式 意間發現的 這種輻射很快地被確認是宇宙膨脹的早期階段所遺留下來的, 它代表 會看到什麼呢? 若不使用天文望遠鏡, 他們將會看到我們今天所看到的東西 : 我們 宇宙暴脹 宇宙剛開始是處於高熱緻密的狀態, 然後 星系中的恆星 最大和最亮的恆星早已將 加速膨脹或許曾出現於宇宙的早期歷史中, 幾乎抹消了之前存在的宇宙的所有跡象, 包括大霹靂時所發生的事情 因膨脹而冷卻 變得稀薄 最後一個大霹靂的觀測基礎是, 高熱緻密的早期宇宙是發生核融合的理想處所 它們的核子燃料燒光了, 但許多較小的恆星仍能照亮夜空 而當未來天文學家使用能夠看得更遠的大型望遠鏡時, 會發生一 黑洞 這些宇宙的排水口會把事件與其訊息一併吞沒, 那些訊息很可能就這麼永遠遺失了 當宇宙的溫度到達絕對溫度 10 億至 100 億 K 時, 較輕的原子核會融合成較重的原子核, 此過程稱為大霹靂核合成作用 由於宇宙因膨脹而冷卻, 這個過程只會發生在 件和現在天差地遠的事 : 他們在我們的星系之外將看不到任何星系! 鄰近的星系早已與銀河系合併形成一個大星系, 其他星系也早就脫離事件視界, 消失不見了 量子量測 最初的數分鐘內, 所以核融合只能產生最 遙遠星系的消失並非立即的效應, 而是 測量一個量子系統時, 我們通常迫使它進入某一特殊狀態, 因而抹掉了該物體曾佔有的許多可能組態的證據 輕的幾種元素 宇宙中大多數的氦是在那時產生的, 氘與重氫也是 目前測得的氦與氘之豐度, 符合大霹靂核合成作用的預 個緩慢的漸進過程 在迫近事件視界時, 這些星系的紅移會變得無限大 根據克勞斯與史達克曼的計算, 所有星系的紅移在 don dixon 40 科學人

6 1000 億年後會超過 5000, 而在 10 兆年後則變成令人無法想像的 屆時, 即使是最高能量的宇宙射線, 其波長也將被紅移到超過視界的大小, 我們將真的完全看不見這些宇宙射線源了 如此一來, 哈伯關於宇宙膨脹的重要發現將無法重現 對未來的天文學家而言, 可觀測的宇宙將和 1908 年時的 島宇宙 非常相像 : 被包圍在虛無空間中的一 如果這篇文章 幸運地留存了下來, 它很可能是 未來文明者習知 大霹靂的唯一途徑 不過他們信不信 又是另一回事了 倍時, 微波背景將被拉長到超過此波長大小, 所以星系裡的居民無法偵測 而且, 在抵達那關卡之前, 曾提供今日宇宙學家許多有用資訊的背景輻射之精細圖案, 早就變得太細微而無法研究了 物質起源永成謎 對化學元素豐度的觀測, 是否能夠使遙遠未來的宇宙學家獲得關於大霹靂的知識 個巨大 靜態 永恆的單一恆星聚合體 呢? 再一次, 答案似乎仍是不行 我們能 我們自身的經驗證實了即便我們擁有數 夠探測大霹靂核合成作用, 端賴一個事 據, 正確的宇宙學模型仍不是那麼顯而易 實 : 在過去 140 億年間, 氘與氦的豐度並 見的 例如, 從 1940 到 1960 年代中期, 沒有太大的變化 例如, 在早期宇宙所產 整個觀測宇宙學只奠基於宇宙膨脹, 有人 生的氦, 約佔了所有物質的 24% 雖然恆 重新提出永恆宇宙的想法 : 在一個穩態的 星內部的核融合反應也會製造氦, 但那 宇宙中, 由於宇宙膨脹會產生物質, 因此 最多只佔氦整體豐度的百分之幾而已 宇宙整體看來並不會隨著時間而改變 這 美國密西根大學安娜堡分校的天文學家 個想法後來被證實行不通, 但那是極好的 亞當斯 (Fred Adams) 與勞夫林 (Gregory 例證, 說明了在沒有足夠觀測數據的情況 Laughlin) 認為, 經過許多世代之後, 恆 下, 可能會發展出錯誤的想法 星會把此比例提高到 60% 遙遠未來的觀 那麼, 未來的天文學家還有何處可以搜 測者將發現, 太初的氦全淹沒於較晚世代 尋到大霹靂的證據呢? 是否可以用宇宙微 的恆星內部所產生的氦之中 波背景探討宇宙的動態變化呢? 唉, 那也 目前, 氘的豐度是探測大霹靂核合成作 行不通 宇宙膨脹時, 背景輻射的波長會被拉長, 使得輻射更擴散 等到宇宙 1000 億歲時, 微波輻射的峰值波長 (peak wavelength, 輻射亮度最高的波長 ) 將落在數公尺的範圍內, 相當於無線電波而不是微波 屆時, 背景輻射的強度已稀釋了一兆倍左右, 可能再也偵測不到了 到了更久遠的未來, 宇宙背景真的會變得什麼都看不見了 在我們星系裡, 恆星之間充斥著游離電子形成的氣體 低頻的無線電波無法穿透這種氣體, 若不是被氣 消失中的化學線索 宇宙幾乎全由在大霹靂最初三分鐘內所產生的氫與氦所構成 恆星會把一些氫轉化成氦, 但到目前為止仍不算多 這些元素的相對含量, 一直是支持大霹靂最基本的一項觀測證據 但在未來, 當恆星持續不斷地轉化物質後, 情況將會有所改變 氫 比氦重的元素 氦 大霹靂 ( 開始的幾分鐘 ) 用最乾淨的探針 類星體一向被認為是由威力強大的黑洞所驅動的遙遠而明亮的光源, 測量太初氘豐度的最好方法就是觀測那些後方有類星體照亮的氫雲 但在遙遠的未來, 這些類星體及氫雲都已越過事件視界, 再也看不到了, 只有在星系裡的氘可以觀測得到, 而且經過恆星的摧殘, 也只有少數的氘能留存下來 即使未來的天文學家觀察到氘的存在, 也不會歸因於大霹靂 現在研究的結果顯示, 牽涉到高能宇宙射線的核子反應, 是某些可觀測氘的 體吸收, 就是遭到反射 夜晚時仍能在距 76 % 24 % 可能來源 未來的天文學家, 似乎比較可 離城市發射站極遠之處接收到調幅電波訊號, 就是利用類似的效應 我們可以把星際物質想像成是充滿星系空間的巨大電離 今天 70 % 28 % 2% 能看到經由這種程序所產生的氘 雖然觀測得到的輕元素豐度無法提供關於太初霹靂火球的任何直接證據, 但它起 lisa apfelbacher 層, 電波的頻率只要低於 1000 赫茲 ( 相當於波長大於 300 公里 ) 就無法穿透射入我們的星系 當宇宙年齡到達目前的 25 1 兆年後 20% 60 % 20% 碼能讓未來宇宙學的一個面向, 和一世紀前不實際的宇宙學有所差異 理解核子物理的未來天文學家及物理學家, 將能夠正 sa.ylib.com 科學人 41

7 消逝於黑暗之中 當我們的銀河系與鄰近的星系合併 且遠方的星系後退消失時 地球上的夜空 假設地球仍存在 將發生劇烈的變化 現在 50億年後 銀河系的盤面有如一條漫射著光線的寬帶 延伸貫穿天際 一些鄰 仙女座大星系一直朝向我們運動 現在幾乎佔滿了整個天空 太陽 近的星系 如仙女座大星系與大小麥哲倫雲 都是肉眼輕易可見 膨脹成紅巨星並燃燒殆盡 地球因而陷入冷酷的荒涼中 的 透過天文望遠鏡則可看到更多的星系 確地得到恆星是燃燒核子燃料的結論 假 空前絕後的見證者 宇宙的里程碑 世代的恆星製造出來的 也會據此定出宇 難道真的沒有辦法讓我們後代子孫認知 10-30秒 宙年齡的上限 正確地推知他們的星系宇 到宇宙的膨脹嗎 根據我們目前對廣義相 宇宙暴脹發生 宙並非永恆 但是 這些物質的起源將永 對論的理解 至少有一個加速膨脹的指標 遠保持著神秘 效應會留在我們可觀測的範圍之內 正如 100秒 氫與氦形成 那麼 本文開頭的概念 也就是從愛因 同黑洞的事件視界會放出輻射一樣 宇宙 斯坦的相對論預期宇宙膨脹並推論出大霹 的事件視界也會發出輻射 但這種輻射的 靂 又該從何解釋呢 未來的宇宙居民 溫度只有10-30K 即使偵測到它 也會被 加速膨脹開始 應該能夠從對自己太陽系的精密重力測量 認為是其他大型的當地背景雜訊 137億年 中 發現廣義相對論 但是 要用這理論 有企圖心的未來觀測者 或許會發射一 今天 推知大霹靂的存在 需仰賴對宇宙大尺度 些能夠脫離超級星系的探測器 做為偵測 200億年 結構的觀測 只有在宇宙均勻的狀況下 宇宙膨脹的參考點 姑且不論他們看起來 愛因斯坦的理論才能預測出宇宙膨脹 我 不像會幹這種事情 要讓探測器到達宇宙 們後代子孫所觀察到的宇宙 絕對不是均 膨脹能顯著影響其速度的地點 至少得花 勻的 它將是由鑲嵌在廣袤空無中的恆星 上10億年 況且 探測器必須具備和恆 孤島所構成 類似德西特的島宇宙 崩塌 星一樣的能量輸出 才能在如此長遠的距 成黑洞將是可觀測宇宙的終極命運 也是 離下與建造者通訊 至少從我們的經驗看 我們星系在遙遠未來的必然發展 來 在未來世界管理科學基金的機構 大 40萬年 釋放微波背景 80億年 銀河系與仙女座大星系碰撞 1000億年 其他星系離開我們的可見範圍 1兆年 太初同位素消失或被稀釋 100兆年 最後的恆星燃燒殆盡 42 科學人 don dixon 如他們因此誤認為所有的氘都是由較早期

8 1000億年後 100兆年後 銀河系的繼承者是個球狀的超級星系 而地球也許孤苦伶仃地飄浮 熄燈了 末代恆星燃燒殆盡 除了黑洞發出幾許幽暗微弱的光 與 在其遙遠的外圍 其他的星系早已從視野中消失了 高等文明流瀉出的些許燈火外 整個宇宙陷入黑暗之中 僅存的星 系也即將崩塌成為黑洞 概不會通過這種計畫 不一樣的事情 因此 未來的觀測者極可能預測宇宙的 首先 這很可能不是第一次因為加速膨 結局是發生當地的大塌縮 而不是宇宙常 脹而遺失了宇宙的相關資訊 如果在非常 數所產生的永恆膨脹 他們的有限宇宙將 早期的宇宙確曾有過一個暴脹時期 那麼 終結於一聲巨響 而非微弱的低鳴 在該階段的快速膨脹 會把所有關於先前 我們不得不下一個奇怪的結論 可讓具 存在的物質與能量的細節 完全驅趕出我 有高等智慧的觀察者推論出我們膨脹中的 們目前可觀測的宇宙 的確 發展暴脹模 宇宙真實本質的期限 似乎非常短暫 假 型的一個原始動機 就是想要除掉宇宙裡 如某些文明在經歷億萬年的戰爭 超新 一些討厭的東西 例如可能曾經大量存在 星 黑洞與其他無數次的凶危之後 仍能 的磁單極 存活下來的話 他們有機會保有年代悠久 更重要的是 雖然我們幸運地生活在所 的歷史典藏 而本文或許就在其中 他們 有關於大霹靂的觀測基礎都能被偵測到的 相不相信本文的內容是另外一個問題 但 時代 但我們也可以輕易地想到 有些宇 若該文明缺乏這樣的歷史典藏 就註定永 宙的其他面向很可能在今天是觀測不到 遠無法得知大霹靂的存在 的 有哪些資訊是我們早已遺漏的呢 我 為何目前的宇宙如此特殊呢 曾經有許 們不該自滿 應該謙卑面對大自然 或許 多研究人員認為 生命的存在提供了一個 某天會發現 我們目前嚴謹且看似完備的 選擇效應 或可解釋許多與現在相關的巧 宇宙圖像 其實是殘缺不全呢 合 但從我們的研究工作中 我們學到了 李沃龍 sa.ylib.com 台灣師範大學物理系助理教授 延伸閱讀 Life, the Universe and Nothing: Life and Death in an Ever-Expanding Universe. Lawrence Krauss and Glenn Starkman in Astrophysical Journal, Vol. 531, No. 22, pages 22 30; March 參考網頁 The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity. Fred C. Adams and Greg Laughlin. Free Press, Atom: A Single Oxygen Atom s Journey from the Big Bang to Life on Earth and Beyond. Lawrence M. Krauss. Back Bay Books, The Return of a Static Universe and the End of Cosmology. Lawrence M. Krauss and Robert J. Scherrer in Journal of General Relativity and Gravitation, Vol. 39, No. 10, pages ; October 參考網頁 org/abs/ 科學人 43

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