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

(credit: 《Star Wars》)

“The Force will be with you… always.” (引述自《星球大戰》電影系列)

星戰系列又嚟喇,Star Wars: The Last Jedi 上年年尾上映咗,大家有冇去戲院「朝聖」呢?(小弟雖然貴為一介科學界中嘅小螺絲,但本人其實並唔係科幻小說或電影嘅狂熱份子,本人對星戰系列興趣唔大)

細個睇卡通片或大部分電影,永遠都係邪不能勝正,光明必定最終打倒黑暗呢套王道故事設定結局。不過呢套價值觀睇嚟係我地嘅社會唔太適用,尤其喺強國/小人當道嘅XX世界。但原來唔止咁,更甚嘅係原來連我哋身處看似「客觀公平」嘅浩瀚無垠^嘅宇宙都唔奉行呢套價值觀,而家真正統治𡁵世界嘅其實並唔係你同我呢班微不足道嘅人類,亦唔係光甚至一切現時物理學所熟識嘅東西,而係一股黑暗嘅「邪惡」能量—暗能量(dark energy)呀!

^宇宙係唔係無垠正確講其實冇人知係唔係。愛因斯坦都話:「有兩件事情是無限的,這宇宙與人類的愚蠢。我不太確定前者。」(“Two things are infinite: the universe and human stupidity; and I’m not sure about the universe.”)

宇宙膨脹𡁵,但係以乜嘢速度?加速𡁵定減慢𡁵?(Our universe is expanding, but at what rate? Is the expansion rate slowing down or accelerating?)

唔少人都聽過大爆炸理論,知道我哋而家宇宙起初係由無限細、密度無限大嘅一點「爆出嚟」(其實咁講唔啱,因為相對論喺接近黑洞中心呢類重力咁龐大,咁極端情況下嘅奇點singularity時會失效,唔能夠再正確描述現實物理狀態係點。所以正確講係冇人知現實應該係點。詳細有機會下次再詳細講),而且不停膨脹𡁵。之但你又知唔知宇宙以乜嘢速度膨脹𡁵?演化過程中膨脹速度又有冇改變過?

universe_expansion

(Credit:NASA and ESA)

宇宙嘅膨脹速度其實唔係固定永恆不變,而係取決於佢本身內含各種唔同「物質」嘅各自嘅特性同佢哋佔宇宙整體能量密度嘅百分比多少。唔同幾何結構,唔同組成成份嘅宇宙佢哋嘅演化可以好唔同,有啲可能膨脹過程會隨時間減慢甚至到後嚟變成收縮;有啲就可能一直唔停咁加速膨脹𡁵,好似上面幅圖咁。

根據觀察結果,現時宇宙學嘅公認標準模型,其實宇宙膨脹速度一直都改變𡁵,過去好早期仲曾經以超光速膨脹*(根據暴脹論 cosmic inflation)過𠻹!咁宇宙而家膨脹速度係加速定減慢𡁵呢?如果簡單用牛頓萬有引力去睇,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重力,咁推論去諗,宇宙膨脹速度只會變得愈嚟愈慢,甚至轉方向變做收縮,最終導向宇宙大崩塌(Big Crunch),變番做一點密度無限大嘅奇點。不過事實又係唔係咁簡單呢?

*呢度超光速膨脹冇違反相對論,因為相對論講嘅係物質同訊息嘅傳遞速度上限為光速,但時空嘅膨脹速度冇咁嘅限制

宇宙其實唔只膨脹o緊,佢而家仲係加速膨脹 (Our universe is not just expanding, its expansion rate is accelerating now)

(Credits: quickmeme.com)

上世紀當愛因斯坦發表廣義相對論時,因當時嘅主流觀念影響,佢起初堅信宇宙係靜止唔郁而唔係膨脹/收縮𡁵。當然大家都知道後嚟結果係一班以費德里曼(Alexander Friedmann)為首苦心鑽研宇宙喺相對論框架下點樣演化嘅一眾物理學家佢哋提倡宇宙係膨脹𡁵呢套主張先至啱,並且經天文學家哈勃(Edwin Hubble)等透過觀察星系紅移驗證。

同牛頓萬有引力嘅重力理論唔同,相對論需要考慮埋時空本身嘅幾何結構同物質嘅能量同壓力密度,會令重力變成排斥力嘅物質/時空結構喺相對論框架下理論上係存在嘅。雖然係咁,但絕大部分物理學家所認知同觀察到嘅物質(除咗一樣叫真空能量vacuum energy嘅嘢)嘅特性都唔屬於呢類,直至上世紀未前,亦未有觀察結果指宇宙膨脹速度有加速嘅跡象,一般都相信宇宙嘅膨脹速度係會一直隨時間逐漸減慢,而且變為收縮甚至最終大崩塌,就好似用牛頓萬有引力推論咁。

不過喺上世紀90年代,天文學家舒密特(Brian P.Schmidt)利爾斯(Adam G.Riess)等率領研究超新星嘅團隊透過觀察一堆1a型號超新星(type 1a supernova )— 一種有標準模型,由一粒喺雙星系統(binary system)中嘅白矮星(white dwarf)因為同另外一粒星體合併而誕生,光度足以媲美星系而且屬於標準燭光(standard candle)#嘅超新星,發現喺我哋「附近」—宇宙紅移(cosmological redshift,z)好細並細於1(呢度講嘅「附近」係相對於宇宙宏觀大尺度,紅移 z~0.1其實講𡁵十億光年咁上下距離 [offtopic] 宇宙學上咁叫低/細紅移,不過天文學中叫「高」紅移[sosad]),亦即係宇宙時序上屬近年嘅星系根據多普勒效應(Doppler shift)推算出嘅遠離速度同距離並唔係簡單線性關係。呢啲超新星嘅光度亦比起身處喺一個減慢膨脹中宇宙嘅超新星光度暗,呢個觀察結果似乎指向一個加速膨脹𡁵嘅宇宙,好似下面幅圖表所表達咁。

6592_fig26_18

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

 

之後亦有更多獨立、唔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)等觀察結果推論出嘅模型同樣指向宇宙係加速膨脹𡁵呢個結論,確立咗宇宙現時充斥住一種會令膨脹加速叫暗能量嘅宇宙學標準模型。上面提到涉及1a型超新星呢個宇宙學發現後嚟喺2011年獲頒發諾貝爾物理學獎。

#標準燭光係天文學一術語,同蠟燭冇關。呢個詞彙係指一種我哋知道佢理論上本身有幾光,可以用嚟同測量出嘅光度對比從而推算出佢距離我哋幾遠嘅天體

咁暗能量係乜?(What is dark energy?)

好啦,講咗咁耐,你可能會問咁究竟暗能量係乜?好老實咁講,其實冇人知係乜,對呢樣嘢物理學家知道嘅甚至比暗物質更少。呢個詞只係宇宙學家對一種會導致而家宇宙加速膨脹,由早期減𡁵速變做「近年」加速(如下圖)嗰嘢嘅統稱。嗰名叫做「暗」能量,某程度上只係代表物理學家其實唔係好知嗰啲嘢係乜,「暗」物質(dark matter)都係 [sosad] 當然,暗能量叫得「暗」,都係同暗物質一樣同光或其他已知物質好似組成原子嘅重子咁冇乜相互作用,唔會自己發光,我哋暫時只係靠天文/宇宙學涉及重力嘅間接觀察知道佢哋嘅存在。

dark-energy

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

 

雖然都係叫「暗」,「睇唔到」,不過暗能量同暗物質好唔同。宇宙同物理學家之所以叫暗能量做「能量」,係因為呢樣嘢嘅特性同所有已知嘅物質(包括暗物質)完全唔同,用標準流體去模擬佢哋喺宇宙大尺度上嘅分佈時,暗能量嘅壓力密度P同能量密度ρ有下面嘅關係

eos_cosmology

呢度w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ω必須要少於-1/3,亦即上面暗能量嘅特性。由於呢個特性太獨特,同我哋對物質嘅認知好唔同 (普通非相對論性non-relativistic物質,如溫度好低行得好慢嘅氣體/粒子,w=0,暗物質亦屬呢類; 光呢類相對性嘅物質,w則為1/3),為咗強調同區分所以宇宙學家叫暗能量做「能量」。

理論上,最「簡單」能夠解釋同乎合暗能量特性嘅係宇宙常數(cosmological constant),一樣愛因斯坦自認為(好似係)自己一生最大錯誤嘅嘢。愛因斯坦自認好錯係因為佢本身加呢樣入模型嘅目的係為咗令宇宙靜止唔郁,一個後嚟被證實係錯嘅睇法。宇宙常數係一種充斥喺時空入面任內角落,能量密度唔會隨時空膨脹/收縮而改變,同真空能量有密切關係嘅一樣嘢。因為模型「簡單」,參數只有一個,所以宇宙常數亦係暫時宇宙學標準模型ΛCDM對暗能量嘅「公認」解釋。呢度小弟強調「簡單」同「公認」係因為宇宙常數呢個解釋其實會帶嚟更多問題,宇宙學上統稱叫宇宙常數問題(cosmological constant problem),好似同用量子場學推算出嚟真空能量數值差天共地(觀察數值同理論差10^-120倍)等等,有興趣了解多啲可以睇下面短片(英文),下次有機會再詳細講
https://youtu.be/bHqkl51KzmM

其他有可能解釋到暗能量係乜嘅嘢仲包括「第五元素」(Quintessence)改良重力模型(modified gravity)或大尺度空洞模型(big void models),不過呢啲模型一樣有各自嘅問題(當中尤其空洞模型帶嚟嘅問題最大)而且亦未有觀察證據顯示佢哋係乜,暫時暗能量係乜仲係現代物理/宇宙學未解嘅最大疑案之一,宇宙嘅未來會點仲係一個未知數呀!(PS: 「第五元素」唔係指化學/五行元素,同嗰套科幻電影冇關 [banghead] 呢度指嘅係一種會產生有別於重力、強核力、弱核力、電磁力嘅第五種力嘅物理純量場 scalar field

“May the force be with you”,今次講到呢度,下次有機會再講。
https://youtu.be/G2nJlE9CNeo

 

[offtopic] 其實喺理論物理學上愛因斯坦加入宇宙常數根本冇錯,就算如果後嚟我哋冇發現宇宙加速膨脹嘅都係咁話。因為理論物理學設計理論模型時最重要講嘅係理論嘅對稱性(symmetry),任何乎合對稱性嘅數項都應該加入理論模型入面。廣義相對論模型嘅核心係微分同胚(diffeomorphism)呢種對稱性,宇宙常數係僅有少數簡單兼且乎合呢個對稱性嘅數項。

 

引伸延讀:
《Dark energy and the Big Rip》by Sixty Symbols(英文短片)
https://youtu.be/IJYDcXZMe9c
《We have no idea: a guide to the unknown universe》 by Jorge Cham and Daniel Whiteson
http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=newscan&id=472

白話文版:

https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/%E4%B8%BB%E5%AE%B0%E5%AE%87%E5%AE%99%E7%9A%84%E9%BB%91%E6%9A%97%E5%8B%A2%E5%8A%9B-dark-force-of-the-universe-c2a15824e9dd

2 thoughts on “主宰宇宙的黑暗勢力 (Dark force of the Universe)

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