宇宙大爆炸系列[三] 大爆炸有問題 (The problems of the Big Bang theory)

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(Credits: S.Harris, sciencecartoonsplus.com)

上回提要:上次講到宇宙學家點樣透過好似宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)太初核合成(Big Bang nucleosynthesis)哩啲觀察證據去推論證明宇宙大爆炸曾經發生。[1] 除左某啲耶撚或者地平論死忠之外,相信宜家都冇乜人唔信宇宙大爆炸論。雖然係咁,但係大爆炸真係宇宙起源嘅一切最終答案?佢可以好似上帝咁能夠解釋晒所有嘢?既然小弟咁問得,答案梗係唔係啦!(雖然有唔少人咁諗,當咗大爆炸模型係宇宙學或科學嘅「神」,甚至係間接用嚟證明神存在或聖經創世紀嘅現代科學版本⋯)大爆炸其實唔係一個完整嘅終極宇宙模型,佢本身有某啲問題同缺陷,需要另外附加理論模型去解答,其中有啲甚至係仲未有答案。今次就等小弟同大家探討吓大爆炸模型存在住乜嘢問題啦!

[一] 大爆炸冇完全解答宇宙起源問題 (Problem 1: How Big Bang begins?)

大爆炸模型係建基於愛因斯坦廣為人知嘅廣義相對論(general relativity)。但廣義相對論有佢嘅限制,理論本身就會預測自己喺接近奇點(singularity),當重力場龐大嘅時候失效。喺嗰啲情況下,重力嘅量子力學效應開始變得重要,需要用未知嘅量子重力(quantum gravity)模型去描述。接近大爆炸發生一刻嘅大爆炸奇點(initial singularity)同黑洞事件視界內最中心嘅奇點都屬於哩類情況。所以正如小弟之前都強調過好多次,大爆炸唔係完整理論,唔包宇宙開端(假設有)嘅描述,係唔可以無限倒帶回推番到無限久遠嘅過去。就好似一個細路仔,唔通單由佢身體不斷長大嘅過程你可以推論出佢出生嗰刻係一個「奇點」,係自己無中生有或者好似孫悟空咁由石頭咁「爆」出嚟?[sosad]喺仲未有確實證據,學術界未有共識正確描述現實物理世界嘅量子重力模型應該係邊套前,宜家根本冇人知道回帶去番接近大爆炸嗰一刻宇宙係點嘅樣。

有啲人話『大爆炸發生一刻係由冇變有,通過量子起伏嘅量子力學過程誕生』哩個其實最多都只係一個假說,而且理論物理學上亦冇太多量子重力模型支持哩種如聖經創世紀咁嘅講法(好似係)。另外雖然已經仙遊:’( 嘅著名理論物理同宇宙學家霍金(Stephen Hawking)喺研究論文同《時間簡史》中話過時間喺大爆炸前唔存在,討論大爆炸之前宇宙係點就好似討論地球表面上比北極更北嘅地方係乜咁,冇任何意義』,但呢個一樣都只係理論假說,未有實質證據支持#。甚至有某啲理論物理學家提出循環宇宙假說論(cyclic universe),話宇宙嘅演化其實係一個循環,宇宙經歷永恆不斷咁持續膨脹->收縮->膨脹->收縮->⋯嘅循環過程,我哋只係咁啱身處喺膨脹𡁵嘅過程,因為膨脹𡁵嘅階段先會較大機會孕育出生命同恆星[2]。

總括嚟講你所聽到啲人(包括物理學家)講大爆炸點嚟同發生一刻嗰時係點嘅理論全部最多都只係假說,冇人知啱唔啱。而且宜家宇宙標準模型涉及宇宙早期演化仲有暴脹論(cosmic inflation)嘅問題需要解答⋯

#詳細有關霍金哩套屬佢其中一項學術傑出成就嘅歐氏量子重力(Euclidean quantum gravity)假說理論,可以參考小弟之前為悼念呢位物理學偉人而寫嘅拙文[3]。

[二] 視界問題 (Problem 2: cosmic horizon problem)

另一個大爆炸問題就同宜家嘅觀察證據有關。宜家觀察證據顯示,喺以星系團或更大嘅大尺度上面睇,我哋觀察到嘅宇宙喺喺宏觀結構、物質分佈整體上都非常咁均勻一致(homogeneous)而且各向同性(isotropic),冇一撻地方或者一個方向係特別唔同。當中最有力嘅證據就係充斥著宇宙空間嘅宇宙微波背景。

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(Credits: Larry Sessions, Metropolitan State University of Denver, https://sites.msudenver.edu/astro1040/2017/12/01/why-is-the-horizon-problem-a-problem/)

哩個係絕大部分宇宙學模型嘅前設,源自哥白尼(Nicolaus Copernicus)*日心論背後嘅中心思想,即我哋身處嘅地方唔係獨特嘅。宇宙學上哩個前設叫宇宙學原則或哥白尼原則(cosmological principle or Copernican principle)。雖然哩個前設聽落好似好合理,但如果只考慮大爆炸模型嘅話宇宙演化會做成哩個結果其實好唔自然。要演化出呢個結果,宇宙喺接近大爆炸發生時唔同地方間只可以容許極細微嘅差異起伏,甚至要精準至小數點後好多好多個位。好似相反方向,處於我哋可觀察視界(cosmic horizon)盡頭,大爆炸一刻後就完全分離冇相互影響嘅兩個區域,好似上面幅圖所標示咁。咁係由於嗰兩撻地方處於各自嘅視界外,就算一開始差異好細好細都好,經過長時間冇相互影響嘅局部演化,入面物質因為能量分佈差異透過重力塌縮(gravitational collapse)形成結構之後,最終佢哋嘅形態、入面嘅結構都好大機會變到好唔同。試諗吓好似兩個同時間喺同一間醫院出世嘅bb,假設喺出世後佢哋就分開咗,喺完全唔同嘅地方、環境、文化下長大生活,除左出世嗰刻之外冇俾時間佢哋直接或間接交流,咁正常咁諗都唔會預期經過好多年之後佢哋會有好多相似嘅地方。距離好遠,根據大爆炸模型演化應該冇足夠時間透過相互影響達到熱平衡嘅宇宙區域點解會睇落咁相似嘅哩個問題宇宙學叫視界問題(horizon problem)

*提出日心論,令伽利略後嚟變成好似梁、遊咁嘅「過街老鼠」、「滋事分子」,因為挑戰霸權權威(天主教教廷)而不得好死嘅「幕後黑手」,好似係

[三] 宇宙結構由邊到嚟?(What is the origin of the structures in the universe?)

另外大爆炸模型只係描述一個均勻或接近均勻嘅宇宙整體點演化,冇解釋過宇宙入面嘅結構點樣嚟。嗰啲充斥住宜家宇宙入面各嗰地方嘅星系團、星系同恆星等等就係顯示宇宙入面物質、能量「唔均勻」分佈嘅直接證據。要形成唔同嘅結構,宇宙早期唔同地方間能量同物質分佈需要存在住一定但足夠細微嘅太初差異起伏(primordial fluctuations)。宇宙學家宜家已經搵到哩啲差異起伏存在喺早期宇宙嘅證據。

由上世紀開始一系列宇宙微波背景觀察實驗包括宇宙背景探測者(COBE)威爾堅臣微波各向異性探測器(WMAP)在內,宇宙學家發現哩啲宇宙最古老嘅光雖然顯示宇宙早期整體分佈非常均勻一致,但提高解析度再細睇唔同區域間其實仲喺存在住好細微嘅差異。最新觀察實驗顯示CMB所對應嘅黑體輻射溫度整體大概係2.7K,而唔同地方間嘅溫度差異最多只係得哩個整體溫度嘅萬分之一。

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(Credits: COBE collaboration , WMAP collaboration, NASA;  Planck collaboration, ESA)

註:上面幅分析熱圖係放大咗同用唔同顏色去標示呢啲差異嚟方便大家理解。

唔單止咁,而且喺唔同尺度上睇哩啲細微唔均勻嘅差異大小仲接近完全一樣,即接近尺度上不變(scale invariant)。如果哩啲宇宙早期喺微波背景輻射嘅細微太初差異起伏真係宇宙當初喺大爆炸開始時就存在,係「與生俱來」,咁點解啲差異喺所有尺度上都咁啱差唔同?除非特別、好精準咁設定初始條件,要求能量分佈差異咁啱係咁樣,如果唔係大爆炸模型自己係無辦法解釋哩啲觀察結果。

總結:大爆炸唔係最終答案(Big Bang is not the complete and final story)

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(Credits: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha, https://www.symmetrymagazine.org/article/five-facts-about-the-big-bang)

除左上面提到嘅哩啲問題,仲有「點解世界(宇宙)係平?」嘅平坦性問題(flatness  problem)[4] 同奇異遺蹟問題(exotic-relics problem)$都係大爆炸解答唔到嘅。簡單總結一下:要同宜家宇宙嘅觀察證據吻合,單用大爆炸模型去描述宇宙演化實在需要太多巧合同太多精準度極高嘅微調先得。而且大爆炸模型亦唔係完整理論,唔能夠描述接近大爆炸啱啱發生嗰一刻嘅情況,只係宇宙一切起源開端嘅部分答案。

當然你可能會拗上面講到涉及大爆炸初始條件嘅問題未必係問題,純粹係咁啱、巧合,但如其相信哩啲唔自然需要極高精準微調嘅解釋,物理學家同宇宙學家佢哋寧願去搵理論模型附加喺大爆炸之上去嘗試解釋。而其中一個學界廣為接受嘅解釋就係暴脹論,哩個模型亦係小弟嘅主要研究課題。至於乜嘢係暴脹論點同佢樣幫助解釋呢啲問題下次有機會再講,有興趣可先睇吓[5]

$又叫磁單極子問題(monopole problem)。主要係指點解我哋宜家喺宇宙發現唔到根據大統一理論(Grand Unified Theory)模型中,隨宇宙膨脹,因為自發對稱破缺(spontaneously symmetry breaking)觸發而形成,好似磁單極子、疇壁(domain walls)哩啲極為穩定嘅殘骸。

今次講住咁多先,下次再講。

[offtopic] 著名武俠小說家金庸啱啱喺禮拜二過咗生, 容許小弟喺最後送兩首歌緬懷一下呢位武俠小說泰斗 RIP(PS: 其實小弟鍾意古龍多啲)

https://youtu.be/nKeDGmCHxSQ

https://youtu.be/FbEjRgAoj3I

延伸閱讀:

[1] https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2018/07/15/大爆炸系列-二-我們都係大「爆炸」下嘅產物-(we-are-all-remn/

[2] 《How the Universe Got Its Bounce Back》(英文),Natalie Wolchover著,刊於《Quanta Magazine》2018年1月, https://www.quantamagazine.org/big-bounce-models-reignite-big-bang-debate-20180131/

[3] https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2018/03/18/我見過霍金,我真係見過-淺談霍金學術成就(一/

[4] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Flatness_problem

https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2017/07/09/醒覺吧!世界是平的!wake-up-the-world-is-flat-really/

[5] https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2018/10/25/世界存在住另一個「你-妳」?淺談物理學中嘅真·/

https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2016/12/10/全世界變窮人系列宇宙也會通脹-part-i-our-universe-also-inflates-part-i/

[6] 《What’s Wrong With the Big Bang Theory》(英文,有中文字幕)by PBS Space Time, https://youtu.be/JDmKLXVFJzk

《宇宙論與純量場》,吳俊輝著,刊於《物理雙月刊》(廿四卷四期) 2002 年 8 月http://psroc.org.tw/bimonth/download.php?d=1&cpid=14&did=2

《宇宙是怎麼來的?》,郭兆林著,刊於《數理人文》2015年4月第四期http://yaucenter.nctu.edu.tw/journal/201504/all_download/宇宙是怎麼來的(全文).pdf

《Five Facts About the Big Bang》(英文)Matthew R. Francis著https://www.symmetrymagazine.org/article/five-facts-about-the-big-bang

 

2 thoughts on “宇宙大爆炸系列[三] 大爆炸有問題 (The problems of the Big Bang theory)

    • 小弟把伽利略跟哥白尼的生平搞混了,多謝指正錯誤。已改正為「提出日心論,令伽利略後嚟變成好似梁、遊咁嘅「過街老鼠」、「滋事分子」,因為挑戰霸權權威(天主教教廷)而不得好死嘅幕後黑手,好似係」

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