加速膨胀中的宇宙──不可忽视的黑暗能量

【明慧网2005年1月10日】你可知道我们所存在的宇宙正在不断的加速膨胀当中?在二十一世纪初的现在,最新天文观测结果赋予我们的宇宙崭新的诠释。凡是探讨宇宙起源及演化过程所衍生而成的一门学问,我们即称之为“宇宙论”。然而,如何从许许多多天文观测的数据中,思索及构造科学的宇宙观是本世纪人类最大挑战之一。

古代中国人认为盘古开天辟地,旧约圣经创世纪篇叙述神如何创造天地与万物,对于宇宙的描述均脱离不了神学及哲学的思维。然而,科学的宇宙观的建立,却起源于二十世纪初(西元1929),美国天文学家哈伯(Edwin Hubble)尝试观测遥远的星系所发射的星光,利用三棱镜分光原理解析星系光谱,分析各波长(也就是,各种不同颜色的光)的光谱线相对明暗程度可了解星系的表面温度,例如波长短较长的光(如红光)光谱线较波长较短的光(如蓝光)光谱线亮,代表星系表面温度低;反之,则代表星系表面温度高。然而,观察结果发现有些波长的光的光谱线消失了,而成为星系特有的特征暗线或吸收谱线。

我们知道每一种化学元素都会吸收某些波长的光。星系所发射的星光,某些波长会被周围大气气体化学元素所吸收,其余波长则会穿透星系周围的大气气体而照射到地球,造成了连续光谱中特征暗线或吸收谱线。因此,如果将这些星系吸收谱线和标准化学元素吸收光谱相比较,借此了解星系周围大气气体的化学元素组成。观察结果可发现,星系特征谱线的波长较相对应之标准化学元素光谱的波长要长些,换句话说,也就是星系特征谱线的波长均往光谱红色波长方向偏移,此现象我们称之为“红位移现象”。

什么样的光源会造成光谱线波长的偏移?根据“多普勒效应”(Doppler effect)可解释:当光源或声源和观测者之间有相对运动时,例如光源或声源远离观测者时,光源或声源所发射出的光波或声波的波长,会较观测者所接收到的光波或声波波长要长些,频率低要些。例如驶离我们的汽车,其引擎声音频率会变低,声波的波长也会变长。因此,根据多普勒效应,我们可以知道遥远的星系正在远离地球。更进一步的分析可发现,离地球愈远的星系,其远离的速度愈快,这也就是所谓的“哈伯定律”(Hubble's law)。

“哈伯定律”证实了宇宙并非是完全静止的,而是正处于迅速膨胀的状态。例如离地球一亿光年的星系(光在真空中行进一年的距离为一光年,约为九、五兆公里),远离我们的速度约略为一百五十分之一光年,假设星系远离我们的速度不变,时光倒流,则大约一百五十亿光年前,我们和一亿光年的星系处于同一点。又例如离地球二亿光年的星系,远离我们的速度约略为离地球一亿光年的星系速度二倍,约为七十五分之一光年,则大约一百五十亿光年前,我们和二亿光年的星系处于同一点。因此,我们可推论一百五十亿光年前,所有的星系均于同一点,此为宇宙的起源点。由此可估算宇宙的年龄大约为一百五十亿光年。另一方面,星系的观测主要是依靠各种波长的光的传递,且光速为物理讯息传递的速度上限,所此,我们可以说“可观测的宇宙”是有限的,其大小约为一百五十亿光年。哈伯观测的结论可说是二十世纪宇宙论重大的突破之一,它同时也开启了近代宇宙论实验及理论的探讨。然而,我们不禁要问:宇宙为什么会膨胀?

西元1965年,二位美国物理学家,威尔逊(Robert Wilson)与潘佳斯(Arno A. Penzias)在新泽西州(New Jersey State)的贝尔实验室(Bell laboratory)发现了来自外太空中所有方向的“宇宙微波背景辐射”(Cosmic Microwave Background Radiation),辐射微波的波长约为0.05公分至10公分左右,因而荣获1978诺贝尔物理奖。他们主要的贡献是,我们知道任何有温度的物体均会发射辐射,例如温度为摄氏37度的人体所发射的辐射波长约为千分之一公分,属于红外线范围,因为不在可见光的范围之内(可见光波长为0.000001公分),所以肉眼看不到,需特殊光学配备才可侦测到。微波波段的辐射相当于摄氏负270度(凯氏温度为3度),所以可推论宇宙现今的温度为摄氏负270度,而造成各方向性辐射微波。因此,我们可以想像,当时光倒流,早期宇宙应为质量密度高的炽热的火球,星系之间的重力吸引力或者万有力无法克服热膨胀效应,造成宇宙不断膨胀及星系互相远离与宇宙温度不断下降至今,余温为摄氏负270度,这为宇宙为什么会膨胀下了一个注脚。也因为星系之间的重力吸引力,宇宙应正在不断的减速膨胀中。

宇宙如何膨胀?有膨胀中心吗?我们在地球上可观测到各方向性的宇宙辐射,这表示地球是膨胀中心吗?答案是否定的。

观测结果发现:在大约十亿光年尺度下,星系的分布是均匀的,如果宇宙膨胀有膨胀中心,且距离膨胀中心愈远的星系远离膨胀中心愈快,会造成星系分布的不均匀性,而违反观测结果。因此,宇宙膨胀是没有特定的膨胀中心,每个星系均为宇宙膨胀中心。如何将宇宙膨胀图像化呢?举例而言,我们的宇宙生存在气球表面上,气球在充气膨胀过程时,气球表面上的每一点都可说是膨胀中心;换言之,在气球表面上任何一点往各方向观察,都可发现四周的点均远离观察位置,也就是每个星系均互相远离,而且之间的距离愈来愈远。

大约一百五十亿年前,宇宙有个起源,它是质量密度高的炽热的火球,而且不断膨胀、冷却至今。这样的过程我们称之为“标准宇宙模型”(Standard cosmological model),或“大爆炸模型”(big bang model)。

(原载东华大学物理咨询网站)