【文╱吳俊輝(台灣大學物理系暨天文物理研究所教授,劍橋大學宇宙學博士)】

 

吳俊輝教授與2006諾貝爾物理獎得主、上帝之臉發現者司慕特教授合影。

 

台灣時間2013年3月21日下午5點,歐洲太空總署(ESA)召開記者會,公開發表了人類史上最先進「時光機」—普朗克(Planck)太空望遠鏡所攝得最精細的「宇宙嬰兒照」,除了讓人類更加了解宇宙的起源與本質之外,其中更暗藏了不少令人費解及玩味的新玄機,接下來這幾年宇宙學家們有得忙了!

 

我們看到的都是「過去」的世界

由於日光從太陽出發約需八分鐘才能到達地球,我們所見到的太陽是它大約八分鐘前的樣貌。同樣地,你所見到的三公尺外景物,其實是它在0.00000001秒前的樣貌;望遠鏡所見到的十光年遠星星,是它十年前的樣子。依此類推,只要看得夠遠,理論上就能看到宇宙誕生時的樣貌。然而,初生時的宇宙充滿著霧般的自由電子,會阻擋光子的自由傳播,使人無法真正看到宇宙誕生的瞬間,這就像是人在霧中行走時,視線有限的原理一樣。目前人類所能見到最遠、最古老的光,是來自宇宙年齡大約38萬歲的「嬰兒時期」,那是這些電子霧氣散去的時刻。

普朗克計畫利用搭載在人造衛星上的超靈敏偵測器,累積了十五個半月的觀測資料,日前首度公開人類史上所獲得最精細的宇宙嬰兒照。這些來自「過去」的宇宙訊號叫做「宇宙微波背景」(簡稱CMB),首度在1965年被Penzias及Wilson發現,他們便於1978年獲得諾貝爾物理獎。爾後Mather及Smoot所主導的COBE計畫更於1992年偵測到這些遠古訊號中的細微強弱變化(稱做宇宙微波背景「異向性」),合理解釋了當今日月星辰的由來,兩位科學家也因此在2006年獲得諾貝爾物理獎。

Smoot是我十多年前旅居美國時的同事,他當時把這個以七彩表述的CMB異向性稱為「上帝之臉」,裡面暗藏了不少宇宙起源及演化的玄機!

 

普朗克計畫所觀測到的宇宙微波背景異向性,俗稱上帝之臉,是目前人類所觀測到最精細的宇宙嬰兒期樣貌。

 

上帝的臉左右不對稱?

普朗克計畫所見到的上帝之臉大致符合目前「宇宙學標準模型」的預測,但它左、右半臉的整體分布形態並不對稱,而且在中間偏右處還出現了一個之前一直被忽略的冷區(如上圖所示,紅色代表高溫、藍色代表低溫)。這兩大特徵都是目前標準模型所無法解釋的。

標準模型已被沿用數十年,它主張宇宙在大尺度及各方向上的物理性質應大致相同,而且宇宙在誕生後約兆兆兆分之一秒不到時曾發生過「暴脹」(inflation),這個過程不但讓宇宙膨脹了至少一百兆兆倍,而且透過量子效應生產出可以成就今日星斗的「種子」!上帝之臉即是這些種子初發芽時的樣貌,也因此蘊藏著宇宙起源及演化的奧祕。

如果上帝之臉的不對稱性及局部冷區屬實,那麼表示我們用以探討宇宙的理論模型仍有欠完備,這一方面不禁令人感到無奈,但另一方面卻又教人興奮,因為故事若按照預料中的情節發展就太沒意思了。

 

宇宙年齡多了一億歲?

透過對上帝之臉的分析,我們還發現用以定量描述宇宙現今膨脹速率的「哈伯參數」比之前的估算值小了至少3%,而且宇宙現今的年齡也比之前的估算值大了一億歲,應約為138億歲。不少人對宇宙年齡上修感到大驚小怪,其實近幾年來我在公開場合都採用140億歲,而且認為這138億歲應該還不是最終答案。任何有科學素養的人都不應過度執著於這些經過理論層層推演出來的間接數字,畢竟我們不是造物主,宇宙學的研究還有很長的路要走。

 

暗能量比之前的估計值少?

藉由上帝新臉估算出的結果中,還有一項引起騷動,就是宇宙中的「暗能量」總量已從之前的估計值下修了數個百分點到68%,「暗物質」的總量上修至27%,一般物質的總量上修至5%。若秉持著和面對宇宙年齡問題時相同的態度,或許我們也不該反應過度。

 

後續發展

普朗克計畫是於2009年發射進入太空,預計於2014年完成所有任務並發布其最終的觀測及分析結果,這次的波瀾只是個開端,往後還會有多少失望或驚喜我們並不知道。當我們對宇宙探索得越深入,便越見自己的無知和渺小。宇宙學的研究是一則不會有結局的冒險故事,且讓我們一起耐心地看下去吧!

 

完整內容請見《BBC知識國際中文版》第二十期(2013年4月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

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