【專題報導】回首宇宙暴脹來時路

■相信大家可能不是很清楚「宇宙暴脹論」 (cosmic inflation) 跟傳統的「宇宙膨脹論」 (cosmic expansion) 有何差別，今天的專題報導就為您說說宇宙暴脹論的研究歷史。

編譯｜高英哲

亞倫．古斯博士 (Alan Guth) 是最早想出宇宙暴脹假說的物理學家之一。他早在1979 年於史丹佛大學擔任訪問學者時，就在鑽研一個超越當時已知物理學領域之外的謎團：大霹靂理應會創造出許多種奇特的粒子，為何它們半點蹤跡也沒留下？他的想法是：如果當初造成宇宙演化的大霹靂發生的一瞬間，結合了一股暴衝的特殊能量，導致宇宙膨脹的速度比光速還快，那麼這個迅速膨脹的現象，就會消弭原本存在的一切時空皺摺與不規律處。那些奇特的粒子並不是消失不見，只是被暴脹的宇宙稀釋到偵測不出來罷了。

古斯在 1980 年正式提出宇宙暴脹理論，用來修正傳統的大霹靂理論。宇宙暴脹理論吸引了許多人注意，因為它可以解決許多傳統大霹靂理論無法回答的困難問題；不過古斯自己也馬上就發現到，他提出的理論與觀測資料有矛盾之處。俄羅斯物理學家安德烈．林德 (Andrei Linde) 在 1980 年代初期，把古斯的模型稍事修改，形成一個「新宇宙暴脹理論」；後來又在 1983 年，將其修訂成為相當受歡迎的「永恆渾沌暴脹理論」。這兩個理論的預測結果，與實際觀測資料相當契合。

宇宙暴脹假說對於宇宙學有著深遠的影響。倘若宇宙暴脹假說是真的，那就表示這個在太空中縱橫 140 億光年，內含數千億個銀河系的宇宙，只不過是浩瀚蒼穹中微不足道的一小部份而已；超出我們這個宇宙之外的，可能還有無以計數的其他宇宙，像是一鍋煮開的麵湯水一樣，泡沫永無止盡地翻攪著。

話說很久很久以前……

物理學家認為現在世界上存在有四種作用力：重力、電磁力、強交互作用、以及弱交互作用。不過他們一直在懷疑，這四種作用力會不會只是一種早在宇宙生成之初，就在統御支配萬物的單一作用力，以不同的面貌呈現在世間而已。這套理論認為宇宙生成時極為熾熱，後來隨著宇宙逐漸冷卻下來，統御萬物的單一作用力逐漸裂解為好幾種不同的作用力，最終演變為今日的物理學定律。

就像一杯水在某些情況下，即使溫度降到冰點以下，仍然能夠保持液態一樣，宇宙也有可能維持在一種「超冷」的統合狀態。一杯溫度低於冰點的水，其穩定狀態若是受到干擾，就會突然結冰，同時釋放出潛在的熱量；同樣地空間本身也可能蘊含著一股神祕的潛在能量，以愛因斯坦的廣義相對論來說就是某種反重力，宇宙就會在剎那間爆炸開來。

由於這股爆炸衝力來自於空間本身，所產生的空間愈大，就會愈發難以為繼，因此這股衝力很快就會和緩下來，形成一般的尋常粒子與輻射，造就出我們如今可以觀測到的宇宙。

「人們經常說天下沒有白吃的午餐，不過宇宙可能還真的是一份白吃的午餐哩！」古斯很喜歡這樣說。

事實上這樣的免費午餐可能所在多有：根據古斯原先設想的宇宙暴脹理論，所衍生出來的上百種宇宙生成模型，大多認為即使我們這個宇宙已經穩定下來，進入一種緩慢溫和的擴張狀態，不過其他各處仍然有此起彼落的爆炸產生，這就是所謂「多重宇宙」的概念。

追根溯源

宇宙暴脹假說提出至今，已經有 35 個年頭了，包括古斯本人在內，都曾經懷疑這套假說會不會永遠也無法證實。然而由哈佛—史密松天文物理學研究中心的約翰．柯維奇博士 (John M. Kovac) 領導的天文學家研究團隊，在南極用望遠鏡偵測到時空結構的漣漪（也就是愛因斯坦所說的重力波），結果顯示宇宙在大霹靂發生後不到一兆分之一秒的剎那間，發生了劇烈至極的暴脹效應。

柯維奇博士一直致力於研究重力波的奧秘，他是「宇宙泛星系偏振背景成像」(Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, BICEP) 計畫的帶頭科學家之一，這項計畫利用設於南極的高感度無線電波望遠鏡，對宇宙微波背景輻射進行觀測。打從 1994 年開始迄今，已經跑了 23 趟南極的柯維奇說：「南極是你在地面上，能夠最靠近太空的地方。」

宇宙微波背景輻射是在 1964 年，由貝爾實驗室的亞諾．潘奇亞思 (Arno Penzias) 跟羅伯特．威爾森 (Robert Wilson) 意外發現的——他們起初還以為是鴿糞掉到天線上造成的干擾，後來才發現這是宇宙生成之初留下的痕跡，並因此於 1978 年獲頒諾貝爾物理學獎。柯維奇參與的研究團隊，在 2002 年發現宇宙微波背景輻射有偏振現象，這為最終能夠偵測到重力波奠定了基礎。理論學家認為重力波會導致微波的偏振方向扭曲，因此天上的微波偏振方向，應該會像是畫滿了螺旋狀的小箭頭。不過要偵測到這些螺旋，就要能測量出微波之間小到間不容髮的溫度差；柯維奇的研究團隊所設的 BICEP2 望遠鏡，基本上就是一隻用來測溫的巨大溫度計。

研究團隊測到的訊號強度，大大出乎他們意料之外。為求慎重起見，他們把資料拿去哈佛大學的超級電腦上分析一整年，確定觀測結果正確無誤。柯維奇說觀測結果出錯的機率大約是一千萬分之一，這是十分確鑿的證據，證實古斯的宇宙暴脹假說無誤。

今年 67 歲，現任麻省理工學院教授的古斯表示，他壓根沒想到自己有生之年能夠看到如此確鑿的證據：「研究大自然向來需要一點運氣，顯然我們蠻幸運的。」消息也傳到了人在加勒比海渡假，現任史丹佛大學物理學教授的林德耳中，他同樣難掩興奮之情：「我期盼這天到來已經有 30 年了，這真是破壞假期最棒的一種方式。」

不過在宇宙暴脹發生之前的情況，我們可能永遠也沒有機會一窺究竟。宇宙生成之前的一切渾沌，都在宇宙暴脹的那一瞬間被消弭殆盡，沒有留下蛛絲馬跡。跟柯維奇同樣任職於哈佛—史密松天文物理學研究中心，不過並未參與這項研究的天文學家亞伯拉罕．羅布 (Abraham Loeb) 說：「你若想探究盤古開天的宇宙根源，最終就只能追溯到宇宙暴脹的那一剎那，再往前就沒辦法了。」

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研究出處：Space Ripples Reveal Big Bang’s Smoking Gun

譯者：高英哲 科教中心特約寫手，從事科普文章編譯。
責任編輯：Kerina Huang