【天文盛事】大爆炸紀念日：六個宇宙大爆炸的迷思

撰文｜葉承効

西元1964年，兩位來自美國新澤西州貝爾實驗室的工程師，試圖架設一個更好的天線，結果卻意外揭開了宇宙的起源。阿諾‧彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯‧威爾森（Robert Wilson）所接收到的無線電嘶嘶聲，為第一次證實宇宙微波背景輻射（CMB）的信號。這個遺留輻射（relic glow）源於大爆炸，並散布在整個宇宙。

這個發現證實了大爆炸理論，也是現今對宇宙起源的最佳解釋。彭齊亞斯和威爾森也因這項發現而獲得了諾貝爾獎。在五十年後的今天，宇宙微波背景輻射已經幫助我們了解宇宙的年齡、形狀和組成，以及相關的發展細節。但幾乎與每一個新發現一樣，隨宇宙微波背景輻射而來的是更加令人傷腦筋的新問題。

以下是由大爆炸研究引發，且始終沒有解答的最大謎團中的其中6個：

1.為什麼早期的宇宙如此平穩？

起初，宇宙微波背景輻射的天體圖看起來穩定得令人難以置信。在大爆炸後，物質應該四處飛散，並形成不規則的團塊。但是宇宙微波背景輻射顯示宇宙仍呈現極度均勻的狀態。

1980年代，科學家提出了我們現在稱為「宇宙暴脹」（inflation）的概念：宇宙在大爆炸後很短的時間內，呈指數函數型式的快速成長。

近來，宇宙微波背景輻射的天體圖也證明了部分相關的預測。即使理論是正確的，我們仍不能詳細了解宇宙暴脹的起源、何時開始的以及它為何停止。＝任職於麻薩諸塞州劍橋市哈佛－史密松天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的阿維．勒布（Avi Loeb）表示，宇宙暴脹引發了稱為「重力波」（gravitational waves）的時空波動，而這些波的特徵將會出現在未來的高解析度宇宙微波背景輻射的天體圖。

2.在大爆炸之前，宇宙有任何東西嗎？

宇宙暴脹抹滅了各種在迅速膨脹前的蛛絲馬跡，所以我們無法藉由仰望天空來回答這個問題。此外，宇宙起源的高溫與高密度，也使我們無法用古典方程式來描述那時宇宙的擴張及演化。

一個結合古典方程式和量子力學的理論認為他們可以對於大爆炸之前的世界做出一些預測，但這樣的理論仍難以理解與驗證。當然，這並未阻止人們使用宇宙微波背景輻射去推測，宇宙究竟是一個爆炸與巨響無盡循環的活躍宇宙，還是一個從逐漸演變進化的多樣化宇宙。

3.大爆炸的光是否造就了古代生物？

宇宙微波背景輻射的光源，來自早期宇宙的大量高熱氣體或電漿。這些物質隨著時間冷卻而形成恆星和星系。今天的宇宙溫度過低，除非適當的靠近某恆星，不然難以孕育出生命。但宇宙微波背景輻射的溫度讀數顯示，在大爆炸後的1500萬年，大爆炸輻射光的溫度就足以讓整個宇宙擁有孕育生命的環境，而這個狀態約延續了數百萬年之久。由於此段時間甚短，若有古生物似乎亦不可能是複雜的生命體。

4.什麼是暗物質（dark matter）和暗能量（dark energy）？

天文學家在1964年就知道在可觀測的宇宙中，還有更多我們看不到的物質。

藉由分析近期較精準的宇宙微波背景輻射的資料，指向了宇宙所有的物質中，有80％是由這種看不見的暗物質組成的。雖然已有很多的太空實驗或地下探測器的實驗在積極搜尋此類暗物質，很可惜的是至今我們仍然不確定找不找得到，也不知道這神秘東西的性質。

此外，在1998年的超新星研究發表中指出，宇宙在大爆炸後不僅持續擴張，且加速地向外擴展。此現象歸因於一個稱為暗能量（dark energy）的奇怪力量。宇宙微波背景輻射也顯示，在宇宙的所有組成中，暗能量就佔了68％。暗能量在今日的物理學中，仍然是最神秘的力量之一。

5.宇宙的最終命運是什麼？

宇宙微波背景輻射的研究可以幫助我們持續追蹤暗能量的行為，最後預測出宇宙的終結。如果暗能量的力量穩定地成長，那麼宇宙或許將在某時會大分裂。如果暗能量（dark energy）增加後接著又再度減少，一些結構體可能從一個垂死的宇宙灰燼中再度生長。如果暗能量保持當今我們所見的比例，宇宙將會不斷地擴張，最終變得黑暗、寒冷。

6.大爆炸理論將會變成是一個無法證實的理論嗎？

勒布（Loeb）教授表示，如果一個穩定的擴張持續得夠久，宇宙微波背景輻射的單一波長將會被拉長至跟宇宙一樣大。那意味著一萬億年左右後，人類將完全無法檢測到宇宙微波背景輻射。

勒布教授說：「我們對於宇宙學研究的理解將會遺失，因為我們不再能夠在空中尋找任何大爆炸的蹤跡。大爆炸的故事將繼續流傳，而我們也無法加以證實。至於宇宙論是否會變成一種信仰？至少在未來的一萬億年內，我們不必去煩惱這個問題。」
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研究出處：Big bang birthday: Six mysteries of a cosmic bombshell

譯者：葉承効 科教中心特約寫手，從事科普文章編譯。
責任編輯：王名儒 國立臺灣大學物理學系教授