宇宙膨脹可能均速、也可能加速

愛因斯坦在 1916 年正式發表廣義相對論之前,宇宙被普遍認為是物理世界的一個背景舞台。廣義相對論描述時間、空間、物質、能量的互動,把宇宙由背景變成了主角。

愛因斯坦原本並不相信宇宙能夠膨脹或者收縮。縱使他知道他親手推導發現的方程式顯示了一個必然結果:宇宙不是在膨脹就是在收縮,他覺得這是不可能的。數學邏輯本身不可能出錯,但愛因斯坦也相信自己的推導沒有錯。因此,他只好在他的方程式加入一個人為的、不影響方程式正確性的項,就是所謂的宇宙常數 (cosmological constant)。

screen-shot-2016-10-26-at-13-29-11
愛因斯坦場方程式 (Einstein field equations)。這是一組十式獨立的方程式,描述時空、物質和能量的互動,其數學解能告訴我們宇宙如何演化。紅色方格內的項就是宇宙常數。

由於重力只能吸引、不能排斥,宇宙不可能是靜止的。想像一個拋向半空的球,它不是正在上升就是在下降,除了由上升變成下降的一瞬間和撞到地面之外,球在重力的影響下必然在運動。在星系的巨大尺度,宇宙只由重力支配,因此亦必然在運動。

引入宇宙常數的愛因斯坦以為這樣就能解決他的問題:使宇宙靜止。宇宙常數有著與重力相反的性質:使物質互相排斥。愛因斯坦認為充滿物質的宇宙在重力的影響下會收縮,因此加入宇宙常數去平衡重力的吸引,希望得到一個靜止的宇宙。

可是,哈勃 (Edwin Hubble) 發現星系正在互相遠離,而且越遙遠的星系後退的速度就越快。這只能有兩個解釋:要麼地球是宇宙的中心、要麼宇宙正在膨脹。當愛因斯坦知道哈勃的發現後,他後悔在廣義相對論方程式裡加入了人為的宇宙常數 (流傳他說過這是他「一生中最大的錯誤」的故事應該是假的)。哈勃更邀請愛因斯坦到他位於美國加州的巨型天文望遠鏡,讓愛因斯坦親眼看到宇宙膨脹的證據。

“Historically the term containing the ‘cosmological constant’ ƛ was introduced into the field equations in order to enable us to account theoretically for the existence of a finite mean density in a static universe. It now appears that in the dynamical case this end can be reached without the introduction of ƛ.” – Albert Einstein

2goqqjr6bmk8lbgq31bikok4slogn5
哈勃 (中) 和愛因斯坦 (左) 使用威爾遜山天文台 (Mount Wilson Observatory) 的 100 吋望遠鏡觀察宇宙。這是當時世界最大的望遠鏡。(Credit: Caltech Archives)

在今天,宇宙常數有一個更性感的名字,叫做暗能量 (dark energy)。1998 年,三位天文學家 Saul Perlmutter、Brian Schmidt 和 Adam Riess 帶領的研究發現宇宙不單正在膨脹,而且膨脹正在加速。這是一個非常重大的發現,連諾貝爾物理獎也罕有地在 2011 年頒給這三位天文學家 (因為天文學研究很難有實際應用)。暗能量、或者宇宙常數,因而在上世紀末重新復活。一個正在加速膨脹的宇宙,比一個靜止的宇宙需要更巨大的宇宙常數 (事實上,即使有宇宙常數,宇宙亦不可能靜止)。

宇宙加速膨脹變成了標準的教科書內容。宇宙加速膨脹的證據來自觀察遙遠星系中的超新星爆發。超新星爆發是一顆恆星死亡的訊號。超新星也有不同的種類,其中一種叫做 Ia 型的超新星爆發時所釋放的能量是 (差不多) 固定的,所以透過測量 Ia 型超新星爆發的視亮度就能計算出其距離。原理就如蠟燭火光,放在比較遠的距離看起來就會比較暗、放在比較近的距離看起來就會比較明亮。

Saul Perlmutter、Brian Schmidt 和 Adam Riess 帶領的研究發現,相對於一個均速或減速膨脹的宇宙,Ia 型超新星爆發的視亮度比預期的暗太多了。換句話說,這些 Ia 型超新星位於比預期更遙遠的距離;換句話說,宇宙在加速膨脹。

1k-kfov5xye6rtbq40zy0ja
不同的宇宙模型 (左至右):減速、均速、加速膨脹。(Credit: The Cosmic Perspective/Jeffrey O. Bennett, Megan O. Donahue, Nicholas Schneider, and Mark Voit)

這是上世紀的發現,他們的研究用了七十多顆 Ia 型超新星。現在,Ia 型超新星的樣本數目已達當年的十倍之多。隨著數據量增加,天文學家亦逐漸開始使用更合適的統計方法更新 Ia 型超新星的宇宙膨脹研究。例如 J. T. Nielsen、A. Guffanti 和 S. Sarkar (2016) 的研究與及其他幾個獨立研究均發現,大量的 Ia 型超新星爆發的數據與均速膨脹的宇宙都吻合。他們認為當年使用的統計方法過於簡單,未必適用於少量數據。

不過,他們的研究同時亦指出,加速膨脹的宇宙同樣與 Ia 型超新星爆發的數據吻合。換句話說,我們最多只能說宇宙可能正在均速或加速膨脹,並不能排除其中一個可能性。在加速膨脹的宇宙模型裡,天文學家需要比全宇宙所有物質和能量的總和大約 14 倍之多的暗能量才能解釋觀測結果。如果宇宙膨脹並沒有加速,那麼暗能量可能並沒有我們以為的那麼多、或者根本不需要暗能量。

screen-shot-2016-10-26-at-11-27-52
Nielsen et al. (2016) 的論文顯示均速 (紅色線) 和加速 (藍色線) 膨脹宇宙模型都可以解釋 Ia 型超新星爆發的觀測數據。

Nielsen et al. (2016) 的論文並沒有如某些媒體所寫的「證明宇宙沒有加速膨脹」。我們必須小心分辨媒體的可信性,而且即使是有公信力的媒體,也不可能避免所有錯漏。在看科學新聞時,如果對報導有所懷疑,最好的做法就是直接找原論文來看、或請教相關的研究專家。

愛因斯坦究竟有否犯下「一生最大錯誤」,仍有待大自然提供更加多的科學數據。

Nielson et al. (2016) 論文:Scientific Reports 6, Article number: 35596 (2016)

後記:

宇宙學家朋友 Godfrey 讀過此文後,贈與一些補充資料。

宇宙常數和暗能量的概念有點不同。宇宙常數可以是正數、零、或負數,當負數時其影響與重力相反。宇宙常數是一種真空能量 (vacuum energy),其密度不會隨宇宙體積變大而減小。可是,物質和能量的總和不會增加,因此質能密度會隨宇宙體積變大而減小。所以在平直 (flat) 的膨脹宇宙之中,如果宇宙常數非零,無論數值多少最後也必定能支配宇宙演化。

另外,Ia 型超新星並不是宇宙加速膨脹的唯一證據,例如宇宙微波背景 (cosmic microwave background) 也顯示宇宙可能在加速膨脹。諾貝爾奬得主 Adam Riess 更親自寫了一篇文章解釋誤解,他說宇宙加速膨脹的可能性只是由 99.99999% 降至 99.97% 而已,與某些傳媒誇張頭條相去甚遠。

Adam Riess 在 Scientific American 的文章:Have Astronomers Decided Dark Energy Doesn’t Exist?

封面圖片:宇宙演化模型 (Credit: NASA/WMAP Science Team)

延伸閱讀:

讀論文》- Edward Ho

淺談 E=mc^2:愛因斯坦 137 歲誕辰》- 余海峯

你也能懂相對論》- 余海峯

科學家巡禮:拋開常識的學者.愛因斯坦 (Albert Einstein)》- 余海峯

Advertisements

論教育

理查.費曼 (Richard Feynman) 晚年曾接受電視台訪問他關於教育的看法。他說:「不存在『你要以算術去做』或『你要以代數去做』這種事情。這是他們在學校裡發明出來的虛假陳述,使得要學習代數的學生們就可以合格。」

去年網絡流傳一張美國 grade 3 數學功課的照片,問題是 5 x 3。功課要求 “do it by repeated addition”。學生寫 5 + 5 + 5,仍然是錯。原來教學指引寫 5 x 3 “is five groups of three”,所以「正確」答案是 3 + 3 + 3 + 3 + 3。

今天又流傳一張台灣小學三年級數學功課的照片,問題是 901 – _95 = 106,求 _ 內應填什麼數字。小學生填上了 7,更給出了直式減法解釋 901 – 795 = 106,因此 _ 內應填 7。這是完美的數學推導過程。可是,老師用紅筆說錯,因為學生「應該」用「約數」去推論 901 ~ 900,106 ~ 100,所以 901 – 106 ~ 900 – 100 = 800,而 795 ~ 800,因此 _ 內應填 7。

這是教育的悲哀。教育當局發明了這種沒有意思的規則要學生遵守。遵守的人就可以得到分數。數學裡根本沒有所謂正確的方法,數學只在乎合邏輯與否。如果 5 x 3 = 3 + 3 + 3 + 3 + 3,那麼 5.1 x 3.7 呢?Pi x 2 呢?虛數 i x 10 呢?

There is no such a thing as you do it by arithmetic or do it by algebra. It is a false statement that they had invented in school. So that the children who have to study algebra can all pass it.

費曼早在三十年前的電視節目上批評過這種機械式的教學方法扼殺學生的思維和創意,學生根本不明白他們在做什麼。我相信,教育應該令學生感到學習是有趣的。我們要令孩子們愛上學習,引導他們思考問題,而不是強逼他們背誦人為的規則。

這就是為什麼我以寫網誌、拍影片的方式分享我所喜愛的科學。因為學問本應是有趣的,學習本應是愉快的。我覺得物理學好有趣、科學好有趣、數學也好有趣,所以我想跟其他人分享我感受到的喜悅。謹此而已。我希望我的下一代能夠以快樂的方式學習他感興趣的東西。

費曼引言影片:

重力波:2016年邵逸夫天文學奬

隨著今年2月11日美國激光干涉重力波天文台 (LIGO) 公布人類首次直接探測到重力波之後,其理論和實驗的先驅研究者羅奈爾特・德雷弗 (Ronald Drever)、基普・索恩 (Kip Throne) 以及雷納・韋斯 (Rainer Weiss) 在5月11日得到了邵逸夫天文學奬。

screen-shot-2016-10-04-at-15-56-48
三位得奬者的邵逸夫奬官方照片。

第一次直接探測重力波在廿一世紀的今天的意義,就好比在十七世紀時伽利略首次用望遠鏡看夜空一樣。電磁力與重力都是已知四種基本力的兩種。可是,對比於人類自演化以來已經非常熟悉的重力,人類觀察宇宙的手段卻一直局限於電磁波,也即是光。就連在1933年才首次被費米提出的弱力,也已經早被天體粒子物理學家利用來觀察宇宙的微中子了。

為什麼重力波一直未能被應用於天文觀測?原因非常簡單:因為重力實在太弱了。在原子的尺度裡,重力比弱力足足弱了29個數量級,即是小數點後跟了28個0。LIGO在2015年升級為Advanced LIGO之前,地球上跟本沒有一個儀器能夠探測到來自宇宙深處最強的重力波。

究竟什麼是重力波?我們需要簡單介紹一下愛因斯坦在 1916 年發表的廣義相對論。廣義相對論徹底推翻牛頓重力理論,把重力由牛頓時代一直被認為是一種不需要時間傳遞的超距力,以複雜但極其優美的數學重新描述為時間和空間的漣漪。換句話說,重力需要時間傳遞。廣義相對論說時空能夠被物質或能量所扭曲,因此時空原來一直都積極參與物理世界的演變,而非一成不變的背景舞台。

我們來看看時空被物質扭曲的情況。想像時空是一張彈床的表面,如果上面有兩個重量相當的保齡球,它們就會互相圍繞轉動。就好像在水中用兩隻手指互繞轉動形成向外擴散的波浪般,彈床表面亦會形成波浪。說回重力,當兩個黑洞互相圍繞公轉,時空亦會因它們對時空施加的循環拉扯而形成向外擴散的波浪。這個重力的波浪,就叫做重力波。

Screen Shot 2016-02-11 at 01.00.23
兩個極高質量天體互相環繞運轉,在時空中產生漣漪。Credit: LIGO Lab

愛因斯坦的廣義相對論預言的時空扭曲效應,例如重力透鏡、宇宙膨脹、黑洞等等,都已經一一被天文觀測所證實。重力波這個最後的廣義相對論預言,在2016年,即愛因斯坦發表廣義相對論100週年被證實,也可說是一個美麗的巧合。

我們知道,每一個科學家在發現的過程中,都是站在許許多多巨人的肩上的。重力波的發現亦不例外。人類終於能夠以重力去觀察宇宙,歷代數不清的科學家、工程師和技術員,全部都功不可沒。或許,就如費曼說過,科學家在研究的過程中已經得到來自大自然最大的奬勵,就是發現的樂趣。無論如何,讓我們在恭賀得奬者的同時,也感謝所有為探測重力波貢獻過的人。

封面圖片:NASA 的重力波模擬圖。

延伸閱讀:

愛因斯坦教授 你是正確的

銀河消息:人類首次聆聽重力波

重力波:愛因斯坦的最後預言 (下)

重力波:愛因斯坦的最後預言 (中)

重力波:愛因斯坦的最後預言 (上)