愛因斯坦的方程式(CK0017)
God’s Equation : Einstein, Relativity, and the Expanding Universe

類別： 自然‧科普‧數理>天文
叢書系列：科學人文系列
作者：阿米爾．艾克塞爾
       Amir D. Aczel
譯者：戴季全、姚若潔
出版社：時報文化
出版日期：2001年08月20日
定價：250 元
售價：198 元(約79折)
開本：25開／平裝／264頁
ISBN：9571334626

【艾克塞爾的追溯之旅｜宇宙學的發現之旅 1｜宇宙學的發現之旅 2｜書摘 1｜書摘 2｜書摘 3｜書摘 4｜書摘 5】

▼  書摘 2

第一種情形是，宇宙最後會收縮關閉。在這種假設下，宇宙的膨脹終究會停止而後開始衰潰，因為宇宙中所有物質相互的重力吸引而衰潰回至原點。另一種情形是，宇宙的膨脹會逐漸緩慢下來，到達一個穩定、平衡的狀態，直到永遠。科學家和大眾似乎都比較偏愛第一個劇本，因為從哲學的角度來看，第一種結果比較符合這種信仰：即使在 50 億年後，太陽死亡，而很遠很遠的未來宇宙開始收縮，在完成了從大霹靂到大毀滅的循環之後，宇宙可能會有再一次的大霹靂，產生另一個地球與新的生命。

宇宙膨脹最後會趨於穩態的說法則較不被科學界接受，但還是有其可能性。如果宇宙的質量恰好可以使膨脹停下來，又沒有足夠的重力讓所有物質重新聚集。

只有一小部分的科學家贊成第三種可能性：宇宙將無限制地永遠擴張下去。而基本上根本沒有人想像這種難以置信的可能：宇宙的擴張速度其實正在增快。然而，即使再三思索這不可思議的想法，普密特仍然無法忽略觀測資料所透露出的訊息；遙遠處的超新星連同其星系，它們遠離地球的速度比預期的要慢，慢於較接近我們的星系。他下了結論：這只可能意謂著一件事情，宇宙正在增加他的擴張速度。

這個發現背後的理由並不是很明顯，思考這個問題的時候還得要加上一個觀念：時間。這兒是一個略去細節的簡化說明：當一個天文學家描述一個 70 億光年遠的星系時，他（她）所看到的是 70 億年前光線開始朝向我們而來時的景象；意思是，當我們利用紅位移估算該星系遠離的速度時，那是它 70 億年前的遠離速度。同樣的道理，10 億光年遠的星系的離去速度，是 10 億年前的。現在，如果遠處星系的遠離速度比鄰近星系的離去速度要慢，表示 70 億年前的離去速度——也就是宇宙擴張的速度——比 10 億年前要慢。換句話說，宇宙的擴張速度是在增加中的。

普密特為此感到躊躇迷惑。早幾年前他開始這個計劃的時候，是希望能夠估量出宇宙擴張速度的減少程度，他從未預料到宇宙始終都是在增加它的膨脹速度。有什麼東西根本地干擾著這個結論。而那就是當普密特觀看紅夕的時候開始思考的東西。夕陽是紅色的，天空是藍色的，這是每個物理初學者都能背誦的「瑞利定律（Rayleigh‘s Blue Sky law）」。大氣層依光的頻率不同而吸收不同程度的色光，其中紅光因為具有低頻率、寬波長的性質，比藍光容易穿過塵埃及空氣分子。普密特是個謹慎的科學家，而每一個科學家都得小心提防數據的背後可能隱藏的誤差，尤其當他要做出一個重大結論——可能是天文史上繼哈伯 70 年以來的最重大發現。

讓普密特感到困惑的是他的數據品質顯然非常之好。他半預期地認為他們的觀測數據會因為常見的觀察誤差而不能用；就像我們在自己的銀河裡發現的微塵，他們小組所觀察到的星系應該也有很多的微塵存在著。那些微塵粒子會使得遠古爆炸的光芒，如同夕陽般呈現紅色。然而，超新星發出的光輻射卻涵蓋了整個可見光的光譜範圍（如果不計紅位移的效應——那會使得星光在光譜上均勻的位移）。這現象讓普密特瞭解，僅有微乎其微的細塵介於觀測的範圍之內，所以觀測結果的品質超過預期的高。數據告訴他必需相信——宇宙的確是以越來越快的速度向外擴張著。這是多麼驚駭的一件事：我們的宇宙是無限的。

普密特在發表完他們小組特別的發現之後對我說：「想像一個三度空間的立方體，立方體的每一個角都有一個星系，現在讓立方體不斷擴張；從我們的銀河系這一角到其每個角之間的距離持續增加著。」而增加的速率，也就是每個角與角之間的空間產生出來的速率，也在不停上升中。既然空間產生得愈來愈快，沒有任何事物阻止它，它便將永無止盡的擴散。我們的銀河將會擴張到無限。10 億年後，遙遠星系和我們之間的距離會更形遙遠，而下一個 10 億年所增加的距離將比第一個十億年所增加的距離更長更遠，再下下個十億年、再下下下個……，沒完沒了。

既然觀測數據看來已經排除了誤差，它所傳達的訊息也清楚無誤，那麼便是公布給大眾知道的時候了。1998 年 1 月在「美國天文學會（American Astronomical Society）」發布後，舉世譁然。大家並不期望一個無限的、不斷加快擴張速度的宇宙。多數的科學家甚至背地裡都希望這是一個自我更新、一個世代交替著膨脹縮潰，一個四季交替的宇宙花園。但似乎事與願違，宇宙注定了要擴散淡釋，星星們也終將爆炸成超新星或者就像漂泊的星雲般任其大氣流逝而去、而亡。在我們的銀河系裡，新的星體藉著死亡恆星的殘餘物誕生，各種化學物質在垂死恆星的內部製造出來，以此讓生命得以創造發展。但是如果宇宙的擴散持續下去，而使得宇宙的密度越來越低的話，到最後，在幾兆年以後，宇宙將會是一個以中子星為碑、黑洞為墓的恆星墳場。

於是現在困擾著科學家們的問題是：為什麼？這個空前新發現的解釋到底是什麼？這也許要由另一種宇宙中無法直接觀測的神祕力量才能解答；物理學家稱這種神祕力量「負壓」，也就是「真空能」，或者乾脆叫它「趣能（funny energy）」，它可以對抗萬有引力產生的吸引力。有某種東西存在著，將星系們向外推去、將彼此分離開來。

在 1998 年 1 月的那次會議中，其他的科學家用相異的分析方法也做出了同樣的推論。普林斯頓大學的天文學家妮塔．巴克和范曉華（Xiaohui Fan），研究的是距地球幾十億光年遠的大星系簇，在會議中公布的結論同樣可以推論一個擴張中的宇宙；巴克和她的同事以星系簇質量密度的研究為基礎，從三種不同的技術發現，我們存在於一個「低於標準質量（lightweight）」的宇宙。他們所有的研究都個別指出，我們的宇宙很可能只有「標準質量」的 20 ％質量密度，而不足以引起衰潰形成新的大霹靂。

同樣是普林斯頓大學的艾瑞克．蓋拉（Erick Guerra）和露絲．戴利（Ruth Daly） 藉著研究 14 個無線電星系，也做出了相類似的結果；他們的分析又一次指出，宇宙的質量很可能比停止膨脹所需的質量要來的少。所有在這次會議中所報告的新發現，似乎正把一個長久以來束之高閣、難以忘懷的科學觀念，從歷史的垃圾箱中帶回這個宇宙、這個世界。

宇宙學家和天文學家在芝加哥附近的「費米國家加速器實驗室（Fermilab）」安排了一次緊急會議，討論這些新的結果。這個會議在 1998 年 5 月 4 日由保羅．史坦哈特（Paul Steinhardt）所主持。他是一位年輕聰穎的宇宙學者，目前任職於普林斯頓大學。不知所措的科學家從世界各地而來，齊聚在芝加哥，討論宇宙擴張的加速，以及宇宙可能質量不足的事實。方程式能不能適用於新的數據、並給予合理解釋？愛因斯坦的場域方程式對科學家們來說正是一個天成的工具。但它無法解釋宇宙的加速擴張，除非重新把一個古老的辭彙加回愛因斯坦的方程式裡；這個辭彙在很久以前就被它的發現者所拋棄，後來並被稱為「愛因斯坦最大的錯誤」。宇宙常數（cosmological constant）回來了。