来自137 亿年前的讯息!透过重力波,一窥「宇宙诞生」的真相──《大人的宇宙学教室:透过微中子与重力波解密宇宙起源》

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重力波不只能提供星体的资讯!

说到重力波,一般人可能会想到黑洞、中子星、超新星这三个引发话题的星体。不过,只有在这些星体事件发生的「瞬间」,才会产生重力波,就像宇宙中的一场秀一样。而当重力波通过後,就无法再侦测到这些资讯。

  • 延伸阅读:重力波很难懂?简单明了的重力波捕获现场——科学超抖宅报

譬如,LIGO 在 2015 年 9 月捕捉到的就是「来自 13 亿光年外星体的重力波」。不过,和宇宙年龄相比,这其实是相对较年轻的星体事件。

我们有没有办法捕捉到很久很久以前,宇宙刚诞生时产生的重力波,也就是暴胀时期产生的重力波呢?

为什麽宇宙正在急速膨胀?

138 亿年前,宇宙在超高温、超高压下,以「火球」的样貌诞生,这就是所谓的「大霹雳」。在这之後,随着宇宙的急速膨胀,温度与密度逐渐下降,然後演变现在的样貌。

这就是大霹雳宇宙论,也是目前多数学者支持的标准宇宙论。

那麽,为什麽会产生「火球宇宙」这个超高温、超高压的世界呢?为什麽宇宙不是一直保持原样(不是保持相同大小),而是会急速膨胀呢?目前有一个较被接受的说法,那就是前面提过许多次的「暴胀理论」

在这个理论中,宇宙初期并没有任何物质或光,而是一个充满能量的真空。透过这些真空能量,宇宙用比光速还快的速度,呈指数函数膨胀。

而在暴胀时期结束後,这些真空能量转变成了光(火球),於是产生了超高温、超高压的宇宙,这就是所谓的大霹雳。

不过,如果空间中存在许多能量的话,应该会存在像重力这样使空间收缩的力才对。为什麽空间会以超越光速的速度迅速膨胀,进入暴胀时期呢?

学者们用「暴胀子场」这种量子场中的真空能量,说明暴胀时期。

暴胀子场是个未证实存在的纯量场。就目前而言,它的存在仍处於假说阶段。

目前已知的纯量场,譬如 2012 年时,由瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织 CERN 在 LHC 实验中发现并发表,由希格斯玻色子产生的希格斯场。研究者们也因此而获得 2013 年诺贝尔物理学奖,各位应该还记忆犹新。

137亿岁的宇宙,至今仍然不断膨胀

暴胀子场与希格斯场在质量与粒子的结合力上,都有着很大的差异。暴胀子场的真空中,会产生长时间的负压。而这个负压会造成宇宙加速膨胀。

这点与目前的暗能量机制十分类似。有人猜想暗能量可能是未发现的纯量场。与暴胀时期相同,目前的宇宙中可能存在着未知纯量场的真空能量,就像暗能量般,占了全宇宙能量的 70%。

  • 延伸阅读:宇宙学的最大谜团!暗物质、暗能量组成超过90%的世界,却仍无法探知他的真面目──《大人的宇宙学教室:透过微中子与重力波解密宇宙起源》

宇宙中占了 30% 能量之物质,与占了 0.1% 的光会产生引力,但比不过真空能量所产生的斥力,所以目前宇宙正在加速膨胀。

顺带一提,即使物质与光的能量占宇宙的 100%,宇宙也只是减速膨胀而已,并不会收缩回去。因为膨胀初期的速度过快,所以宇宙只会持续膨胀下去。

宇宙诞生的第一步——「原始重力波」

暴胀时期结束後,空间能量会迅速转变成物质能量,使宇宙转变成超高温、超高压、充满辐射的状态。这就是大霹雳「火球」。暴胀理论说明了几点。

首先是前面提到的「膨胀速度超越光速的宇宙」。

这造成了我们现在看到的(宇宙视界内的)宇宙温度拥有各向同性,在 10 万分之 1 的精度下,为绝对温度 2.723K(约 3K 的宇宙微波背景辐射(CMB))。

第二,这个急速膨胀,使宇宙的形状在几何学上变得相当平坦,就像膨胀的气球一样。

再者,暴胀子场的量子扰动,是宇宙初期物质扰动的来源,也就是3K宇宙微波背景辐射所观测到的温度扰动。暴胀子场也含有量子的扰动。这些小小的扰动在短时间内暴胀过程中,急速膨胀,延伸至宇宙视界的彼端,造成现今宇宙中不同区域的密度差异,这也是形成星系的种子。

CMB 观测到的「温度扰动」,正是暴胀时期产生之暴胀子场的量子扰动。

另外,在重力波方面,暴胀时期不仅会产生前述密度(温度)的扰动,也会产生「时空扰动」。急速膨胀的过程中,真空会一直变化,成对产生重力子,这与黑洞周围产生霍金幅射的机制类似。

学者们认为这种重力波现今仍存在,称其为「原始重力波」。因为整个宇宙都存在这种重力波,所以也叫做背景重力波。若能检出这种背景重力波,不只能成为暴胀理论的证据,也会是宇宙起源相关研究的一大步。

原始重力波就像是背景杂讯一样,在宇宙四处飘荡

黑洞双星的合并会产生重力波,不过当重力波通过地球,被 LIGO 观测到时,该事件便已结束。不只是黑洞,中子星双星的合并、超新星爆发也一样。

不过,暴胀时期产生的重力波并非如此。当时整个宇宙充满了重力波。不过这种重力波就像白噪音般的存在,很难分析这种波的状态,所以也叫做背景重力波。若依波的种类来分,可以将其算在驻波。如何找到这种驻波,是我们现在的课题。

与光波不同,重力波的偏振方式可以分成十字形(+)与交叉形(×)2 种,如下图所示。十字形的偏振会往纵向与横向伸缩、交叉形偏振则会往斜向伸缩,如其名所示。这两种波叠合後,会变成图中右方的样子,往外传播。

随着时间的经过,来自黑洞的重力波会持续前进;但暴胀时期产生的重力波为「背景重力波」,是一种驻波,就像噪音一样充满在整个宇宙中。如果能发现这种波,就能证明暴胀理论。

宇宙之窗:暴胀子场是什麽?

暴胀时期产生的「暴胀子场」究竟是什麽样的东西呢?

重复一次,暴胀子场被认为是某种未知、很重的纯量场,其质量上限在 1013GeV 以下。目前这个低能量宇宙中,已经不存在暴胀子场。即使透过粒子对撞,产生目前可达到的最高能量(数 10TeV,相当於数 10 京度的温度),也没办法产生这种场。

每种基本粒子都有着伴随其出现的「量子场」。

譬如希格斯场会伴随着希格斯玻色子出现。就希格斯场这种纯量场而言,其存在机率最高的期望值称做场值(真空值),是希格斯玻色子的位置。而场值周围存在所谓的量子扰动。这种量子扰动只有在微观尺度下有意义。

在我们生活的巨观尺度下,几乎察觉不到任何量子扰动,所以我们平常的生活并不会意识到它们。

我们周围有许多电路会用到二极体。在微观尺度下看这些电路,会看到粒子般的电子周围有量子扰动,这种量子扰动对二极体来说相当重要。

在这种量子扰动下,电流只能沿着电路中可跳跃量子扰动的方向流动,二极体才有如此特别的性质,可见量子论也是现代科技中的重要理论。

所以说,考虑初期宇宙中暴胀子场的量子扰动,可以知道当宇宙还很小时,暴胀并非在宇宙中的各个地方同时间发生。宇宙中各个地方开始暴胀与结束暴胀的时间都不一样。

量子扰动会造成时间扰动,不过在暴胀这种急速膨胀後,会转变成超越视界的古典扰动,所以我们会在巨观视界下观察到,各个地方都有着不同的密度。这就是所谓的「密度扰动」或「温度扰动」。

总而言之,最初产生量子扰动後,随着空间的急速膨胀而迅速延伸,转变成了空间性的密度扰动。

备注

  • 暴胀理论与大霹雳的名称

1981 年,佐藤胜彦在大统一模型的框架下,提出真空相变会造成宇宙呈指数函数膨胀的理论。同年,古斯也发表了同样的想法。自宇宙诞生的瞬间起(依大统一理论,约为 10−38 秒後~10−36 秒後)宇宙会以超越光速的速度,呈指数函数膨胀,然後转变成大霹雳的「火球」宇宙。

1980 年时,为修正爱因斯坦的重力观点,学者们提出了以指数函数膨胀中的宇宙。

而在 20 世纪初,多数学者认为「宇宙永远不会改变」(宇宙稳态论),没有开始,没有结束,大小也永远不会改变。不过宇宙稳态论的拥护者霍伊尔(Fred Hoyle)曾在某个广播节目中说「宇宙的开始?那是大霹雳的观点(the ‘big bang’ idea)」,於是「大霹雳」这个名称就定了下来。

当时连爱因斯坦都相信宇宙稳态论,否定膨胀宇宙。不过在观测结果陆续出炉後,哈伯(Edwin Hubble)、勒梅特(Georges Lemaître)等人成功说服了爱因斯坦接受宇宙正在膨胀。

——本文摘自《大人的宇宙学教室:透过微中子与重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台湾东贩,未经同意请勿转载。

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