五十億年的孤寂:最終,我們都會迎來最後一次的哥白尼降級

五十億年的孤寂:最終,我們都會迎來最後一次的哥白尼降級
Photo Credit: ESA / Hubble & NASA, Josh Barrington, CC BY 2.0
我們想讓你知道的是

在可觀測宇宙邊際對超新星爆發的調查顯示,星系之間的空間不只擴張,其擴張本身還受到一種宇宙學家尚只能稱之為「暗能量」的神祕力量所推動,而持續加速。除非宇宙不知為何停止加速擴張,不然宇宙在遙遠的未來將會比現在更孤寂而空蕩。

文:李.比靈斯(Lee Billings)

在一七一六年的《皇家學會報告》(Proceedings of the Royal Society)中,英國天文學家愛德蒙.哈雷主張,金星凌日可以提供一個絕對的地球參照點,讓我們測量宇宙尺度的距離和星球大小。他寫道,金星穿過太陽的軌道,會因為在地球上不同地方觀看,而有小幅差異,也會改變凌日的時間長度。若在兩個相隔甚遠的地方精準地測量凌日時間的差異,就可以透過三角測量法,得知地球與太陽的距離。根據這點,只要簡單的算式就可以得出太陽的真實大小,以及每顆行星的軌道距離,而展現太陽系的物理性質。

在快要接近凌日(一七六一年)的那幾年,歐洲各國組織了一百多支隊伍,前往世界各個最遙遠的角落,試圖進行哈雷所主張的測量。這是有史以來第一個盛大展開的國家贊助國際科學活動,也是一次極大的失敗。天文學家用船隻、雪橇和馬背,把精細的裝備載運到能看見凌日的蠻荒地帶,但往往抵達目的地時,才發現貨物早就破碎變形而無法修理。戰爭、疾病和惡劣天候,讓許多嘗試早在凌日實際發生前就遭遇挫敗。至於從散布各處考察地點傳來的測量結果,都有諸多錯誤且又彼此矛盾,無法發揮效果。

在所有企圖研究一七六一年金星凌日的天文學家中,沒有一個比法國的吉優姆.香提(Guillaume Le Gentil)還倒霉的。香提在凌日前一年就離家,前往印度的法國殖民地。他離開後,英法之間開戰,而他的船隻被暴風遠遠吹到航線之外。當他終於在凌日前幾天抵達印度水域,拿下法國殖民地的英軍卻禁止他上岸。香提不得不離岸觀察一七六一年的金星凌日,然而起伏的海面使他無法精準測量。但他仍堅忍地留在亞洲,等待下一次的凌日。歷經八年的堅苦卓絕,到了一七六九年,他已在印度建好一間小天文台,用來記錄這個事件。

到了預定的一七六九年六月四日前夕,一切準備就緒,天氣晴朗。然而,一陣薄霧卻在夜裡不祥地累積,然後在晨光中蒸散。就在金星開始通過太陽前的幾分鐘,一團厚雲滾了進來,一直到下午凌日結束後沒多久才散開。香提短暫陷入一陣語無倫次的神經錯亂,一陣子後恢復冷靜,便展開漫長的返鄉之旅。他的回程先因為痢疾而脫軌,接著又遇到一場颶風幾乎吹沉他的船。當香提兩手空空於一七七一年回到睽違了十一年半的巴黎,他發現過往的生活已全然分崩離析:他被宣告死亡,財產也都被分光了。

其他人在一七六九年要比香提幸運許多。海軍上校詹姆士.庫克(Captain James Cook)在繼續啟航為英國政府在南太平洋標記並奪取島嶼之前,先在大溪地的山坡頂上,替英國皇家海軍和皇家學會成功記錄了金星凌日。一位叫做大衛.黎頓豪斯(David Rittenhouse)的天文學家,在美國費城的自家農場,替美國哲學會(American Philosophical Society)記錄了凌日,首度將這新崛起的殖民地科學社群送上世界舞台。據說,黎頓豪斯做為天文學家,因為性格過度纖細,受不了凌日出現的那一瞬間而昏倒,而在官方紀錄上留下一段令人費解的空白。

將這些測量結果和廣布全球的考察結合起來後,天文學家敲定了地球與太陽的距離——天文單位(Astronomical Unit,AU),為一億五千萬公里。至此,天文學家們在校準太陽系大小(以及從中校準宇宙大小)上,終於有了一個確實的基準。哥白尼革命因此得以前進。

如今天文學家知道,地球繞行太陽時,拉出了一條大約二點九九億公里的基準線,並回顧古代阿里斯塔克斯的視差測量,開始測量恆星的距離。年年月月過去,不少周遭的恆星都因為從更遠的「固定」恆星前面移動過去,而顯露了它們的距離,就像是低飛的鳥兒,當以更宏大的噴射客機飛過頭頂高空的畫面為背景,咻地一聲就從頭頂飛過你的視野。到了十九世紀中期,天文學家已定期測量星球視差,確認天空中幾乎所有恆星至少都在幾十光年以外。我們的太陽系自此陷入永恆的縮減循環當中,在這個每次在測量上一有新進展就會變得更大的宇宙中,所佔據的那一區塊就會不斷萎縮。

在二十世紀的頭幾十年,美國天文學家建立了下一個哥白尼降級(譯注:哥白尼提出地球非宇宙中心,把地球降級為一個普通的行星。而持續的天文學發現顯示,無論地球、太陽或銀河系,統統不是宇宙的中心。)的星球視差基礎,並打造了現代天文學的領域。首先,銀河的星團空間分布顯示,我們的太陽系並不如許多人所相信的,位於銀河系中央,而是位在銀河系的外緣地帶。

接著,美國天文學家哈伯發現,我們的銀河系是眾多星系中的一個,並發現天空中幾乎所有其他星系,都正在以離譜的速度彼此遠離。宇宙遵循著愛因斯坦藉由相對論所闡明的軌跡,正在不斷擴張中。再一次地,在接下來測量出來的最大尺度中,人們證實宇宙其實比任何人先前膽敢主張的都還要更大更奇異,而我們絕不在其中心。

同時,回到相較之下極小的尺度,在恆星和其行星的領域中,哥白尼革命停滯了。標定周遭恆星的天文學家逐漸發現,我們的太陽完全不是個典型恆星,因為周遭大部分恆星都是些較小較暗、紅色或橙色的矮星。或許太陽系本身也非典型,因為系外行星的存在並沒有取得紮實的證據。許多天文學家開始相信,我們的太陽可能擁有一套在整個銀河系中極其少數的行星系統,儘管到了二十世紀中,越來越多的間接證據指出恆星普遍有行星繞行。

太空時代對金星、火星和太陽系其他顯然無生命的行星所做的驚人揭露,還是給了地球一點點過去的柏拉圖式光彩。接著,系外行星熱潮來臨。對許多現代的行星獵人來說,尋找另一個太陽系的生物圈,變成一項在哥白尼「平庸原理」之上安放最後一塊頂石的任務,好讓「哥白尼革命」登峰造極。最終,我們的行星和其上所有生命都會面臨最後一次的降格——降格為宇宙中隨便哪裡都有的充滿生命的尋常世界。


不過,若不管令人煩惱的生命起源未解謎題和類地行星的未知數量,宇宙學的先驅者近期已在哥白尼原理的平庸性裡,發掘出新的困難。可觀測的宇宙絕大部分看來是一無所有的空間,這頂多提供了百萬分之一的機會,讓你隨機發現自己在一個星系中。有鑑於宇宙正逐漸擴張,這機率只會隨時間變得更低。神秘的銀暈(halo)、纖維狀結構(filament)和「暗物質」烏雲,似乎不受宇宙中所有力量的影響(除了重力以外),而讓眾星系與星團結合在一塊。

一個星系的內部通常是虛空的,平均來說,每立方公尺有一個質子。如果一個星系的眾恆星都跟沙粒一樣大,那麼兩恆星之間的平均距離會到好幾英哩。一個星系中只有最少部分的星際物質,會無時無刻凝聚成像氫原子那樣複雜而高等的東西。光是成為任何一種尋常物質——一個分子、一縷氣體、一塊石頭、一顆恆星、一顆行星,或者一個人——的一部分,就已經是一件可觀且機率奇低的成就。

物質在如此龐大虛空中的明顯獨特位置,因為宇宙的持續演變而更為孤立,其未來似乎是朝著更荒涼的軌跡演進。在可觀測宇宙邊際對超新星爆發的調查顯示,星系之間的空間不只擴張,其擴張本身還受到一種宇宙學家尚只能稱之為「暗能量」的神祕力量所推動,而持續加速。除非宇宙不知為何停止加速擴張,不然宇宙在遙遠的未來將會比現在更孤寂而空蕩:除了稱為「本星系群」(Local Group)的少許星系與銀河彼此之間會因重力而互動,其他所有目前能在空中看到的星系,日後都將被掃出我們可見宇宙的地平線外。本星系群的星系,最終也會因為裡頭的恆星一顆接一顆燃燒殆盡,而在幾百億年後變暗。

接下來,好幾十溝(decillion,十的三十三次方,真的是非常長的時間)年之後,質子——原子結構的基石——也會徹底衰退為輻射而消散。隨著這過程發生,最後殘存的熄滅恆星和結凍行星都會化為烏有。宇宙將變得不可理解的黑暗、離散、寒冷,而我們本星系群過去存在的這一小塊區域,僅存的宏觀結構會是幾個超級質量的黑洞,且會慢慢因量子力學效應而蒸發。終於連最後一個黑洞縮小並消失於陣陣量子泡沫中,那時剩下來的就只有一股股微弱的質子、電子和微中子,無止盡地流經無限擴張的空虛。

或許,在這種淒涼慘淡的未來中看不出生命的希望,就只是缺乏想像而已。又或者,我們預測的宇宙演化是反哥白尼平庸性的預兆;這預兆顯示,這個星系豐富、恆星明亮、行星充滿生機的光明時代,從萬物初始後開始算起(以宇宙尺度來說)其實沒過幾分鐘的時間,其實還蠻特別的。

當宇宙的未來挑戰著哥白尼原則的預期之同時,宇宙的過去也形成挑戰。大霹靂背後的基本想法,也就是關於宇宙過往的頂尖科學解釋,指出宇宙的起源是單一一個密度未必很高的點,不知為何在一百三十八億年前爆發性地擴張。這可不太「哥白尼」。更有問題的是,大霹靂本身也被宇宙結構所挑戰。在原子、行星、恆星、星系和星團的粒子特質之外,在天文學家可測量的最大尺度上,宇宙似乎異常地平整。

這個大規模的平整符合哥白尼的預測,但又令人惱火,因為就算是早期宇宙個別區域之間最微小的擴張差異,都應該導致當前結構的大幅偏差——例如說,出現缺塊、皺摺之類的結構。但目前在可觀測宇宙中最遠的兩頭區域,在結構上似乎是一模一樣的,儘管因為彼此太遙遠而無法有所連結,但其結構幾乎毫無瑕疵地平整。連光線都沒能在兩者之間經過,更不用想這相隔兩地的宇宙區塊,能傳遞什麼讓彼此達到平衡的資訊、能源或熱量。

針對這難題,最先進的宇宙學解釋是大霹靂理論的附加論點「暴脹」(inflation)。假定在宇宙誕生後的一瞬間,當一切都擠在一個極高溫、極高密度但大小可能只有一個質子的範圍內,一個激烈、神秘的反斥重力爆發,突然把空間「膨脹」到可能一個葡萄柚那麼大。這聽起來挺小的,但這代表的是體積將近十兆兆倍的飆升。任何較大的不均衡都可能被這加速擴張給抹消了,就像氣球橡皮表面上的皺褶因膨脹而消失一樣。根據暴脹模型,還留下來的較小型不完美,來自於大幅放大的量子波動,並在早期宇宙中形成了小型的高密度區塊,而星系和星團就是在那裡凝聚的。

暴脹的問題在於,一旦開始了就沒辦法簡單停下來。有些研究者甚至推測,暗能量可能是初始暴脹的一種古怪回音或陰影,藉著某種方式在幾十億年的休止後回來了。儘管初始暴脹可能會快速衰退,並在空間的某個局部地帶(例如我們整個可觀測宇宙)靜止,但因為它讓擴張的速度提得太高,它應該會在我們可見宇宙的地平線外,拉出極大數量的泡狀空間。確實,一個擴張遠遠超出我們可觀測宇宙地平線的宇宙,是初始暴脹的標準結果。在那個以指數方式擴大、甚至可能無限的容量中,更多的暴脹大霹靂就算極不可能發生,還是可以一而再再而三地出現。

每一次,又一種沒有盡頭的分歧擴張得以產生。一旦暴脹開始,似乎就注定要永遠走下去,產生無限個碎形整體(fractal ensemble)的平行泡沫宇宙,每一個都和其他相關,但因果上彼此區隔。這許多宇宙注定不會相交會,因為兩宇宙之間的持續暴脹將彼此推開的速度,高過它們邊界的交會,就像是急流中稍縱即逝的泡泡一樣。不同的泡泡之間,從暴脹擴張的熱烈渾沌中凍結出來的物理定律,可以和主宰我們所處宇宙的物理定律截然不同。

在某些小碎片中的物理定律,可能和我們的定律完全或幾乎一致,那些區域就比較有可能會產生星系、恆星、行星和生命。在其他區域中,自然法則截然不同,無法讓我們所知的生命形式存在。暴脹的「多重宇宙」理論,因此在當代宇宙學中,通常用來解釋那些存在於我們的宇宙中,看起來安排得當而能讓生命產生並持續的神秘基本特質。

在某些物理定律會妨礙生命產生的夭折宇宙中,並不會出現恆星。某些宇宙則不會有原子,就算有也可能因為擴張或收縮得太快,而在瞬間就不復存在。也有些宇宙包含的物質和反物質正好完全相等,因此會相互抵消為一道能量,結果除了高溫輻射場和真空外,什麼都沒留下。在我們假想的多數宇宙中,似乎都難以想像有觀測者的存在。那些宇宙中不會有活物向外探視周遭,並思考這一切是怎麼開始的。在這種敘述中,我們周遭所見的宇宙當然適於生存,不然我們就不會在這裡。

目前還沒有人設計出萬無一失的方法來測驗這些想法——到底要怎樣才能偵測到在定義上所謂的「我們永遠不可企及的宇宙」?如果這是真的,那麼一個暴脹的多重宇宙,便會讓哥白尼式的想法有著混亂的結果。另一方面,這代表我們這整個可觀測宇宙,只是一百三十八億年前從大霹靂暴脹出來的更大宇宙之極小部分。這大上太多的宇宙,本身也只是無限全體宇宙中的一個而已。所謂的無限既然是無限,那麼多重宇宙就應該會有無窮數量的生命活在無數顆行星上。

另一方面,不能支撐生命的無限個泡沫宇宙,還是會比能支撐的無限要大。與平庸原理相違,一個暴脹多重宇宙主張,我們所在的宇宙是個包含在更大暴脹領域內的非典型泡泡,是「能有生命的獨特宇宙子集」中的一分子。我們觀測的物理定律,在這個子集中是否為「平均」,沒有人能保證。一顆行星、一顆恆星或一個星系,可能就像產生它的宇宙一樣獨特而珍貴。

仔細思考永恆暴脹就會發現,其實當代宇宙學又回到了兩千五百年前希臘原子學家就已經在構思的某些信條;德謨克利特想必會笑我們怎麼過了這麼久才想到。在遙遠的未來,當我們自己的宇宙衰退至陰暗、冰冷的老年期,堅持到最後的生命也許能藉由相信「遠在天邊、越過宇宙地平線的某處,造物仍未停止,仍在產生新生命、新行星和新宇宙」,而得到一些安慰。「希望」可以生生不息。

把四十五億年的浩瀚放在月曆上:差不多午夜前一秒鐘,地球進入了人類世

書籍介紹

本文摘錄自《五十億年的孤寂:繁星間尋找生命》,八旗文化出版

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作者:李.比靈斯(Lee Billings)
譯者:唐澄暐

46億年來,地球這顆充滿生命的行星在寂靜浩瀚的宇宙裡,始終孤單存在。為了打破這種孤寂的局面,過去幾十年來,天文學家成為行星獵人,尋找宇宙中的其他生命或文明,將望遠鏡朝向幾百萬年之遙的恆星,為了是要找到跟地球條件相似的類地行星。他們相信(或期待),在這些系外行星當中,一定至少有一顆行星如另一顆地球般確實存在,那麼尋找到如同我們人類一般的智慧生命,便不再希望渺茫。

科學記者李.比靈斯,藉由深度訪談尋找系外行星這領域第一線的天文學家,探索這股「系外行星熱潮」。在這場探索旅程中,不僅描繪刻畫了近五十年行星天文學的發展輪廓,也探究了這些窮盡一生尋找繁星間的生命,投資與報酬卻不成比例的天文學家,他們執著追夢,以及失望和希望不斷交替的動人故事。

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Photo Credit: 八旗文化出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:楊之瑜

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