甚麼是宇宙學?

宇宙學「不是」天文學

相信很多人大概也知道或學過一些簡單天文知識,好像九大行星(現在好像改成八大行星了,但不管了),知道甚麼是星系、恆星*,亦至少有宇宙這個概念。可是一般人大都不明白甚麼是宇宙學,最多只聽過宇宙大爆炸(Big Bang Theory)、霍金(Stephen Hawking),普遍也認為宇宙學(cosmology)屬天文學(Astronomy)的分支(小弟當年也是,所以起初報讀錯了物理加天文學課程…)。

*其實我比較喜歡英文的叫法,galaxy, stars, planets,比起中文甚麼也叫「星」清楚得多,而且亦省卻了因字面意思造成的誤解(雖然planets在古希臘文也是解作遊星,漫遊者)。

事實上天文學與宇宙學兩者有很大差別,尤其自上世紀愛因斯坦發表廣義相對論(General Relativity)及一系列大尺度觀察實驗出現,宇宙學正式成為一門嚴謹可量化的物理學分支後。天文學問的大多是「小問題」,主要是研究恆星、星系、行星這些規模相對較小的東西;宇宙學問的則是「大問題」,它的研究對象是整個宇宙,探索宇宙的結構、起源和演化過程。

當然兩者有重疊、關聯的地方,但其實在大部份範疇,宇宙學與理論物理學(theoretical physics)或粒子物理學(particle physics)反而更有關聯(聽過大型強子對撞機LHC吧?),宇宙學亦包括研究廣義相對論在極端情況下的正確性,探討相對論以外的可能性。用歷史研究作比喻,天文學就如中史、歐洲史,窺究的是一個地區或國家的歷史,而宇宙學則像世界史,宏觀地探究整個人類社會各文明的歷史演化甚或是人類這物種與地球的起源。

現行之宇宙標準模型ΛCDM — 我們的宇宙是「焗」出來的。

宇宙學建基於愛因斯坦的廣義相對論,而目前為止最成功的宇宙模型是ΛCDM模型(ΛCDM model)[1],Λ代表宇宙常數/暗能量(Cosmological constant/Dark Energy),CDM代表冷暗物質(Cold Dark Matter)(註:不明白或覺得這些詞彙怪異是正常的,因為連物理學家們現時也不完全理解它們到底是甚麼。不過請不要FF完或代入科幻小說的解說後以為自己明白…想了解多些可看看小弟另外寫有關暗物質[2]與暗能量的拙文[3])。ΛCDM這個名字簡單表述了我們宇宙的構成成份,而宇宙的演進過程則根據廣義相對論進行。站在門外漢的角度,以下是本人聽過最貼切的比喻 (credit: Dr Clare Burrage) :

就宇宙學家現時所知,宇宙的演進與焗麵包/蛋糕很相似,隨(烤焗)時間膨脹,不同的材料,成份會導致完全不同的結果。簡單而言,我們身處的宇宙的組成主要可以分為三大類別:宇宙常數/暗能量、暗物質和我們平常在地球、星系接觸或觀察到,現時物理學所認知並確認的普通物質(Normal Matter)。它們的能量密度在今天跟宇宙早期^各佔的百分比可以參考下圖 (neutrinos=微中子,photons=光子,即是光)。

^宇宙今天的能量密度百分比與宇宙早期有分別是因為不同組成成份,它們的能量密度隨宇宙膨脹時的演化各有不同。


物質就好比麵粉,會互相吸引,粘在一起,組織成不同結構、紋路。暗物質與普遍我們認知,日常接觸到的物質相似,同樣受重力影響會互相吸引。只是暗物質基本上有如毒男(包括小弟,好像是),近乎完全不與任何東西包括光產生相互作用,所以我們暫時仍只能從重力的影響間接推論出它們的存在。而暗能量就好比酵母,會令空間膨脹,使由物質所構成的星系、星系團間(麵粉)間的空隙(氣泡)增大。如焗麵包/蛋糕般,酵母需時發酵產生作用,暗能量亦只在已知宇宙演化過程中的後期才發揮影響力,佔主導角色。暗能量在宇宙演化早期影響微乎其微(暫時公認是)。這是因為暗能量的能量密度在宇宙早期佔整體的百分比少現在很多很多,而且是微不足道,見上圖下方。與烤製麵包/蛋糕一樣,大部份的情況下也只會得出垃圾,只有特定的組成比例宇宙模型才可以孕育出如我們現在所見的宇宙。

總結:不要再問宇宙學家如何觀星。

另外宇宙學也探討與觸及一些由古至今一直困擾人類的哲學問題,如宇宙的起源。可是有別於烤焗,宇宙只有一個,我們不可能像烤製麵包/蛋糕般,不斷製造不同宇宙出來做實驗。我們只能透過精確的觀察實驗來推論宇宙的組成成分、歷史、演進等。這是宇宙學與天文學獨有的難處,不過某程度上亦是我愛上宇宙學的原因(註:因為小弟其實蠻討厭做實驗的)。

最後拜託大家不要再請教小弟太空科技進程或如何觀星,亦不要再將霍金等宇宙學,理論物理學家全部通通簡稱為天文學家啊﹗在完結前請容許我用很geeky的方式以The Big Bang Theory(生活大爆炸) 的主題曲作結。

 

有空再談。

延伸閱讀:

[1] 維基百科,https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%CE%9BCDM%E6%A8%A1%E5%9E%8B
[2] 《暗物質,宇宙中的「宅男/乾物女」》https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B3%AA-%E5%AE%87%E5%AE%99%E4%B8%AD%E7%9A%84-%E5%AE%85%E7%94%B7-%E4%B9%BE%E7%89%A9%E5%A5%B3-301b206efba9
[3] 《主宰宇宙的黑暗勢力》
https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/%E4%B8%BB%E5%AE%B0%E5%AE%87%E5%AE%99%E7%9A%84%E9%BB%91%E6%9A%97%E5%8B%A2%E5%8A%9B-dark-force-of-the-universe-c2a15824e9dd
[4] 《ΛCDM:成功,疑惑和改進》,L. Perivolaropoulos著,侯磊譯
http://astroleaks.lamost.org/2011/04/18/lambdacd/
[5] http://www.worldofmastermind.com/?p=6617