宇宙论与纯量场.DOCVIP

宇宙論與純量場 e-mail: jhpw@.tw 拜現代科技進步之賜，宇宙論也隨之由古老的哲玄學發展成近代物理中不可或缺的一門高準度實驗科學。在一片對於近年來的突破性觀測及理論發展所發出的驚歎聲中，很多人可能沒注意到，幾個宇宙論中的美麗理論竟都不約而同地建構在“純量場”的觀念上，一個從未在實驗室中被驗證過的物理觀念．．． 一﹑簡介 人類自有歷史以來，就沒有中斷過對於宇宙的探討。大及宇宙的起源與其結構的形成，小至地球的圓方以及太陽的構造，無不歷經幾番的理論研究﹑辨正與演化（見圖一）。中國數千年來的易經理論即是一個最好的例子。它不但探討天﹑地﹑人三才的交感變化，也描述宇宙天開地闢的過程。在科技發達的今日，我們已透過一些突破性的天文觀測，對宇宙整體的結構與演化有了進一步的認知。即便如此，如要對宇宙能有徹底的瞭解，我們仍然還有一段漫長的路要走。我們所面臨的挑戰包括進行更為精密的天文觀測以及發展更為完備的理論基礎。這裡所將探討的，是一個關於理論基礎的問題：近代宇宙論（modern cosmology）和純量埸（scalar field）—一個粒子物理中尚具爭議性的觀念—間的密切關係。 圖一：宇宙論的發展簡史。 宇宙論中使用到純量場觀念的有兩大理論：“宇宙暴脹理論” (Inflation) 以及“宇宙殘陷理論” (Cosmic Defects)。在過去的二十多年間，這兩個理論相繼地被用來解釋一些原本無法用宇宙大爆炸標準模型（Standard Big Bang model）來解釋的觀測現象。在以下的第二節中，我們首先將分別介紹這兩個理論被提出的動機與發展，以及它們如何用純量場來作為理論基礎。在第三節中，我們將拿這兩大理論的預測來和目前必威体育精装版的天文觀測做比較。最後在第四節中，我們會進一步闡述它們目前各自在宇宙論中所扮演的角色，並做一個簡短的結論。 二﹑兩大理論的基礎與發展 宇宙暴脹理論和宇宙殘陷理論各自都有二十多年的發展歷史。雖然這兩個理論在第一次被提出時的動機有所不同(八０年代初期)，但是他們於過去十年間在宇宙論中所扮演的角色卻極為相似——同為宇宙結構形成機制的競爭者。在這一節中我們將先介紹這兩個理論的背景及基礎，然後說明它們如何在宇宙結構形成的問題上進行競爭。 １﹑宇宙暴脹理論 (Inflation) 在一九七０年代，宇宙論中有數大謎團﹕Flatness problem，Horizon problem，Monopole problem，Entropy problem。Flatness problem 指的是“為什麼我們宇宙的三度幾何空間（geometry）是如此地接近平式幾何 (flat; Euclidean) 而不是開放式 (open; hyperbolic) 或合閉式 (closed; spherical) 的幾何﹖”以二度空間為例，如果在一張紙上以單位半徑畫一個圓 (單位圓)，那麼其周長在平式幾何 (flat geometry) 的紙上 (如完全平坦的紙) 將會是 2π，在開放式幾何 (open geometry) 的紙上 (如馬鞍形的紙) 將會大於 2π，在合閉式幾何 (closed geometry) 的紙上 (如球面般的紙) 將會小於 2π。以必威体育精装版的天文觀測而言，宇宙論學家們發現，在我們宇宙中所畫出來的單位圓周長都是 2π，換句話說我們所生存的這個宇宙是具有平式的幾何。這是為什麼呢﹖Horizon problem 指的是“當我們觀測來自夾角大於兩度的兩個方向上的宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave Background, 簡稱CMB) 時，為什麼他們的溫度會是一樣的呢﹖”依據理論計算，這兩個方向上的宇宙微波背景輻射應該是來自於兩個自從大爆炸 (Big Bang) 後未達熱平衡的早期宇宙區域，因此照理說他們的溫度應該有些許的不同，但實際的觀測卻發現所有方向上的宇宙微波背景輻射溫度都同樣是 2.73±0.00003 K。Monopole problem 指的是“為什麼我們在宇宙中到目前為止還觀測不到任何的 monopole 呢﹖”依據統一場論（Grant Unified Theory, 簡稱GUT），在宇宙早期的對稱性分裂 (symmetry breaking) 時應該有大量的 monopole 產生，但這些 monopole 在現今的宇宙中都到那理去了呢﹖Entropy problem 指的是“為什麼我們今天宇宙中的 entropy (相當於光子密度) 會是如此地龐大呢﹖”依據大爆炸理論，我們今天宇宙中的光子密度應遠小於目前的觀測量。 為了解釋以上宇宙論中的數大謎團，Guth 在西元1980年提出了“宇宙暴脹理論”(Inflation)。依據傳統物理理論，由於重力抵抗膨脹的原故，宇宙的膨脹必須是減速的。但“宇宙暴