理性與感性: 膨脹的宇宙? －一、二、三、四，再來一次！

我讀研究所第一個做的研究題目是關於量子重力場論，後來雖然集中精力在高能物理的現象學，對於重力場論及宇宙論 (cosmology) 始終不能忘情。

那個年代，宇宙快速膨脹 (inflation) [1]的理論正在形成之中，那時滿耳聽到的人名都是 Alan Guth、 Andrei Linde和 Paul Steinhardt，這三個人也因此拿到了許多物理界的大獎。過去宇宙形成的“正統理論” 大概是這樣的：首先宇宙從無中生有，發生了大爆炸 (big bang)[2]。然後經歷快速膨脹的時期，進入比較和緩的膨脹期。1998 年 High-Z Supernova Search Team 根據其對 Type I-a 超新星 (supernova) 的觀察，發表了宇宙還在加速膨脹 (accelerated inflation) 的結論。宇宙若沒有其它類物質或作用力，在快速膨脹期之後雖然會因慣性持續膨脹，但是因為物質之間彼此的重力吸引力，膨脹應該會逐漸減速。所以觀察到宇宙還在加速膨脹的現象顯示宇宙中應該還有其它物質或能量，它們的存在產生了重力的互斥力，讓宇宙加速膨脹，這就是黑能量 (dark energy)[3] 假說的起源。說它是假說是因為黑能量還沒有偵測到，但是宇宙正在加速膨脹這發現結結實實的拿了 2011 的諾貝爾獎。

大爆炸、快速膨脹、加速膨脹、宇宙微波背景幅射 (Cosmic Microwave Background；CMB)[4]、宇宙大尺度結構 (large-scale structure of universe)[5] 這些理論與實驗觀察再加上愛因斯坦的廣義相對論就形成了 Lambda-CDM[6] 標準模型，這是過去關於宇宙的 “標準模型”。1992 年 COBE[7] (COsmics background Explorer) 帶回來了宇宙微波背景幅射的資料，支持了這標準模型關於宇宙微波背景幅射的預測－它是各向同性的 (isotropic)、小有起伏的。

但是 2013 Planck Spacecraft[8] 傳回來關於宇宙微波背景幅射更精確的資料卻令人不安：1. 它是尺度不變 (scale invariant) 的。尺度不變這詞以前我們常在關於碎形 (fractal)[9] 的理論中看到。基本上是說如果你有一個倍率可以任意調整的放大鏡，你在任何倍率看到圖像的形式是類似的。以白話來說，宇宙微波背景幅射看起來太均勻了。如果宇宙經歷過快速膨脹這階段，而量子漲落 (quantum fluctuation) 又會在宇宙發展中必定產生效應－有些地方快速膨脹、有些地方嘎然而止，則今日所見的宇宙微波背景幅射必定不能如此均勻。2. 沒有觀察到快速膨脹所產生的重力波。宇宙快速膨脹會產生巨大重力波－這與 LIGO[10] 2015 年偵測到的重力波不同。LIGO 偵測到的只是兩個黑洞相碰撞所產生的重力波，而宇宙快速膨脹所產生巨大重力波規模遠大的多。Planck Spacecraft傳回來的資料不支持宇宙快速膨脹的假說。

所以一套已經叫標準模型的理論面臨危機。上一次一個叫標準模型的理論是高能物理中的弱電作用 (electroweak interaction)，所有現在的實驗數據還在持續鞏固它、增益它的精度，快要變成理論 (theory) 了。那麼對於宇宙學的 “標準模型” 怎麼辦？一個是繼續修補它，一個是另起爐灶，這正是科學界典範轉移 (paradigm shift) 的典型徵兆。要修補它，要精細調整參數，也可能要增加看起來並不符合奧坎剔刀原則[11]的機制。而最重磅的批評是如果一個模型碰到什麼問題都能修，那就喪失了科學範疇內最重要的特性－預測能力。也有另起爐灶的努力，譬如宇宙並不是無中生有，而是由前一個宇宙收縮到極小而重新反彈，如此就不必經快速膨脹而與目前觀察到的均勻異常的宇宙微波背景幅射圖像一致。

會怎麼發展？讓我們繼續看下去。看來一門學問的基礎理論，也可能被翻天覆地的攪動，一、二、三、四，再來一次！而這就是科學令人迷魅之處。