科學人雜誌 3月號/2024：氣候變遷，河流生鏽...

特別收錄 / 編輯的話：

宇宙的驚喜無限！

上個月的《科學人》雜誌中有篇文章介紹「暗能量」，讓我們知道這個「暗能量」正推動宇宙加速膨脹；這個月有一篇文章講到「宇宙空洞」，讓我們知道宇宙不是均勻的，而是成絲、成線、成網！回看30年來宇宙學的進展，深刻感覺宇宙本身驚喜無限，宇宙學的探索永不止息！


文／孫維新

在我讀大學的時候，「宇宙學」在學生眼中還是一個笑話，宇宙學家被問到宇宙年齡到底多大？得到的答案是「100億年 ± 50億年」，誤差大到你寧願沒問。再問宇宙學家這個膨脹的宇宙未來的命運為何？得到的答案是「如果持續膨脹是+1，臨界膨脹是0，停止膨脹後回縮是-1，經過我們多年苦心研究，得到的答案是0 ± 1！」

另一個笑話更直接：「天堂人滿為患，只好管制進入，有一天三個人在天堂門口排隊，門房將門打開一條縫，說只能進來一個人，你們誰的職業最古老，貢獻最長久，就可以進來。第一位忙說：『我是外科醫生，當年在伊甸園裡有亞當和夏娃，夏娃是亞當的肋骨做的，這個過程一定要經過外科手術，所以我的職業最古老！』第二位插嘴了：『我是園藝學家，在亞當和夏娃還沒出現之前，是靠著園藝學家從一團混亂的宇宙中造出伊甸園的！』第三位冷冷地說：『我是宇宙學家，你們知道當初那一團混亂的宇宙是誰造成的嗎？』」

我剛到美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）念天文，博士班課程中有一門必修的「宇宙學」，授課老師是萊特教授（Edward Wright），但大家都稱呼他的小名奈德（Ned），這位教授年輕又極端聰明，我剛入學，就聽到學長說：「奈德知道一切！」（Ned knows everything!）。上了課才知道，他講課的層級簡直就是在雲端，遠高於我們這些菜鳥研究生的智力水平。舉個例子，他說：「宇宙創生的大霹靂，不是從一個點爆發到無限，而是從一個無限爆發到另一個無限！」同學面面相覷，只能怨嘆自己慧根不足。後來回到台灣教書，當我使用了同樣方法描述宇宙，看到台下學生的茫然，心中終於有了轉嫁重擔的輕鬆。

在我的印象中，「宇宙學」這個研究領域從天馬行空的「盍各言爾志」轉變為可重現、能信賴的「精準科學」，是在1990年1月。那一年的冬季美國天文學會（American Astronomical Society）在華盛頓特區召開年會，戶外大雪紛飛，室內卻是熱情沸騰，因為四天會議的第三天中午，「宇宙背景探測衛星」（COBE）的研究團隊要報告最新的觀測結果，告訴大家「宇宙是否完美」！

COBE衛星在會議前的兩個月剛剛發射，要觀測宇宙背景是否是完美的「黑體輻射」。本來這顆衛星早就安排了要搭太空梭升空，由太空人置入軌道，但1986年1月「挑戰者號」在升空時爆炸，太空梭機隊全面停飛，澈底檢查潛在危險，這一拖就兩年多，等到1988年9月太空梭恢復運作，地面上排隊等待升空的衛星已經比紫南宮過年領錢母的人龍還長。當時我在美國航太總署（NASA）聽到同仁自嘲說：「美國有全世界最棒的太空計畫，不過都還在地上。」排隊的優先順序從軍事衛星開始，COBE團隊想要盡快發射，負責排班的人卻說：「宇宙也不會跑掉，有什麼好急的？」（The Universe is not going anywhere. What’s the big hurry?）

奈德是COBE團隊的主要成員，他當時聽了傻眼，知道繼續等下去遙遙無期，就決定拿掉衛星周邊結合太空梭酬載艙的框架，將衛星轉到一個三角洲二號（DELTA II）火箭上，就在1989年11月發射。當時COBE研究團隊壓力無比巨大，因為就在兩年前的1987年，美國加大柏克萊分校和日本名古屋大學剛合作發射了探空火箭，短暫升空去觀測宇宙背景，得到的結果竟然是「不完美」！我的天哪！從希臘哲學家以降，兩千多年來科學家心中一直相信宇宙是「均勻、對稱、和諧，而完美」的，現在發現竟然不是，簡直是晴天霹靂，這個觀測結果踩到了科學家心中的信仰紅線，柏克萊加大聲名顯赫，日本太空界也不常犯錯，因此不願相信這個結果的人都焦急等待著COBE給出最終答案！

來到會議的第三天中午，4000多位與會學者沒有人去吃中飯，大家齊聚會議大廳，等待結果揭曉，聽說會場中賭盤也十分熱絡，沒想到宇宙是否完美也能拿來對賭！報告開始，COBE科學團隊的負責人馬瑟爾（John Mather）在萬眾矚目下走上台去，我和他在NASA的研究室在同一層樓，只隔著幾間辦公室，平常覺得他溫文儒雅、沉默寡言，沒想到這次他站在台上就如同神一般的存在！他拿出透明投影片（那時還沒有PPT）放上實物投影機的那一剎那，台下瞬間爆出歡呼，久久不息，宇宙果然是完美的！

他放上的那張圖是COBE上的「遠紅外絕對分光光譜儀」（FIRAS）的觀測結果【圖一】，圖上許多小小的紅色十字是觀測數據，藍色的實線是絕對溫度2.725度的黑體輻射曲線，可以看出「觀測數據」和「理論預測」完全相符，誤差只有萬分之一度！觀測數據是如此精確，每個觀測點的「誤差槓」（error bar）比印表機印出理論曲線的粗細還來得小，所以如果按真實狀況印出，在圖上就根本看不到數據點，只會看到一條平滑的理論曲線！從這之後，我就不再拿宇宙學開玩笑了。

那天報告結束，與會的科學家見證了歷史，都興高采烈意猶未盡地在會場裡到處聚集討論，我和幾位同學正在說話，看到奈德走過來，我就忍不住問他：「COBE什麼時候知道宇宙是完美的？」奈德露出一貫溫和淡定的微笑，說：「發射後6小時。」聽了十分震撼，也就是說衛星剛進入軌道，觀測儀器的窗口一打開就知道了，COBE團隊還能憋上兩個月不說，也真難為他們了！

接下來許多人就開始好奇，為何美國和日本兩所名校合作的探空火箭觀測會出錯？後來答案揭曉，原來是科學家過於心急，在火箭升空過程中過早打開觀測窗口，除了觀測到該有的宇宙背景輻射，同時也觀測到了自己火箭的廢氣！

雖然「完美」是好事，但「我們」就不應該存在了！因為宇宙初始是如此完美光滑，短短138億年的時間並不夠讓物質各自集中，生出如今這麼多星系來，也就是說，解決了一個問題，卻衍生出另一個問題！科學家的宿命就是不讓自己好過，老是去想一些讓人不安的事。

這個問題很快就得到了解答，COBE上的另一個儀器「較差微波輻射計」（DMR），可以「比較」宇宙不同方向的背景輻射「差異」，團隊裡來自柏克萊加大的史慕特教授（George Smoot III）將累積了幾年的DMR觀測數據疊加之後，看到了背景輻射中的微小「溫度起伏」【圖二】，這些溫度的差別只有10萬分之一度，但這些微小起伏的出現，就讓我們可以理直氣壯地存在！因為溫度的起伏代表了密度的高低，密度高的地方會吸引周邊的物質聚集，也就是「星系的種子」，隨著時間，物質越聚越多，終於成就了今天這個包含億萬星系的宇宙！發現「完美宇宙」的馬瑟爾，和找出「溫度起伏」的斯慕特，共同在2006年獲得諾貝爾物理獎，可謂實至名歸！

科學家永遠不會滿足於現狀，COBE的高光時刻一過，宇宙學界又開始發射更高解析度的衛星，接下來NASA在2001年發射的「威金森微波異向性探測器」（WMAP）和歐洲太空總署（ESA）在2009年發射的「普朗克探測者衛星」（Planck Surveyor satellite）大幅提升解析率和敏感度，將這個宇宙初始的溫度起伏觀察入微，不單是進一步了解星系生成的過程，也讓我們看到了科技的進展如何提升科學的理解【圖三、圖四】。

台灣大學天文研究所位在校內天文數學館的八樓，當年落成的時候，宇宙學領域的同仁決定將COBE觀測到溫度起伏的繽紛圖像畫在天花板上，希望訪客抬頭就可以看到宇宙初生時的模樣，沒想到有一天我聽到有人說：「啊你們天文所怎麼看起來好像汽車旅館？」唉，知識真的很重要啊！