- 專欄
文章專區
2014-11-01當量子遇上重力
539 期
Author 作者
曾耀寰／任職中研院天文所。
20世紀最重要的物理進展就屬相對論和量子物理。相對論包括狹義相對論和廣義相對論，而廣義相對論主要是和重力有關。愛因斯坦將重力現象看成是質能（質量 ∕ 能量）和空間的交互作用，質能改變空間的曲率，而彎曲的空間告訴質能如何行進。這種空間曲率改變在黑洞附近最明顯，主要原因是黑洞周圍的強重力場。而根據量子物理，在微觀範圍（例如原子分子）才有異於常規的量子現象（例如電子的干涉效應）。如果物體縮到史瓦西半徑（r2=2Gm/c2）的大小，其表面的逃脫速度等於光速，當物體繼續收縮，連光都無法逃離物體表面，於是就成為名符其實的黑洞。舉例來說，太陽若縮小到史瓦西半徑，就成為黑洞，但太陽的史瓦西半徑大約3公里，這大小還不到量子的範圍。因此若要量子遇上重力，就必須發生在一個物體縮小到黑洞的範圍，並且也是量子現象中的康卜吞波長範圍（λ=h/mc）。這種狀況下的長度尺度稱做卜朗克長度，該物體的質量尺度稱為卜朗克質量，而以光速行經卜朗克長度所需的時間稱為卜朗克時間，大約是10−44秒。
宇宙的暴脹
在宇宙最初形成的階段，尤其是在卜朗克時間內，是現今物理學家不甚明瞭的範圍，但在今年三月美國BICEP2團隊發表令人興奮的結果，他們在宇宙微波背景輻射（CMB）中觀測到B模偏振（B-mode polarization），這由重力波造成的B模偏振是暴脹理論的證據，對宇宙最初始階段的了解極其重要。參與該團隊的史丹佛大學郭兆林教授，是畢業自臺灣大學物理系，這是對國內學子積極參與基礎科學研究的一大鼓舞。
在現今的天文研究當中，除了在系外行星找到生命、直接偵測暗物質和暗能量外，尋找宇宙暴脹時期的重力波是另一項熱門的天文課題。找外星生命的重要性無須多說，直接偵測到暗物質則可能可以改變科學家對物質的了解，而暗能量可能對整個物理有所改觀，再加上證實暴脹的存在，任何一項都足以獲得諾貝爾桂冠。
科學家現在有近乎百分之百的把握認為宇宙是從大霹靂開始，隨時間不斷膨脹到現在的模樣，這主要由哈柏定律、宇宙微波背景輻射和氦豐度的觀測證據所證實。……【更多內容請閱讀科學月刊第539期】