宇宙|看见宇宙的太虚之境
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想一窥宇宙最古老的光子所留下的迹象 ， 只要打开古董电视机就行了 。转换频道时电视萤幕上颤动不已的微小杂讯 ， 正是138亿年前大霹雳后不久所释出的光子持续不断轰击电视天线的结果 。这些平均温度2.7K（约-270℃）的光子 ， 均匀在空间中各个方向穿梭 ， 称做宇宙微波背景辐射（CMB） 。由于这些光子如此古老 ， 因此著名的CMB二维分布图常被视为宇宙的「婴儿图像」 ， 是今日一探太初宇宙环境最好的窗口 。
不过 ， 宇宙的婴儿图像有一些不完美的地方 ， 物理学家把这些无法以标准宇宙学模型解释的瑕疵称做「异常」 。2004年 ， 宇宙学家在美国航太总署（NASA）威金森微波异向性探测器（WMAP）的CMB分布图中首次发现的「冷点」（cold spot） ， 是其中最明显的异常；该区域在天空中跨幅是满月的20倍 ， 太初光子的温度也异常的低 。对某些宇宙学家而言 ， 冷点不完全是宇宙婴儿图像上的瑕疵 ， 倒像是破坏CMB宏伟对称性的丑陋胎记；但也有其他宇宙学家认为它凸显了宇宙的某些特性 ， 更加令人振奋 。而我就属于后者 ， 对CMB这个异常无比着迷 ， 总在猜测其成因 。
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这神秘的谜引起学界诸多讨论 。其中一个解释是冷点的形成纯属随机 ， 并无任何特殊原因 ， 但发生这种情况的机率大约只有1/200 。其他可能的成因则包罗万象 ， 从一般常见的仪器分析问题到天马行空的揣想 ， 冷点也可能是通往另一个宇宙或隐藏维度的入口 。
2007年 ， 我与一些天文学家从已知的宇宙性质发想 ， 提出「超级空洞」（supervoid）概念：那是一大片几乎没有物质与星系存在的辽阔空间 。如果冷点所在的空间是一个超级空洞 ， 就可能解释CMB的这个异常 。这个巨大空洞的周遭是物质相对致密的区域 ， 成为太空中物质最稀疏的荒漠 。这想法也暗示 ， 如果超级空洞存在、并以我们设想的方式形成冷点 ， 便可支持暗能量是引发宇宙加速膨胀的主因 。近来 ， 我与美国夏威夷大学的同事已确认超级空洞存在 ， 并从一些有趣的线索推测它可能解释冷点的存在 。
穿过空洞、翻越山岭
藉由仔细思索光子与小型空洞交互作用的模式 ， 天文学家认为超级空洞可能存在 ， 并导致冷点的形成 。虽然超级空洞是极端状况 ， 但大小中等、包含少量星系的一般空洞却屡见不鲜；再者 ， 与空洞恰成对比的星系团（由上千个星系所组成） ， 在宇宙中也非常普遍 。宇宙学家认为空洞与星系团皆源自非常早期的宇宙 ， 那时物质受到随机的量子力学效应影响 ， 在某些区域分布较稀疏 ， 在其他区域则较致密 。过致密（overdense）区域包含较多质量、重力较强 ， 可以持续吸引更多物质 ， 因此与过稀疏（underdense）区域渐行渐远 。前者最终成为星系团 ， 后者则变成空洞 。
由于空洞中物质极少 ， 任何穿过空洞的物质 ， 都会呈现出如球翻越山岭的现象（参见56页〈登上孤寂寒冷的能量山岭〉）：当粒子进入空洞 ， 远离周遭具有较强重力场的高密度区域时 ， 就如同滚上山坡的球一样慢了下来；一旦离开空洞朝致密区域运动 ， 又像球滚下山坡一样加速 。
CMB光子穿越空洞时也遇到类似情况 ， 虽然并不会改变速度（光速恒定不变） ， 但能量会改变 ， 变化程度正比于它们的温度 。当光子进入空洞（爬上山坡）时 ， 光子损失一部份的能量 ， 温度会降低；如果宇宙没有加速膨胀 ， 当光子接着抵达空洞的另一头（滚下山坡） ， 便可重新获得失去的能量 ， 温度会与刚进入空洞时相同 。
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