宇宙大爆炸和膨脹理論

 宇宙大爆炸和膨脹理論

ˈ7-21-2018

 

當大師愛因斯坦提出廣義相对論 (General Relativity) 時, 他認為宇宙絕不会是靜態的, 但一時卻也說不出这宇宙到底是以什麽狀態在動。一直到人們發現了紅移 (Redshift) 的現象, 才知道这宇宙竟然是在擴張。

 

比利時天主教神父喬治·勒梅特 (Georges Lemaître) 相信宇宙有一個起點, 他最早提出宇宙擴張和大爆炸 (Big Bang) 理論。他也是第一個提出現在被稱為哈勃定律的人, 並且首次估計了所謂哈勃常數。在1927 年, 比哈勃的文章早兩年, 他就發表了相關的論文。可見哈勃似乎偷沾了一些前人的功勞。

 

客普勒效應

17世紀德國數學家兼天文學家 ~ 開普勒 (Johannes Kepler)。 一日, 他發現一輛火車從遠方來, 鳴笛快速從身迅飛馳而过時, 那笛聲從極小聲, 突然变大, 然後又快速縮小。他想了半天, 認為是音速快速接近時被压缩, 波長減短, 音調上升。反之, 快速離去時, 波长被拉長, 音調隨之下降。这聞名古今的客普勒效應於是誕生。

 

恆星的光譜

自從1863年威廉·哈金斯爵士 (Sir William Huggins) 成功拍攝到恆星的光譜之後, 許多天文學家就開始利用光譜的技術來研究恆星的性質。藉著和已知物質的光譜比較, 物理學家可以很容易的認出未知物質中含有哪些元素。只是拿太陽的光譜和實驗室中的元素光譜比較之後, 將會知道太陽裡面有多少的氫、多少的氦。

 

20世紀初, 光譜學開始廣泛運用在天文領域, 由於一般星星的亮度跟太陽比起來差太多, 想要研究他們的光譜, 勢必要藉助於更大更好的望遠鏡。那時候全世界最大的望遠鏡就屬美國威爾遜山天文台的2。5米望遠鏡了。埃德温‧哈勃 (Edwin Hubble) 當時就在威爾遜天文台擔任研究工作。

 

宇宙膨脹

同理, 光也是一樣。可見光中, 紅光的波長最長, 当一颗光体迅速遠離我們時, 所有光線波長都变長, 向紅光方向移动?· 1920年代哈勃對遠方銀河系所做的光譜分析, 更發現許多遙遠星系的星光都有紅位移的現象。並提出解釋說這是因為宇宙膨脹所造成的。

 

哈柏定律

v = H(t) r

v是該星系的相對速度;

H(t) 是所謂的哈柏常數;

r則是該星系的距離

離地球越遠的星系, 遠離的速度越快。

 

古典牛頓力学是向上扔一颗蘋果, 因為萬有引力的關係, 它一定会掉下來。而愛因斯坦相对論指出, 在真空中不会有任何東西移動速度会比光速 (每秒30萬公里) 还快! 結果, 今天科学家發現宇宙不但不停地向外擴張, 離我们326萬光年(又稱 1 Megaparsec, or Ms單位 ) 外的星球, 遠離地球速度每秒比光速快67公里! 2Ms單位 外每秒快 136公里, 3Ms單位 外則每秒快 204公里…等等。而且, 它们放射出來的光線, 由亮变暗, 而且漸漸地在銀幕上消失! 这意味着離去的速度比光線射到地球速度要快! 這證明宇宙膨脹的速度, 確實比光速还快!

 

这下, 大家可就十分地懊惱沮喪了, 第一这地球会越來越孤單, 我們的子孫, 可能再也看不到我們今天看到的所有星星。 再來以前学的物理和數學什麽的, 都不再管用了?

 

科学家坐下苦思, 这到底是怎麼回事? 这時又想起大師曾經說过, 宇宙的時空是扭曲的。比如說一個等邊三角形, 在二度平面空间每一角必定是60度。但在曲面上, 則可能小於, 或者大於60度, 要看是凸面, 还是凹面。光在宇宙中受到引力影响, 常会弯曲, 而且位在一個球面上的兩座星系, 当球脹大, 它们就彼此越遠離, 曲面三度空间, 似乎可以解釋宇宙膨脹速度為何会超越光速。

 

宇宙中含有許多「黑暗勢力」, 因為它們的密度實在太大, 連光子都被吞沒, 所以用望遠镜也看不見它们, 姑且給它暗物質 (Dark Matter)、暗能量 (Dark Energy)、黑洞 (Black Hole) 等名稱。光遇到它, 路線会被扭曲。宇宙中星球、銀河、岩石、塵埃之所以会被壓擠, 幾乎拉成一個扁平的披薩形狀, 而且餅面被不断拉開, 朝四周伸張, 這一定和黑暗勢力以及它们之间相互作用的能量有關。这奇特的現象, 目前只有全能的上帝知道, 祂為何如此做? 將來会怎樣? 沒有人知道!

大爆炸不过还是一個理論, 因為沒有收集到發生當時的證据, 只能憑着目前觀察, 推論出一個可能的情况而已。

 

宇宙大爆炸

大爆炸(Big Bang) 模型, 基本上就是以哈伯發現的宇宙膨脹倒推回去。 在137億年前應該宇宙會縮在一個無窮小的「奇異點」裡面, 溫度、密度都是無窮大。整個宇宙從這一個小點爆開來之後就不斷膨脹, 造就了我們現在的宇宙。

 

大爆炸可能過程包括: (1) 爆炸前 ~ 138億年前, 開始是紧密結合, 体積無限小, 密度無限大的點, 叫奇點 (Singularity); (2) 爆炸發生時, 宇宙空间充滿高溫、高压、高亮度, 一片混濁的氣體和灰塵。(3) 38萬年後, 因為高速率擴張, 宇宙慢慢由混沌变成清晰, 恆星和星系開始形成。 (4) 所有的星系还不断地向外擴張。 但別忘了相对論提到当引力無窮大時, 光陰就会緩慢, 或者停頓下來, 当人類專家說幾百億年, 会不会是很短的時間呢?

 

大爆炸的三大證據

除了紅移, 宇宙背景輻射外, 第三個證據是原始元素比例。根據核子物理研究的結果, 宇宙平均溫度在絕對溫度3度, 計算早期宇宙中的中子在膨脹降溫過程中衰變成質子的速度和殘存比例, 而殘存的這些中子全部都和質子結合成氦原子核。根據這樣的計算, 宇宙的原始成分中氫原子核應該佔約四分之三, 而氦原子核應該佔約四分之一, 其他所有元素（鋰、碳、鐵、鈾）的總質量合起來只佔不到百分之一。早在1960年代以前, 星系光譜觀測中, 就已經發現有這種跡象。

 

是誰創造了這奇點? 是誰點燃這奇點?