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赖虞
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1 投稿類別 : 地球科學類篇名 : 作者 : 陳昶瀚國立台中一中高一 22 班邱鴻昇國立台中一中高一 22 班指導老師 : 鄒東羽老師 1

2 壹前言我們從小就對太空中的奧秘有著濃厚的興趣, 除了閱讀科普書籍雜誌外, 也關注關於天文的新聞還記得國中老師推薦十月的天空這部電影, 主角侯麥對於火箭的夢想和執著重新點燃了我們心中那想成為太空人的夢想隨著最近幾年關於好奇號羅賽塔號在天文探測中的重大突破, 以及對於重力波的偵測, 我們決定重新尋找那個被懷抱著太空夢的童年, 一同合作整理關於大霹靂理論, 及古今對於宇宙的探測我們查詢整理了從網站科學書籍, 以及以前的新聞報導的資料我們決定以大霹靂理論為主軸, 依它的概要發展歷史與證據逐步說明, 其中加上了其他不合的理論作比對, 並探討幾個人們對於天文學的疑惑於後面我們亦找出一些具指標性的天文探測工具, 以簡化的方式整理它們具有指標性的原因貳正文 ( 一 ) 概述人們對於廣大而浩大的宇宙有著無限遐想, 特別是宇宙的起源, 或者是宇宙的邊界這當中不乏有宗教或神話上的詮釋但在過去一百年內, 科學進步的暴漲伴隨著物理天文學的成形, 開始有了各種有根據的理論及模型試圖詮釋宇宙的歷史, 其中包括 Big Bang Theory Steady State Theory Milne Model Cyclic Model 等前兩者為主流學說, 在本文會加以介紹接著在約 1965 年之後, 由於宇宙微波背景輻射 (CMB, cosmic microwave background) 的發現, Big Bang Theory 取得大多數科學家的支持且隨著更新的證據出現, 包括最近的重力波, 表示其為現今最完善且成功的理論, 中文俗稱大霹靂 ( 二 ) 發展一 1912 年,Vesto Melvin Slipher 藉由天文觀測發現光譜有紅移 (Redshift, caused by Doppler Effect), 證實其正在遠離地球二 1917 年,Einstein 發表的論文中結合廣義相對論 (General Relativity, G.R) 2

3 與天文學, 並藉由加入宇宙常數 (cosmological constant, Λ) 使其方程式之解為穩態宇宙 ( 亦為當時主流 ) 三 1922 年,Friedmann 藉由宇宙學原理簡化重力場方程 ( 即 Friedmann equations,), 得到之解顯示宇宙正在膨脹四 1927 年,Lemaître 由 Slipher 之觀測結果 ( 即上文之一 ) 推論星體遠離之原因為宇宙膨脹 ( 在此之前, 他不知道 Friedmann 的結論 ) ( 此點為筆者個人論點 ) 五 1929 年,Hubble 發現星體遠離速度與距離成正比, 此為著名的 Hubble's Law( 即哈伯定律, 在本文後面會做更進一步介紹 ) 六 1931 年,Lemaître 提出若把宇宙對時間反演, 可得到一起點, 即為現代所謂的 Initial Singularity 七 1940 年代,George Gamow 等人提出 BBN( 太初核合成, 即描述各元素豐度之理論 ) 八 1943 年,Fred Hoyle( 畢生皆為 Steady State Theory 的擁護者 ) 在 BBC 廣播節目上首次提及 Big Bang 九 1965 年,CMB 發現及確認,B.B.T. 逐漸成為學術界主流十 2016 年 2 月 11 日, 雷射干涉重力波天文台 (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO) 宣布直接探測到重力波 (Gravitational Wave), 證實 G.R. ( 三 ) 證據一哈伯定律和紅移 (Hubble's Law and Redshift) (1) 哈伯定律 (Hubble's Law): 1. 其中, 是由紅移現象測得的星系遠離速率, 是哈伯常數, 是星系與觀察者之間的距離 ( 轉自維基百科哈柏定律 ) 2. 請注意, 此速度為空間本身膨脹之速度, 並非穿越空間之 3

4 速度, 因此及變超光速也不造成因果悖論 3. 可以將宇宙膨脹想像成有一氣球其表面有許多標記, 取任一作為原點, 當氣球膨脹時, 其餘相對於其之速度與距離成正比 4. 臨界密度 (Critical Density) 與密度參數 (Density parameter) i. 在宇宙中取一球狀區域, 其球面上有一質點, 質量 m, 與球心距離 R, 速度 v 由力學能守恆 : 代入 Hubble's Law, 又代入並化簡令上式參量 K=0 即為臨界狀態, 此時又定義密度參數 : ii. 4

圖 -1 ( 轉自 https://zh.wikipedia.org/wiki/ 宇宙的年龄 ) K<0 宇宙為封閉膨脹到一定時間就開始收縮 ρ!! ρ! =1 K=0 臨界狀態臨界狀態 K>0 宇宙為開放一直膨脹表 -1( 自行整理 ) (2) 紅移 (Redshift) 1.

5 圖 -1 ( 轉自宇宙的年龄 ) K<0 宇宙為封閉膨脹到一定時間就開始收縮 ρ!! ρ! =1 K=0 臨界狀態臨界狀態 K>0 宇宙為開放一直膨脹表 -1( 自行整理 ) (2) 紅移 (Redshift) 1. 由 Relativistic Doppler Effect 可得其中, 為紅移值 2. 由 G.R. 可得 3. 真實情況須同時考慮兩者, 如圖 -2 所示圖 -2( 相對論性多普勒效應 ) 二宇宙微波背景輻射 (CMB, cosmic microwave background) 5

(1) 簡述 : 宇宙剛形成時屬於白熱化狀態, 充斥著緻密高熱的氫氣電漿及輻射當宇宙有一定降溫後, 質子電子開始結合, 吸收輻射能力下降,

CMB 在大範圍下各向同性 ; 雖在極小範圍各向異性, 但完美的符合理論預測, 是 B.B.T. 最重要證據之一另外此輻射也於 2.

org/wiki/ 宇宙微波背景辐射 ) 三太初核合成 (BBN) (1) 簡述 : 描述宇宙剛形成後,

6 (1) 簡述 : 宇宙剛形成時屬於白熱化狀態, 充斥著緻密高熱的氫氣電漿及輻射當宇宙有一定降溫後, 質子電子開始結合, 吸收輻射能力下降, 宇宙逐漸明朗接著光子脫耦並開始傳播, 隨時間推移空間膨脹, 於是波長變長, 能量變低 ( ), 形成今日之背景輻射 (2) 由於 CMB 在大範圍下各向同性 ; 雖在極小範圍各向異性, 但完美的符合理論預測, 是 B.B.T. 最重要證據之一另外此輻射也於 2.7k 之熱輻射完美符合, 可從圖 -3 見得圖 -3( 宇宙微波背景辐射 ) 三太初核合成 (BBN) (1) 簡述 : 描述宇宙剛形成後, 由氫元素開始逐步合成其他元素之過程, 其模型對於元素豐度之預測值有相當之準確性, 可視為 B.B.T. 之重要證據之一 (2) 反應式 : 圖 -4( 核合成 ) 6

7 四常見問題 (1) 宇宙年齡 1 問題 : 由 Hubble's Law 推導出宇宙年齡大約為 80 億年, 但實際公認值大約為 140 億年, 為何? 2 解答 : i. 實際觀測結果宇宙正在加速膨脹, 但以上模型為減速膨脹, 因此產生誤差 ii. 宇宙在加速之原因目前推測是因暗能量 (Dark Energy), 詳細仍有待研究 (2) 曲度問題 1 問題 : 目前預估, 表示宇宙為平坦的, 為何? 2 解答 : i. 由於宇宙是急速膨脹, 因此將時空拉平 ii. 由於我們所見宇宙只是一小部分, 因此可是為平坦 (3) 暗物質 1 問題 : 目前有許多證據顯示其存在, 但 B.B.T. 完全無提供起產生或作用之機制? 2 解答 : 仍有待科學家解釋五其他模型 (1) Steady State Theory: 1 Einstein 在由 G.R. 導出之重力場方程中加入宇宙常數 (Cosmological Constant, Λ), 使宇宙為靜態, 此為穩態宇宙發想之先驅但 7

8 在後來許多宇宙膨脹之證據出現後, 他便後悔, 且稱其為他一生最大之錯誤年代,James Hopwood Jeans 提出一概念為宇宙可不斷產生新物質符合 Hubble's Law 及 G.R., 但仍為穩定年,Fred Hoyle 等人由上條之發想正式提出 Steady State Theory 認為在長遠的時間發展下, 宇宙可視為靜止, 且無起訖點 ( 即 Perfect Cosmological Principle) 4 由於類星體 (Quasars) 及電波星系 (Radio Galaxy) 之發現, 其分佈大力支持 B.B.T., 於是 S.S.T 逐漸被科學家所拋棄 (Quasars 及 Radio Galaxy 皆距我們相當遠, 但能量驚人的高, 分佈在宇宙視界之邊緣, 符合 B.B.T., 不符合 S.S.T 之散佈假說 ) 5 CMB 之發現及大範圍下各向同性表示宇宙應有依共同起始點, 而非 S.S.T. 預測的由散佈在宇宙中之星體產生 ( 不同源, 不可能使 CMB 各向同性 ) (2) Milne Model: 年,Edward Arthur Milne 提出 2 為 Friedmann equations 之一特解, 設能量密度 (Energy Density) 宇宙常數 (Cosmological Constant) 壓力 (Pressure, 由 G.R. 中應力之觀念推廣而來 ) 皆為零 ; 且空間曲率 (Spatial Curvature) 為負 3 在一定的範圍下此理論有一定之正確性 4 此模型使宇宙似乎像一種慣性參考系, 因此比起 G.R., 狹義相對論 (Special Relativity, S.R.) 在此模型中更為適用, 此點亦為此模型之缺陷之一 ( 此點為筆者個人論點 ) 5 Milne Model 假設物質在宇宙中並不影響宇宙之幾何結構, 此為與主流模型之最明顯不同因此也並無考慮宇宙膨脹造成之效應 ( 注意, 此處意思是有如靜態宇宙之觀點 ) (3) Cyclic Model 年由 Einstein 提出 8

9 2 作為對抗當時膨脹宇宙之一種模型, 風靡一時, 一度成為主流 3 宇宙為永恆的, 在 Big Bang 與 Big Crunch 之間來回彈跳 (bounce), 如此週期性重複, 巧妙結合 Perfect Cosmological Principle( 無起迄點 ) 與各種支持 B.B.T. 之證據 ( 將目前宇宙視為正位於一週期中之膨脹階段, 即 B.B.T. 為 Cyclic Model 的一個片段 ) ( 此點為筆者個人論點 ) 年,Richard C. Tolman 由熱力學第二定律 (Second law of thermodynamics) 推翻, 因亂度 (Entropy) 只會愈來愈大, 因此此理論提及之週期性變化不可能存在 ( 令筆者十分驚訝的是這麼完美且被當代多數物理龍頭推崇之理論竟被如此基本之理論推翻, 令人詫異 ) 六宇宙之探測 (1) 過去重要之探測器 1 宇宙背景探測者 ( 探險家 66 號,COBE): i 年發射, 目的在研究搜集更多 CMB 之資訊, 且其成果強力鞏固了 B.B.T., 使我們對宇宙之形狀及歷史的了解有莫大幫助 ii. 下圖為 COBE 探測 CMB 之微弱的各向異性成果圖 -5( 宇宙背景探測者 ) 2 威爾金森微波各向異性探測器 (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. WMAP) i 年發射, 主要任務亦為搜集 CMB 之資訊, 但比起 COBE 更加先進且同時執行更多任務 ii. 讀者或許對前述之包括宇宙年齡哈伯常數之值 9

圖-6 左為 2012 年 WMAP 花九年探測如圖-5 之結果圖-7 右為比較 COBE

org/wiki/威尔金森微波各向异性探测器) 3 哈伯太空望遠鏡 Hubble Space

近代最重要之太空天文望遠鏡主要貢獻為做超深空造影得到清晰的天文影像以及測定更準確之哈伯常數

10 大霹靂理論 B.B.T. 的發展歷程為何宇宙平坦及宇宙組成等資訊如何得知感到困惑而這些都是 WMAP 之重要貢獻 iii. 圖-6 左為 2012 年 WMAP 花九年探測如圖-5 之結果圖-7 右為比較 COBE WMAP Planck WMAP 之後續探測器關於如上之同一現象觀測結果之比較圖-6( 圖-7( 3 哈伯太空望遠鏡 Hubble Space Telescope, HST i. 近代最重要之太空天文望遠鏡主要貢獻為做超深空造影得到清晰的天文影像以及測定更準確之哈伯常數圖-8 為 HST 圖-9 為老鷹星雲內正誕生恆星由 ii. HST 拍攝圖-8( 圖-9( 2 現代 1 羅賽塔號 i. 2 為第一個受控登陸彗星的登陸器. 好奇號 10

11 i. 為 NASA 為火星 2020 探測車任務 (Mars 2020 rover mission) 的原型 ii. 任務為採集並研究火星上的土壤, 希望能藉此找到生命存在的線索參結論太空的變化莫測令人們自古以來就不斷嘗試解開這些疑惑而也有不少人提出論點來研究或解釋可惜的是, 這些研究和觀點及進展總是由西方國家遙遙領先我們 : 在十七世紀時, 西方國家的科學研究達到了巔峰, 當中國受到如此的衝擊時, 改變的卻太慢也不夠確實但或許因而說中國的科學發展遜於西方是不公平的, 戰國時代的墨子早在書中提出對於光和波的解釋 ; 數學家祖沖之較西方早一千年掌握圓周率的數值 ; 明代宋應星的天工開物也記載了大量當代的科技文明 ; 更不用說撼動了西方歷史的四大發明了因此, 我們應該要抱持任重而道遠的精神, 貢獻所長, 但也可同時向賈伯斯說的學做自己, 追逐屬於我們的太空夢而相較於現實生活中的你爭我奪, 居禮夫人在書信中所提到的這段話 : 因為我們無權無勢, 沒法改變社會現況, 而且縱然有權, 我們也不知道該怎麼做, 若是隨意做去, 則完全無法確定是否反而弊多於利, 因為可能反而減緩了原本自然會有的發展而在科學方面, 我們的確可以做點事這塊土地比較堅實, 每一項新發現, 不管多麼微不足道, 都確實是我們的貢獻能清楚說明科學研究是屬於全人類共同擁有的智慧, 相信再過不久, 人類就能隨意地在太空穿梭了! 肆引註資料 ( 一 ) 維基百科 ( 二 ) 新概念物理教程力學第二版 ( 趙凱華 ) ( 三 ) 聚焦物理世界 ( 四 ) 胡桃裡的宇宙 ( 五 ) 科學人你也誤會大霹靂? ( 六 ) 大霹靂產生宇宙 ( 七 ) tm 11

Microsoft Word - bigbang.doc

Microsoft Word - bigbang.doc 1.2 大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学(Big Bang Cosmology)是由勒梅特(Georges Le Maitre) 伽莫夫 (George Gamow)等人提出的一种学说他们根据广义相对论统计热力学以及天文学上观测到的宇宙膨胀现象推论,我们所处的宇宙其存在的时间是有限的早期的宇宙曾处在高温度高密度的状态下随着宇宙膨胀其温度密度逐渐降低并最终形成我们今日所见的宇宙英国科学家霍伊尔(Fred