Microsoft Word - 關於大霹靂

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招齑苗
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1 2008 真理大學數理資訊科學學術研討會 139 關於大霹靂 (About the Big-Bang) 真理大學資訊工程學系摘要物理學的疆界正在改變中以前科學家只問世界如何運作 ; 如今, 科學家不但問世界如何 (how) 運作, 還會問為什麼 (why) 世界是如此運作的愛因斯坦在二十世紀初問為什麼, 但是一直到最近十年來, 問為什麼才成為粒子物理學的常規科學研究長久以來, 科學家想了解我們的宇宙是怎麼形成的? 如何演化成今日的狀態? 為何如此運作? 時間有起點嗎? 終點又為何? 宇宙又是由哪些物質所組成的? 物質為何具有質量? 我們宇宙為何只由正物質組成? 反物質為何消失無蹤? 是否有由反物質組成的反宇宙或更高次元的空間? 黑暗物質與黑暗能量是什麼? 如何產生的? 生命與人類又是如何誕生的? 為了了解以上問題, 近年來歐洲核子實驗所 (CERN) 之大型強子對撞器 (LHC) 正在模擬宇宙誕生的情景, 從而探討宇宙物質與能量的起源, 看似毫無實用價值, 對我們卻具有深遠的意義與影響, 如同二十世紀初的相對論與量子論, 分別帶來核能與半導體產業, 改變人類生活面貌愛因斯坦說他站在牛頓與馬克斯威等偉大物理學家的肩膀上, 所以能看得更遠現代科學家亦然, 除了想完成愛因斯坦的夢想, 將宇宙四力統一起來, 也想了解宇宙是如何形成與運轉, 甚至進一步探討生命的本質與自我存在的意義本文目的, 希望藉大霹靂或大爆炸理論探討宇宙的誕生生命的由來與人類的起源, 結果顯示混沌或不對稱現象乃自然界本質, 也是促成它 ( 他 ) 們誕生的主因關鍵字 : 大爆炸理論 (Big-Bang s theory)

2 140 壹前言 The most incomprehensible thing about the universe is that it is comprehensible. 關於宇宙, 最不能理解的事是, 它居然可以被理解 -- Albert Einstein (1) 浩瀚的宇宙 1 一 3 宇宙是如何誕生的? 生命與人類的起源為何? 人存在的目的又為何? 從何而來? 往何處去? 自古以來即是哲學家與科學家不斷思考的問題在這麼一個廣大的空間裡 ( 直徑至少長達 137 億光年 ), 至少有 1,000 億個星系 ( 約 10 的 11 次方 ), 平均每個星系至少包含 1,000 億個恆星 ( 約 10 的 11 次方 ), 因此我們的宇宙至少包含 1,000 億兆個恆星 ( 約 10 的 22 次方 ), 如同恆河沙數問題是這麼浩瀚的宇宙到底是怎麼來的? 長久以來, 歐洲之宇宙觀演進如下 : 1 十六世紀中葉前, 在天主教會主導下, 一般歐洲人沿襲古希臘與埃及人觀點, 認為地球是宇宙的中心年, 波蘭科學家哥白尼根據觀察, 認為太陽才是宇宙的中心 3 16 世紀末葉, 義大利科學家布魯諾認為, 太陽不是宇宙的中心, 太陽只是我們銀河系中之一個恆星而已, 宇宙應該有無數星系他還指出, 宇宙應該是無限的, 時間是永恆的, 同時宇宙萬物是不斷變化的, 人類的歷史亦然年, 美國天文學家哈伯, 透過天文望遠鏡發現, 宇宙中果然有數以千億計的星系 ( 恆星聚集的星群 ), 其中最靠近我們銀河系的螺旋星系, 是兩百三十萬光年外的仙女座星系 5 近年來透過地球軌道上哈伯望天文遠鏡觀測, 發現宇宙並沒有中心, 宇宙是由許多星系群或團所組成的網狀結構此望遠鏡甚至於可以看到一百億光年外之星系由此可知, 隨著天文望遠鏡的改良, 人類的視界正不斷擴大, 但是宇宙到底有多大, 誰也無法下定論同時讓我們了解, 我們的地球太陽, 甚至銀河系, 都只不過是浩瀚宇宙的一個光點而已了解宇宙, 讓我們學會謙卑 (2) 宇宙在膨脹中

3 關於大霹靂 [ 觀察 ]:1913 年, 美國天文學家 V. Slipher, 發現十幾團雲氣以驚人的速度離開我們, 其光波波長變長, 趨向紅色光譜一端, 此謂之紅移現象 (red-shift), 當時 Slipher 不知那些雲氣其實是星系 2 [ 理論 ]:1917 年, 愛因斯坦發表廣義相對論不久之後, 荷蘭天文學家 W. de Sitter, 俄國數學家 A. Friedmann, 比利時天主教神父 G. Lemaitre, 分別從相對論導出宇宙膨脹或收縮的結論 3 [ 觀察 ] :1929 年,E. Hubble 用較優越的望遠鏡研究天象, 結論證明兩件事 : (a) 所有觀察到的星系的確互相在分離, 且距離我們越遠的星系, 它的速度越快 (b) 他不僅測出星系速度, 也測出其距離, 從而得到具有量化與分析功能的哈伯定律公式, 其比例常數哈伯常數可以進一步估計宇宙壽命 4 [ 理論 ]:1948 年,George Gamow 依據哈伯觀察所得認為, 既然宇宙在膨脹中, 那麼將時間倒推回去, 很久以前, 宇宙體積應該非常小而溫度一定非常高他以數學理論有系統地推導, 從大爆炸到膨脹的整個過程中, 每個階段所可能發生的事, 此謂之宇宙標準模型理論該理論認為, 宇宙是在大約 150 億年前由一個體積極小密度極大且溫度極高的狀態, 經過一場驚心動魄的大爆炸演變而來的 (3) 大型強子對撞器 (Large Hadron Collider, 簡稱 :LHC) 4 近代科學家為了進一步了解大爆炸後之細節, 特地在瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織 (CERN), 建立一具龐大之大型強子對撞器 (Large Hadron Collider, 簡稱 :LHC) 作為國際高能物理學研究之用 2008 年 9 月 10 日開始試運轉, 並且成功地維持兩質子束在軌道中運行, 是目前世界上最大的粒子加速器 LHC 實驗是一個國際合作計劃, 由全球 85 國中的多個大學與研究機構, 超過八千位物理學家共同合力出資合作興建, 歷時十五年, 總共花費約五十億美元它位於法國侏儸山脈與瑞士日內瓦湖之間, 主體環型構造深藏在地下 175 公尺及長 27 公里的環型隧道隧道周長公里, 直徑 3.8 公尺, 原本是大型電子正子加速器所在地 LHC 粒子加速管配備鈮 - 鈦合金超導體磁鐵, 並以液態氮與液態氦冷卻到攝氏零下度 ( 絕對溫度 1.9 度 ) 將氫質子或鉛離子加速到光速的 % 後讓它們彼此相撞如圖一 LHC 共有 4 座偵測器超環面儀器 (ATLAS) 緊湊緲子螺管探測器 (CMS) LHC 底夸克實驗 (LHC-b) 大型離子對撞實驗 (ALICE) 負責捕捉撞擊之後的蛛絲馬跡, 精確度可達 10 億分之一秒與 100 萬分之一公尺

4 142 圖一大型強子對撞器 (LHC) 圖型 (a) LHC 實驗的目的是 : 1. 在模擬宇宙大爆炸初期 (10 的負二十次方秒 ) 的景像, 讓科學家了解能量如何轉變成質量? 尤其是當時可能存在而今日看不到的基本粒子, 並驗證標準模型是否正確? 2. 尋找基本粒子標準模型中唯一尚未被找到之所謂上帝粒子 (God Particle) 希格斯玻色粒子 (Higgs boson particle), 以解釋物質具有質量的原因註一 3. 標準模型中使一些基本粒子具有質量的希格斯機制為何? 若真是如此, 希格斯粒子有多少種, 質量又分別是多少呢? 3. 驗證基本粒子標準模型所預測的基本粒子產生? 如夸克與輕子 4. 探索宇宙誕生時是否有超對稱粒子存在, 以及它是否與暗物質和暗能量有關 5. 探索宇宙誕生後為何物質與反物質不對稱? 6. 探討旋論 (String theory) 所預測之高次元或隱藏空間存在的可能性 7. 驗證著名宇宙物理學家霍金 (Stephen Hawking) 所預言, 大爆炸後是否產生小型黑洞? 以及他的黑洞輻射理論, 是否越小的黑洞越容易蒸發? 8. 驗證是否產生理論中的白洞蟲洞, 甚至產生類似時光機的作用? 9. 探討宇宙四種基本作用力中, 為何重力比起其他三個基本作用力 ( 電磁力強作用力與弱作用力 ) 差了這麼多個數量級? 10. 是否有理論所預測之磁單極 (magnetic monopole) 的存在? 註一基本粒子標準模型 ( Standard Model of Elementary Particle ) 是敘述基本粒子的組成, 和這些基本粒子間如何產生交互作用的一種理論圖像, 這些基本粒子可分為兩個家族夸克 (Quarks) 和輕子 (Leptons) 它們各有六個成員, 構成三個 generation, 其中 generation I 質量最輕,generation III 質量最重此外, 還有四種媒介子 (carrier),

5 關於大霹靂 143 以傳遞粒子間的交互作用力, 下表顯示基本粒子的組成 (b) LHC 實驗之副加價值 1. 電腦技術上 :LHC 計劃中使用分配式計算, 也就是所謂網格 (GRID), 才能處理龐大資訊流 ( 大約每秒 700 百萬位元組 ) 網格極可能促成新世代資訊改革, 取代現有單機網路資訊處理其實目前大家普遍使用之網際網路的前身 Internet, 即當時 CERN 人員為方便研究人員彼此分享資訊而發明的 2. 奈米科技上 ; 目前全世界都在積極發展奈米技術, 該項技術基於量子理論, 發展神速, 已進入許多產業領域及人類的生活奈米 (nano) 是尺度單位, 是 10 的負 9 次方以後 LHC 研究探討的尺度可以進一步小到 pico 尺度單位 (10 的負 12 次方 ), 甚至於 femto 尺度單位 (10 的負 15 次方 ) 3. 醫學與環保上 : 可讓專家透過 LHC 實驗, 改善癌症治療和核廢料銷毁處理貳大爆炸理論 5 大爆炸理論模型主要建立在愛因斯坦之廣義相對論 (General Relativity) 與宇宙論原則 (Cosmological Principle) 上大爆炸理論成功地解釋了宇宙間氫與氦為什麼含有三比一的比例, 它同時提出了微波黑體輻射的預測這一個預測奠定了大爆炸理論今日唯我獨尊的地位 (a) 廣義相對論在廣義相對論裡, 重力不再由重力場所描述, 而只是時空的扭曲, 誠如物理學家約翰惠勒 (John Wheeler) 所說 :

6 144 物質告訴空間如何扭曲, 而空間告訴物質如何運動 "Matter tells space how to curve, and space tells matter how to move.") 在觀測上它有三大証據 :(1) 水星近日點位移 (2) 光線在太陽附近偏折 (3) 重力紅位移若光線所經過的天體如恆星星系或黑洞越大, 其偏折角度會越大, 對更遠的天體有放大作用, 謂之重力透鏡透過重力透鏡效應與哈伯望遠鏡, 人類可以看到一百億光年之外的眾多星系俄國科學家弗里德曼 (A. Friedmann) 根據廣義相對論推測宇宙可能收縮或膨脹, 愛因斯坦為了符合當時流行的宇宙穩定模型而加入宇宙常數 Λ, 與度規張量 g 相乘後成為宇宙常數項 Λg 而添加在愛因斯坦之宇宙方程式中, 使方程式能有靜態宇宙的解若不加上此項, 則愛因斯坦之宇宙方程式會得到動態宇宙的結果其中是黎曼張量, 代表曲率 ; 是時空的度規張量 ; 是能量 - 動量張量, 是重力常數, 是真空中光速直到 1929 年看到天文學哈伯提出膨脹宇宙的天文觀測結果後, 愛因斯坦才放棄宇宙學常數, 認為是他一生中最大的錯誤然而目前天文物理與宇宙學的研究則讓宇宙學常數死而復生, 認為雖然其值很小, 但可能不為零理由在 90 年代末期, 兩個重要的證據證明宇宙常數不為零, 一是微波背景輻射的不均性, 另一則是 Ia 型超新星紅位移的測量目前一般相信, 宇宙常數被認為與暗能量或真空能量有關 (b) 宇宙論原則在宇宙論原則上, 最簡單的假設是宇宙自任何一個方向看, 幾乎都差不多, 或者說, 從大尺度 ( 約 200 Mpc ) 平均來看, 宇宙中物質分佈是既均勻又具有同向性註二 the matter in the universe is homogeneous and isotropic when averaged over very large scales. 註二天文學中把 206, AU 定為 1 秒差距 (parsec, 簡稱 pc), 而稱能造成視差角為 1 角秒的距離為 1 秒差距而 1 秒差距 = 3.26 光年,1Mpc=3.26 百萬光年其中 AU 為地球至太陽得距離, 約一億五千萬公理

7 關於大霹靂 145 弗里德曼學生年蓋茂 (George.Gamow) 於 1948 根據哈伯的觀察結果建立宇宙論標準模型, 並預測宇宙大爆炸後可能產生宇宙微波背景輻射 (CMBR), 且其溫度約為 5K(-228 C), 終於在 1965 年被威爾森與潘塞斯之無線電波噪音測量所證實, 雖然兩者有微小誤差, 他們兩人所測得的溫度是 3K (c) 蓋茂之大爆炸理論 ( 或宇宙論標準模型 ) 所描繪出的宇宙演化過程如下 : 1. 當時間為 0 時開始產生大爆炸, 溫度達 1000 億 K 以上, 真空能量陸續轉換成許多基本粒子與其反粒子, 如而光子電子微中子等註三 2. 當時間為 1 秒時, 溫度達 100 億 K 以上, 夸克與膠子陸續產生並呈浮動狀態 3. 當時間為 4 秒時, 溫度達 10 億 K 以上, 夸克與膠子開始組成質子中子 4. 當時間為 3 分時, 溫度達 1 億 K 以上, 質子中子開始形成原子核, 首先是氫, 接下來是氘, 最後是氦及極少數鋰, 其中氫 (H) 約佔 75%, 氦 (He) 約佔 25% 此時氣體是游離的, 自由電子與光子不斷碰撞, 光子無法跑遠就被散射掉, 宇宙到處充滿輻射大爆炸至此時期之前, 合稱為輻射主控時代 (radiation dominate era) 5. 當時間在 38 萬年後, 溫度約為 3000K, 自由電子與氫氦原子核結合成為氫原子與氦原子此時氣體是中性的, 使得光子可以在宇宙中自由行走, 亦即宇宙變透明了, 從此進入物質主控時代 (matter dominate era), 這是宇宙微波背景輻射 (CMBR) 的起源以上過程中, 宇宙四個基本作用力逐漸因溫度下降而分散開來, 此謂之基本力之對稱破缺 symmetry breaking 6. 當時間在一億年後, 宇宙第一個恆星形成 7. 當時間在十億年後, 宇宙第一個星系形成 8. 我們銀河系約在 37 億年後 (100 億年前 ) 形成, 太陽系約在 87 億年後 (50 億年前 ) 形成, 地球約在 91 億年後 (46 億年前 ) 形 7. 我們銀河系約在 37 億年後 (100 億年前 ) 形成, 太陽系約在 87 億年後 (50 億年前 ) 形成, 地球約在 91 億年後 (46 億年前 ) 形成以上過程如圖二註三夸克 (quark) 是形成質子與中子的基本粒子, 後者在膠子結合下可以形成原子核, 而原子核與電子結合可以形成原子宇宙剛誕生時最先產生的原子為氫與氦, 它們是構成恆星的主要原料, 之後才陸續形成星系行星及生命等宇宙萬物

8 146 圖二宇宙演化過程 (d) 暴脹宇宙理論 (Theory of inflationary universe) 大爆炸理論預測了宇宙微波背景輻射, 擊敗了穩態宇宙論, 馬上就面臨了一些挑戰問題, 這些問題綜括起來, 共有三項 ( 一 ) 為什麼會有大爆炸? ( 二 ) 為什麼觀測到的宇宙是這樣的均勻?( 三 ) 為什麼宇宙的空間會這樣的平?( 就像氣球吹得無限大或宇宙物質密度比值 Ω 非常地接近於 1) 為了解釋以上問題,1980 年代早期, 美國麻省理工學院的古斯 (Alen H. Guth) 發現, 宇宙若曾經歷一段極迅速的膨脹期, 就能夠解釋這個均勻性這樣的加速膨脹會稀釋所有之前已存在的物質, 並弭平宇宙的能量密度不均勻之處, 稱為暴脹 (inflation) 在這個階段之前, 星系或其前身緊密地塞在一塊兒, 因此得以輕易地協調它們的性質在暴脹期間, 由於光速趕不上激烈的膨脹, 它們便失去聯絡暴脹結束之後, 膨脹開始減速, 因此星系又逐漸恢復聯繫雖然大尺度上看, 宇宙是均勻的, 然而從小尺度上看, 宇宙並不十分均勻, 後者需用量子力學解釋, 如俄羅斯科學家林德 (A.linde) 利用海森堡測不準原理註四使得空間的真空能量密度在暴脹階段時不停地起伏 ( 溫度約有十萬分之一的誤差 ), 謂之量子起伏 (Quantum Fluctuation) 註五暴脹像個巨大的投影機, 把這些微小的量子起伏放大到天文尺度, 進而形成今日眾多星系恆星行星及生命這個暴脹期的長短是個關鍵, 若時間稍短, 物質為沒有充分散開, 原生宇宙就有重新坍縮為奇點的可能 ; 若時間稍長, 原生宇宙的物質則過於分散, 無法形成星系和恆星, 自然也就不會出現生命與人類換句話說, 宇宙生命與人類都是量子起伏所決定的註四海森堡測不準原理 (Heisenberg Uncertainty Principle): 在一個量子力學系統中, 一個粒子的位置和它的動量不可被同時確定位置的不確定性 Δx 和動量的不確定性 Δp 是不可避免的 : 其中是約化普朗克常數, = J s 此亦適用於能量與時間不確定性尤其在隧道效應和真空波動中反映出來

9 關於大霹靂 147 註五量子起伏與測不準關係式有關在壁壘穿隧的現象中, 就是使用到了量子起伏海森堡關係式 ΔEΔt=ħ/2 跟能量轉換有關; 所借貸 ( 使用 ) 的能量越多, 所能保有的時間就越短這些借貸的能量一般認為是真空能量 (e) 暴脹宇宙模型 (Model of inflationary universe) 宇宙在秒至秒之間發生暴脹在此期間, 宇宙的直徑大約由公尺暴增倍, 至公尺 (~30 Mpc) 在秒時, 暴脹終止, 膨脹速率變得與標準模型相同 ( 如圖三 ) 6 7 圖三標準宇宙模型與暴脹宇宙模型暴脹機制 : 宇宙在秒時發生相變, 放出巨量的 " 潛熱 ", 造成宇宙暴脹暴脹之前, 宇宙直徑小於視界, 宇宙處於熱平衡暴脹後, 我們可見的宇宙, 只是宇宙真實大小的極小部份物質所產生的空間曲度幾乎和平面相同, 亦即 Ω o ~ 1 Ω 是實際物質密度與臨界物質密度之比, 或者說宇宙總能量是零如圖四圖四宇宙 3 個可能的形狀

10 148 參觀察結果一般來說, 大爆炸宇宙學理論有四個觀測支柱 : (1). 以星系紅移為基礎的哈伯膨脹 ; (2). 宇宙微波背景輻射的細緻測量 ; (3). 太初核合成之輕物質 ( 氫氘氦 ) 等輕元素之豐度比 ; (4). 宇宙大尺度結構 (1). 紅位移與哈伯定律 (Red-Shift and Hubble s Law) 西元 1929 年美國天文家哈伯 (E.P. Hubble) 對星系作光譜攝影時, 發現遙遠的星系在光譜上均呈紅位移的現象, 亦即在視線方向上遠離我們而去, 且距離愈遠的星系所發出的光譜紅位移越大, 顯示其離開我們的速度愈大, 即遠方星系之相對速度與其距離成正比, 這個關係式被稱為哈伯定律, 如圖五其公式為 : V=HD 其中 V 是星系奔離速度,D 是星系的距離,H 是個比例常數稱為哈伯常數, 經過多年的觀測與修正,H 約為每百萬秒差距每秒 50 至 100 公里, 亦即星系距離每增加 100 萬秒差距時, 它奔離我們的速度, 約增加每秒 50 至 100 公里哈伯常數之一般值 H = V / D= 75 (km/s)/mpc =1800(km/sec)/ 1 億光年即每距離 1 億光年, 其它星系將以每秒 1800 公里的速度遠離我們而宇宙年齡 t = D / V = D / H * D = 1 / H = 130 億年較精確值 H = 73.5 (km/s)/mpc t = D / V= 1 / H = 137 億年圖五哈伯定律 8 註六 1Mpc=3.26 百萬光年 1 光年約 9.5 兆公里根據宇宙創生的理論, 宇宙的年齡可以用以下三個參數來估算 : 1. 哈伯常數 2. 宇宙物質密度 : 其重力可減緩宇宙的擴張

11 關於大霹靂宇宙常數 : 可加速宇宙的擴張 (2). 3 K 宇宙微波背景輻射 (CMBR) 從大尺度看, 宇宙微波背景輻射是均勻的大爆炸理論主張, 大爆炸後宇宙開始冷卻, 大約在 30 萬年後, 溫度到達了 3000K 左右, 空間的質子氦核子與電子開始結合成氫原子與氦原子, 這時空間開始清朗, 可見光的光子不再受質子與電子之羈絆, 可以在空間通行無阻在這之前, 所有的物理現象都被 3000K 的電漿 (plasma) 給遮住了, 所以我們能夠看到的極限就是 3000K 等離子體的輻射, 這個輻射是黑體輻射, 但是因為有宇宙的膨脹, 這些輻射的波長都因重力紅移而變長了, 紅移使 3000K 的黑體輻射變成今天的 3K 黑體輻射當宇宙溫度降至絕對溫度約 3,000 度時, 熱輻射之波長 λmax 為毫米, 從那時至現今, 宇宙估計已膨脹 1,000 倍, 因此最強輻射波長已較當初增加 1,000 倍成為 1 毫米左右, 故熱輻射已均勻而無方向性地冷卻到今天所測得的 3K 西元 1965 年天文學家潘奇亞斯 (A. Penzias) 和威爾遜 (R. Wilson) 利用貝爾電話公司實驗室的特殊天線, 意外發現太空中由各方向很均勻地射來微弱的無線電波雜訊, 這些輻射的能量以波長在 1 毫米 (1mm) 為最強如圖六圖六宇宙微波背景輻射 9 上左圖 :COBE 衛星 ; 上右圖 :2.745 K 背景輻射的實測值與理論值下左圖 : COBE 所測得的宇宙背景輻射紅色部份與藍色部份是起源於 COBE 相對於背景的運動速率為 360 公里 / 秒所產生的紅位移與藍位移 ; 下右圖 : 背景輻射經過各類修正後, 所顯示出的不均勻度是 ± K 紅色部份較熱, 而藍色部份較冷, 咸信較熱的部份是現在所見宇宙結構的種子

12 150 宇宙背景輻射的發現在近代天文學上具有非常重要的意義, 它給了大爆炸理論一個有力的證據, 並且與類星體脈衝星星際有機分子一道, 並稱為 20 世紀 60 年代天文學四大發現彭齊亞斯和威爾遜也因發現了宇宙微波背景輻射而獲得 1978 年的諾貝爾物理學獎從小尺度看, 宇宙微波背景輻射是不均勻的然而宇宙微波背景輻射的微量不均勻, 正是宇宙區域結構的種子年 4 月 23 日, 柏克萊加州大學 COBE(Cosmic Background Explorer, 宇宙背景探察者 ) 研究隊伍的主持人史穆特 (George Smoot), 宣佈了一項新發現, 他們終於在微波背景輻射中找到了皺紋, 並說 : 這個發現就好像我們看到了上帝的面孔史穆特所指的上帝就是我們宇宙的創始者, 這些皺紋並不是衪面孔上的皺紋, 而是衪在創造宇宙的那一剎那間留下的手印微波背景輻射的溫度後來已經更精密地測定為 2.73K 加州大學史穆特的工作小組, 測出了 30± K 的小皺紋這個皺紋的產生是因為微波經過 3000K 的電漿時, 波長會被重力拉長按照理論推算, 大霹靂後 300,000 年, 仍應有量子起伏 (Quantum Fluctuation) 遺留下的痕跡, 那就是區域的密度會有起伏通過高密度區域的微波波長, 會較通過低密度區域的波長要長一些, 因為重力紅移效應, 這個呈現於黑體輻射溫度上的微小差異, 就是所謂的皺紋觀測到了宇宙背景輻射的皺紋, 就證實了在暴脹前, 宇宙起始後秒時的量子起伏量子起伏的成立, 就符合大統一場論的推測, 因而鞏固了暴脹宇宙說的結果, 確定了大霹靂宇宙論的正統地位宇宙背景輻的微量不均勻肇因於自然界之自發對稱破缺 (spontaneous broken symmetry) 如果宇宙完全對稱, 物質與反物質粒子數目相同, 兩者將會一對一湮滅無遺, 然而一百四十億年前大霹靂 (Big Bang) 發生之後的對稱破缺, 導致每一百億零一顆物質粒子會對上一百億顆反物質粒子物質粒子就是靠著這一百億分之一的差異勝出, 最終形成各種天體, 生命也才有所依歸 (3). 太初核合成之輕物質豐度太初核合成發生在宇宙最初的三分鐘, 並且是對宇宙中 1 H( 氫 ) 2 H( 氘 ) 3 He( 氦 -3) 和 4 He( 氦 -4) 等元素豐度比率的負責者除了 3 He 和氘之外, 許多元素在宇宙中都有許多不同的微量同位素, 經由罕見的 cluster decay, 在大爆炸之際被製造出來這些元素的核子, 像是 7 Li 和 7 Be, 相信在宇宙形成的 100 秒至 300 秒的時段內, 在太初的夸克與膠子海凍結形成質子和中子之後, 都曾經形成過但是因為太初核合成在膨脹和冷卻之前經歷的時間很短, 因此沒有比鋰更重的元素可以生成比鋰更重的元素經由恆星內部核融合或超新星爆炸合成, 核合成後的產物, 除了按其殘骸質量大小不同, 分別形成白矮星中子星或黑洞外, 其餘氣體與灰塵隨恆星風散佈至宇宙內, 再次形成另一恆星五十億年前, 我們的太陽就是這樣形成的, 當它形成的過程中, 會噴出大量有機物質如氨基酸, 隨著氣體飄散在周圍, 附著在彗星上, 經由撞擊帶到地球只是奇怪的是, 為何只有左旋氨基酸存活? 以致目前地球上所有生物體內的氨基酸都是左旋的如今地球上任何生命或非生命體內都含有核合成的各種元素, 因此

13 關於大霹靂 151 我們可以說是宇宙之子 (4). 宇宙大尺度結構宇宙在大尺度下, 物質分佈是非常均勻的, 類似銀河系的星系都是均勻地分散在宇宙各個角落在數十億光年的範圍內存有類似泡沫狀的結構, 大多數的星系是聚集成團, 稱之為星系團, 星系團之間還有薄片 (sheet) 和細絲 (filament) 相連, 這些薄片和細絲形狀的結構是由星系所構成, 薄片和細絲的周圍則是密度極低的空洞 (void), 這些空洞約呈圓球狀, 直徑大約是宇宙大小的數百分之一從圖七可以看到上述的大尺度結構, 圖中的小點代表星系, 當中的星系大小約有 10kpc(1kpc 約 3300 光年 ), 星系團的大小從 1Mpc 到 10Mpc 都有 (1Mpc 等於 1000kpc), 而薄片或細絲所包圍的大空洞則有 30Mpc 到 50Mpc 的大小, 現今的宇宙大小超過 5000Mpc 為了解釋這個宇宙大尺度結構的形成, 宇宙學家提出一些理論希望可以和觀測的資料相符, 觀測中可見物質只佔 4%, 不可見之暗物質與暗能量則佔宇宙 96%, 牛頓之萬有引力理論不足以解釋此大尺度結構, 因此需用到廣義相對論圖七宇宙早期的電腦模型 11 暗物質與暗能量存在的證據 12 根據刻卜勒與牛頓定律, 星系盤面上的恆星應該像太陽系上的行星一樣, 離中心越遠時速度應該越慢, 然而科學家在觀測宇宙其他一些星系 ( 包括銀河系 ) 中的恆星運行速度時, 發現越往外, 圍繞中心的速度並不都是衰減下去, 而是和內圈恆星的速度差不多, 這證據強烈顯示我們星系周圍應該有許多暗物質根據蓋茂的宇宙膨脹理論, 宇宙在經歷極早期的極速膨脹後, 膨脹速度應逐漸減緩, 如同把球上拋, 在重力作用下, 上升速度越來越慢一樣但科學家 1998 年在利用 Ia 型超新星觀測宇宙膨脹速度時發現 : 年齡較大距離地球較遠的超新星離開地球的速度比哈勃宇宙膨脹理論預測的慢, 而年齡小的超新星離開速度比預測的快這一現象顯示, 應該有某種神秘力量超越了宇宙物質重

14 152 力, 一直在推動宇宙加速膨脹這種力量與愛因斯坦宇宙常數中設定的神秘能量一致, 科學家稱之為暗能量暗物質與暗能量的比例與成份據估計, 宇宙可見的物質總量, 實際上只占宇宙全部物質及能量總和的 4%, 尚有約 96% 的物質及能量, 屬於暗物質及暗能量其中暗能量佔宇宙 73%, 是一種充溢空間的增加宇宙膨脹速度的難以察覺的能量形式暗能量現有兩種模型 : 宇宙常數 ( 即一種均勻充滿空間的常能量密度 ) 和純量場 ( 即一個能量密度隨時空變化的動力學場, 如第五元素和模空間 ) 暗物質佔宇宙 23%, 會減緩宇宙膨脹速度, 可能包括:暗星如白矮星棕矮星與黑洞重子及弱相互作用物質 ( 如 WIMP 微中子軸子 ) 等如下圖八, 遠方星系的光線須通過黑暗物質才能到達哈伯望遠鏡, 而黑暗物質以類似透鏡折射光線的方式, 折射自遠方星系所發射的光線, 此謂之重力透鏡現象美國勞倫斯柏克萊國家研究室的林德博士說 : 這份研究是了解宇宙黑暗物質的一大步 13 圖八美國航太總署七日公佈黑暗物質 3D 圖, 切片圖像可看出黑暗物質六十五億年前到三十五億年前的變化, 黑暗物質團塊隨時間聚集 ( 取自美國航太總署網站 )1 肆生命誕生與人類存在的物理條件 (1). 地球生命誕生的物理條件 1. 地球與太陽距離適中, 溫度適合生命成長 2. 地球大小適中, 引力足以吸引生物與大氣 3. 地球核心含有高溫電漿, 隨著地球轉動也跟著旋轉, 由於電流的磁效應而產生地球磁場, 形成成磁氣層, 抵抗太陽風對地球的威脅 4. 由於地函內溶漿的對流作用, 造成地球本身之板塊運動, 產生陸地, 也同時釋放水與二氧化碳, 形成海洋並提供溫室氣體

15 關於大霹靂有植物行光合作用, 吸收二氧化碳產生氧, 而氧被紫外線照射後形成臭氧, 可以吸收紫外線, 使得動物得以自海底爬上陸地生活 6. 月球對地球有穩定作用, 否則地球將轉動得非常厲害, 而且沒有四季之分 7. 木星對地球有屏障作用, 可以吸收 90% 的隕石撞擊 8. 太陽系在銀河系邊緣, 可以減少宇宙輻射線的危害 (2). 人類存在的物理條件一般認為, 距今六千五百萬年前, 一顆巨大的隕石曾撞擊地球, 使得君臨地球長達一億數千萬年的恐龍絕種此理論是 1980 年由加州大學柏克萊分校的路易. 阿爾巴列斯 (Louis Alvarez) 等四位科學家所提出的這一顆巨大的隕石, 直徑大約十公里, 撞擊在墨西哥東北角之猶加敦 (Yucatan) 半島, 造成一個半徑達兩百公里深達數公里的巨坑因撞擊而產生的能量, 若換算成黃色火藥, 則相當於一百萬億噸 (megaton) 粉塵經由大氣層擴散至平流層圈, 遮蔽了陽光達數年之久, 造成核子冬天, 導致地球持續了數年的黑暗狀態, 之後又經歷炎熱的溫室效應酸雨與臭氧層破洞等氣候變化, 使得以恐龍為首的許多生物都因之而絕種證據如, 世界各地地底下 KT 層含有大量稀有金屬銥, 為一般隕石中所含有, 其次在撞擊地點還發現有大量受震石英與玻隕石, 一般相信那是地球經過激烈撞擊所造成的尤其當地富含硫磺與石灰石, 經隕石撞擊而化成灰塵, 是日後形成酸雨與灼熱溫室效應主因另外最新觀點是, 美國俄勒岡州立大學動物學教授波納爾 (George Poinar) 認為, 在恐龍活躍的最後階段, 昆蟲突然多元演化, 並在演化的過程中散播疾病, 導致地表植被改變, 草食性的恐龍因為無法適應而滅絕, 連帶波及牠們的掠食者那次撞擊雖然導致恐龍的絕跡, 但相對地也提供哺乳類舞台, 一般科學家相信, 其中有一種哺乳類可能是後來人猿與人類的祖先伍問題與討論問題 (1) 未來宇宙學探索的方向 14 美國國家科學基金會及能源部具體建議以下列三個主軸,10 項相關的物理基本問題, 做為 21 世紀探索宇宙科學的主要方向主軸一 : 大統一場理論 1. 是否還有未被發現的自然界原理? 2. 除已知的 4 維時空外, 是否有隱藏維度的空間? 3. 自然界的 4 種基本作用力是否歸於同一來源? 即是否存在萬有理論? 主軸二 : 基本粒子黑暗能量與物質 4. 上帝粒子是否存在? 為何有如此多種粒子? 又磁單極是否存在? 5. 暗物質與暗能量是怎麼產生的? 又是何物組成? 6.. 微中子能提供科學家何種探索宇宙的線索? 7. 如果 LHC 實驗找不到所謂上帝粒子, 那麼基本粒子標準模型是否需要改寫?

16 154 主軸三 : 宇宙演化進程 8. 宇宙如何演化成今日的狀態? 9. 何以物質比反物質多一點點? 反物質為何消失無蹤? 10. 宇宙大爆炸之前是什麼狀態? 時間有起點嗎? (2) 筆者認為尚有以下 10 項問題懸而未決 : 1. 無中生有是可能的嗎? 宇宙的誕生是不是一種無中生有的過程? 2. 宇宙誕生是否純屬偶然? 生命與人類的起源是否亦如此? 3. 宇宙背景輻射為何各向同性? 為何如此均勻? 又為何宇宙如此平坦? 4. 為何有些球狀星團年齡 (150 至 200 億年 ) 比宇宙年齡 (137 億年 ) 還長? 5. 是否有多重宇宙或反宇宙存在? 宇宙中是否有黑洞白洞與蟲洞? 6. 構成生命基礎的氨基酸為何是左旋的? 右旋的呢? 7. 進化論與創造論, 誰較正確? 8 宇宙中生命是否普遍存在? 它們演化成生命的過程是否應該與地球一樣? 9. 從宇宙到生命的產生是一種有序還是無序的過程? 是可逆還是不可逆? 10. 這宇宙只為我們而存在嗎? 我們從何而來? 又往何處去? 註七註七此謂之人本原理或人擇原理 (Anthropic principle), 即今日宇宙之所以如此, 正是因為我們存在, 有點像法國哲學家笛卡爾所說的我思故我在的味道討論 (1) 有關 LHC 部份 : 1. 如果 LHC 能發現希格斯玻色子的存在, 它將填補所謂基本粒子標準模型 ( 即概括我們當前對粒子物理學知識了解的理論 ) 裏的一個巨大空白 2. 英國劍橋大學宇宙學教授霍金說,LHC 實驗有可能會發現超伴子 (superp artner) 超伴子是從超對稱假說 (supersymmetry) 中得出的一種粒子如果能發現超伴子的存在, 將是對旋理論一個非常重要的支持這可能是黑暗能量之一 3. 基本粒子標準模型無法涵蓋重力, 也無法預測黑暗物質與能量, 是其致命缺點 4. LHC 實驗即便真能產生微型黑洞, 也只有電子或質子大小, 電子或質子大小的黑洞會在瞬間蒸發, 沒有危險, 只有穩定的黑洞才具有危險 5. 據科學家估算,LHC 每秒鐘產生的數據能夠寫滿 10 萬張光盤,6 個月時間這些光盤就可以從地球堆到月球這需要中央計算機非常強大的運算能力, 所採用的網際網絡是新研發的技術, 日後也能推動網際網絡技術的發展 (2) 有關 Big-Bang 部份 : 1. 普林斯頓大學的 Paul Steinhardt 教授與劍橋大學的 Neil Turok 教授說, 宇宙可能是一個循環宇宙, 即大爆炸與大擠壓不斷重覆發生, 而且已經重覆了五十次, 每一次比上一次膨脹更大, 甚至於時間既沒有起點, 也沒有終點, 這一觀點可以在理論上解釋為什麼宇宙的膨脹會加速如果將大擠壓比喻為宇宙黑洞, 那麼大爆炸可以視為宇宙白洞按照 Paul Steinhardt 與 Neil Turok 的理論, 如果宇宙是做週期振蕩, 那麼我們目前的宇宙可能自一個巨型白洞中誕生, 而之前可能是一個巨大黑洞

17 關於大霹靂弦論是目前解釋大自然基本理論的佼佼者, 但它欠缺關鍵的實驗測試宇宙暴脹則是描述宇宙初始時刻的最佳劇本, 但它卻沒有基本物理的解釋支撐弦論和宇宙暴脹有可能彼此解決對方的問題嗎? 是否當弦論所假設的多重宇宙彼此碰撞, 或是高維度空間重新塑造時, 可能導致我們宇宙中的空間加速膨脹? 4. 哲學與宗教上, 有一些將大爆炸歸於第一因, 認為背後可能一位造物主在推動愛因斯坦雖然沒有否認, 然而他心目中的上帝與聖經上的上帝不同佛教理論認為大爆炸實際並不存在由于因果律的連續性, 宇宙為過去無始, 未來無終引力奇點不會憑空產生, 而爆炸背後必有其因 5. 如果大爆炸理論是正確的, 宇宙有一個起源, 它就有一個絕對時間的原點, 違反相對論中之時間的相對性, 顯示這個絕對的因果律出了問題 7. 假如熱力學第二定律一直適用於這個封閉的宇宙的話, 宇宙最終一定會到達某一平衡溫度 ( 或最大亂度 ), 到時候所有的溫差將全部消失, 所有熱機將無法運作, 甚至生命也無法存在, 因為屆時將無維持生命所需的能量, 此時整個宇宙處於完全混沌的狀態陸結論 (1) 宇宙從意外中誕生背景輻射發現人威爾森曾說 : 宇宙只要有一點點變化, 我們將不存在, 此意謂宇宙的誕生可能是一種意外, 如同中樂透頭獎一樣如果不是正物質比反物質多一點點, 宇宙將如何誕生? 吾人從混沌理論也可以看出, 譬如 : 為什麼某地區微小的氣壓變化可以造成全球天氣的劇烈變化? 畢竟宇宙誕生時有許多不同的初始態 (initial condition), 不同的選擇將導致不同的結果, 而且暴脹時間也要剛剛好, 不能過長, 也不能過短 2 (2) 生命種子來自外太空, 但完成於地球隕石中含有氨基酸等有機分子, 顯示生命種子來自外太空, 當恆星形成時, 氣體與灰塵中就含有生命種子地球誕生時由於許多碎片互相撞擊, 許多氨基酸自動消失, 而彗星中仍然保存大量氨基酸, 進而將生命種子帶到地球, 在早期地球高溫高熱環境下, 經由化學反應, 而逐漸演化出生命進一步言之, 如果沒有上述地球存在生命的八項物理條件, 地球生命將無從誕生 (3) 人類的起源也出於偶然如果不是 6500 萬年前一次巨大的天體撞擊, 或是昆蟲散播疾病, 造成恐龍等物種的滅絕, 哺乳類也不可能站上地球的舞台, 一般相信, 其中有一種哺乳類可能是人類的祖先, 經過不斷演化, 先形成人猿, 再逐漸變成現代人如果沒有那一顆巨大隕石撞擊, 恐龍將不會消失, 也就沒有人類, 所以我們是得天獨厚現在的問題是, 宇宙為何要歷經 137 億年才演化出人類? 如果沒有以上一連串意外與得天獨厚的物理或化學條件配合, 人類會存在嗎? 宇宙中符合以上條件的星球或許不多, 但應非絕無僅有, 這也是為何有些科學家仍然相信宇宙生命應該普遍存在, 畢竟我們已經發現, 地球並非宇宙中心, 我們的太陽與銀河系也不是, 都只是宇宙中無數星球或星系之一而已

18 156 (4) 宇宙誕生生命的起源與人類的由來之流程圖大致如下 : 奇點暴脹宇宙急速膨脹真空能量相變宇宙弦基本粒子大爆炸 (137 億年前 ) 質子與中子氫原子核氦原子核氫原子氦原子宇宙放晴 (38 萬年後 ) 恆星星系超新星爆炸重元素太陽系彗星撞擊氨基酸核酸 RNA DNA 蛋白質染色體細胞核細胞細菌眼蟲藻類與無脊椎生物植物與有脊椎生物兩棲類昆蟲哺乳類與爬蟲類 6500 年前巨大隕石撞擊恐龍消失哺乳類出頭天五百萬年前人類祖先人猿出現現代人 (5) 各國著名科學家的感言與預言東京大學教授佐藤說 : 探討宇宙在尋找自我存在的意義徳州大學溫伯格 (S. Weinberg)( 1979 諾貝爾物理獎得主 ): 這宇宙的結局, 若不是失落在無限的冷酷中, 就是回復到無可忍受的高溫裡無論如何, 我們越研究這宇宙, 就越覺得它似乎毫無意義柏克萊大學教授基特說 : 我們生活在一個最輝煌的時代劍橋大學教授霍金說 : 如果人類在未來的一百年裡能夠幸免於難的話, 就可以在不依賴地球的情況下, 獨立的移民到新的星球上生存普林斯頓高等研究院教授戴森說 : 未來太空生命可能由電漿組成貝爾實驗室無線電專家潘塞斯 (A.Penzias) ( 1978 諾貝爾物理獎得主 ): 假如我只有聖經的頭五卷書, 加上詩篇, 或聖經主要部份, 那麼我的結論與當前天文學最佳的科學證據比較下, 兩者可說是不謀而合創世紀第一章第一節起初, 神創造天地地是空虛混沌, 淵面黑暗 ; 神的靈運行在水面上神說 : 要有光, 就有了光神看光是好的, 就把光暗分開了探索宇宙最後是否終將認識上帝? 作者

19 關於大霹靂 157 參考文獻 [1] 時間簡史 (Brief History of Time) 史蒂芬. 霍金 (Stephen Hawking ) 著譯者 : 許明賢吳忠超出版社 : 藝文印書館出版日期 :1992 年 8 月 [2] 胡桃裡的宇宙 ( The universe in a nutshell) 史蒂芬. 霍金 (Stephen Hawking ) 著譯者 : 葉李華出版社 : 大塊文化出版日期 :2001 年 11 月 26 日 [3] 宇宙的來源 B7%BD.htm [4] 大型強子對撞器 (Large Hadron Collider) 之介紹 [5] 維基百科之大爆炸理論 %86%E8%AE%BA [6] 宇宙標準模型與暴脹模型 hing.html [7] 暴脹宇宙模型 ory.html [8] 哈伯定律 ml [9] 宇宙背景微波輻射 3%A2%E8%83%8C%E6%99%AF%E8%BC%BB%E5%B0%84 [10] 袁旂宇宙創始者的面 [11] 很早期宇宙的一瞥 [12] 暗物質與暗能量 sc_aid=41 [13] 宇宙暗物質 3D 現形證實是建構星系骨架自由時報 [14] 美國國家科學基金會及能源部 2004 年 6 月提出的報告量子宇宙,21 世紀粒子物理的革命 (Quantum Universe,the revolution in 21st century particle physics)( 登載於美國史丹福大學工學院網站 ) [15] 宇宙大爆炸新論牛頓雜誌

現在人類獲取地球內部訊息的方法, 是從可能影響我們身家性命安全的地震, 用數學模型把地震資料轉換成地震波速度, 進而獲得地底物質密度與深度的關係地下世界知多少 km/s g/cm 3 P Gpa km S P S 3,000 3,000 ak K 透視地底 Percy Bridgma

透視地球深處的窗戶? extreme condition extreme environment 94.5 1 270 21 3.9 12.3 6,400 300 4,000 1864 Jules Gabriel Verne 1959 2008 1990 Paul Preuss 2003 24 2013 2 482 現在人類獲取地球內部訊息的方法, 是從可能影響我們身家性命安全的地震, 用數學模型把地震資料轉換成地震波速度,