第 12 講 宇宙萬物之起源 (A) 宗教神創說與科學大霹靂的比較 楊棋明博士 中央研究院生物多樣性研究中心 Email: cmyang@gate.sinica.edu.tw 國立海洋大學水產養殖學系 1
聖經創世故事與巴比倫創世故事的對比 項目來源成書日期 ( 解放派的思想 ) 成書日期 ( 基要派思想 ) 作者 ( 解放派的思想 ) 作者 ( 基要派思想 ) 宇宙的創造者地球最初的狀態第一件被造之物下一件被造之物下一件被造之物下一件被造之物下一件被造之物最後一件被造之物 摩西 一神, 雅威 光被造 天被造 - 將穹蒼以下的水和穹蒼以上的水分開 乾地被造 猶太的創世故事 創世記 1:1 to 2:3 公元前第八個和第九個世紀 公元前十三世紀, 摩西的年代 P, 祭司傳統的作者 混混沌沌 ; 被黑暗包圍 太陽 月亮 星星被造 創造男人和女人 神安息和神聖化安息日 公元前十二世紀的後期 公元前十二世紀後期 不知道 不知道 神與女神之戰 混亂 ; 被黑暗包圍 光被造 巴比倫的創世故事 Enuma Elish 天被造 ; 將穹蒼以下的水和穹蒼以上的水分開 乾地被造 太陽 月亮 星星被造 創造男人和女人 神安息和慶祝 2
創世紀 1:1 到 2:3 描述的創世是在六 天 發生 第一天 : 創造光和把光暗分開了 第二天 : 將空氣以下的水 空氣以上的水分開了 第三天 : 分開海和地 ; 地要發生青草 植物和樹 第四天 : 創造太陽 月亮 和星星 第五天 : 創造水中動物和飛鳥 第六天 : 創造陸地上的動物 ; 創造人, 按著我們的樣式 第七天 : 神安息 記錄假設的追隨者相信這是在後來日子的插入, 命令給予神學上的安息日 ( 星期六為安息日 ) 3
聖經創世故事與科學進化論的比較 項目 根據創世記 根據進化論 來源 創世記 1:1 to 2:3 古生物學者 生物學家 天文學家等 太陽 在創造地球以後才造 出現在地球形成之前 草 陸地植物 樹 在太陽被造之前被造 在太陽出現後進化 第一種形式的生物 陸地植物 海的微生物 鳥 在動物被造之前被造 從陸地動物進化 果實樹 在魚被造前被造 在魚之後進化 動物的最初食物 限制吃植物 動物進化成吃肉 吃素 和雜食性 宇宙的年齡 小於一萬年 超過一百億年 地球的年齡 小於一萬年 大約四十五億年 最早的生物的年齡 小於一萬年 大約三十五億年 人從何而來 被造來自塵土 進化 ; 高等的猿和人類, 是一個共同的祖先 4
第 12 講 宇宙萬物之起源 (B) 宇宙萬物如何產生 楊棋明博士 中央研究院生物多樣性研究中心 Email: cmyang@gate.sinica.edu.tw 5
萬物的起源 1. 現代宇宙論的誕生 2. 膨脹宇宙的發現 3. 大爆炸宇宙論 4. 宇宙微波背景輻射的發現 5. 黑暗物質和黑暗能量 6
宇宙物質的演化順序 演化的時間順序???? 宇宙銀河系地球生命人類人類文明???? 物質的起源與演化 : 1. 宇宙的起源與演化 2. 銀河系的起源與演化 3. 地球的起源與演化 4. 生命的起源與演化 5. 人類的起源與演化 6. 文明的起源與演化 7
宇宙的生與死 / 物質的生與死 宇宙中質量與能量的總和在過去 現在與未來都不會改變 130 億年前宇宙的狀態是體積趨近無限小及能量趨近無限大, 亦即能量密度或溫度趨近無限大, 此時之宇宙稱為 大霹靂奇異點 130 億年前 大霹靂爆炸 於瞬間爆出極緻密與極高溫的物質與能量, 如各種基本粒子 ; 並且向外膨脹與冷卻 之後, 基本粒子再組成各種各類夸克 (Quark) 當宇宙膨脹與冷卻到某個程度時, 夸克就開始組成質子與中子 再一段時間後質子與中子生成氦核, 繼而形成完整氣態的氫與氦 這些氣態物質逐漸擰凝結成星系大小的雲氣, 並從中形成星體 這些物質都是不同大大小小的各種各類粒子 (Particle) 這些粒子有數百種之多, 主要分為 : 強子與輕子 強子 : 質子 中子 (3 夸克 ) π 介子 (2 夸克 )... 輕子 : 電子 微子 渺子. 未來的宇宙可能會收縮, 進而 大崩墜, 再經過一個新的 大霹靂爆炸 而再度膨脹 當 大崩墜 時, 最後一顆恆星殞滅後, 甚至連質子都可能衰變為較輕的粒子 整個宇宙最後也許會變成只乘下電子 微子與各種輻射 8
微觀層次的宇宙 -- 量子的世界 宇宙是由不同尺度的系統組成 9
萬物的組成單位 --- 基本粒子 基本粒子是構成宇宙所有物質的最小單位 構成物質的各種分子都是 105 種原子結合而成的 原子是由原子核和圍繞在其四周的電子所構成的 原子核由質子和中子所組成 質子和中子由夸克所組成 基本粒子由 6 種夸克 (quark) 和 6 種輕子 (lepton) 組成 基本粒子目前無法再分割 原子與夸克大小 : 原子 = 分子 10-8 cm 夸克 = 原子 10-5 cm 夸克 =10-13 cm 10
基本粒子 : 夸克 (Quark) 夸克是能感受強核力的一族帶電的基本粒子 夸克總共有 : 6 種 風味 (flavor), 或稱 味先子 上 (up, u) 下 (down, d) 魅 (charm, c) 奇 (strange, s) 頂 (top, t) 底 (bottom, b) 3 種 色彩 (color), 或稱 色先子 紅 (red, r) 綠 (green, g) 藍 (blue, b) 例子 : 夸克 (q)=1 紅先子 (r)+1 上味子 (u) 質子 (p)=2 上夸克 (u)+1 下夸克 (d) 11
基本粒子 --- 由 6 種夸克與 6 種輕子構成 (lepton) (quark) 12
宇宙大爆炸理論的發展史 (1) 1932 年勒梅特首次提出了現代宇宙大爆炸理論 : 整個宇宙最初聚集在一個 原始原子 中, 後來發生了大爆炸, 碎片向四面八方散開, 形成了我們的宇宙 美籍俄國天體物理學家伽莫夫第一次將廣義相對論融入到宇宙理論中, 提出了熱大爆炸宇宙學模型 : 宇宙開始于高溫高密度的原始物質, 最初的溫度超過幾十億度, 隨著溫度的繼續下降, 宇宙開始膨脹 1965 年, 彭齊亞斯和威爾遜發現了宇宙背景輻射, 後來他們證實宇宙背景輻射是宇宙大爆炸時留下的遺跡, 從而為宇宙大爆炸理論提供了重要的依據 他們也因此獲 1978 年諾貝爾物理學獎 13
宇宙大爆炸理論的發展史 (2) 霍金對於宇宙起源後 10-43 秒以來的宇宙演化圖景作了清晰的闡釋 宇宙的起源 : 最初是比原子還要小的奇點, 然後是大爆炸, 通過大爆炸的能量形成了一些基本粒子, 這些粒子在能量的作用下, 逐漸形成了宇宙中的各種物質 至此, 大爆炸宇宙模型成為最有說服力的宇宙圖景理論 然而, 至今宇宙大爆炸理論仍然缺乏大量實驗的支援, 而且我們尚不知曉宇宙開始爆炸和爆炸前的圖景 14
原初宇宙之霹靂大爆炸 (Big bang) 霹靂大爆炸約發生於 130 億年前 原初宇宙的體積極小, 密度極大, 能量極大, 溫度極高, 稱為大霹靂奇異點或宇宙奇異點 (Singularity) 奇異點 (singularity): 空間 - 時間中空間 - 時間曲率變成無窮大的點 此點人類所知的一切物理公式不能應用在上面, 也就是說人類完全不知道這點的情況 光速 300,000km/s 每秒 30 萬公里 光年 光速行走一年的距離 9.46 10 12 公里 15
宇宙之誕生 - 時空之變遷 (1) 宇宙暴脹 (10-34 -10-32 s) 質量 密度 半徑 溫度 體積 能量 時間 空間 16
膨脹中的宇宙 ~ 現代宇宙論的誕生 (2) 宇宙的演化的過去 現在 未來 相對論的宇宙是動態的, 前蘇聯數學家弗里德曼指出相對論的宇宙模型只有三種可能 : 開放型宇宙 : 不斷膨脹下去 封閉型宇宙 : 膨脹到一定程度後將收縮 平坦型宇宙 : 處於兩者之間 宇宙屬於哪一類型取決於宇宙的物質含量 17
膨脹中的宇宙 ~ 現代宇宙論的誕生 (3) 宇宙演化的三種類型 18
膨脹中的宇宙 ~ 現代宇宙論的誕生 19
大霹靂理論 的證據越來越多 我們可以懷疑說 大霹靂理論 可能是錯的, 但問題是 大霹靂理論 從提出到現在這幾十年來逐漸成為宇宙學的主流學說, 不是隨便說說而已, 它背後有三個強烈的觀測上的證據支持它 : 大尺度星系相互遠離 輕元素存量之比例 宇宙微波背景輻射的大尺度對稱性 離地球約一億光年的銀河系 NGC 6070 的照片 20
大崩墜 (Big crunch) 宇宙最終命運的幾種可能之一 當宇宙的密度足夠大, 宇宙本身會彎曲, 所有物質都無法逃脫, 最後崩潰為無限大的密度及無限小的體積 所有的空間與物質擠壓在一起, 形成一個 奇異點 奇異點 的體積趨近於零, 密度趨近於無限大, 能量趨近於無限大, 溫度趨近於無限高 當 大崩墜 時, 最後一顆恆星殞滅後, 甚至連質子都可能衰變為較輕的粒子 整個宇宙最後也許會變成只乘下電子 微子與各種輻射 可能又恢復原點 宇宙 時間 空間 物質 能量都消滅 21
杞人憂天 杞國有人, 憂天地崩墜, 身亡所寄, 廢寢食者 = 列子. 天瑞篇 == 以額叩關閽者怒白日不照吾精誠杞國無事憂天傾 == 唐. 李白. 梁甫吟 == 22
SETI: Searching for Life (5) 由哈伯天文望遠鏡所攝得的天鷹座星雲 我們現今仍可看到銀河系的恆星誕生, 看一些哈伯望遠鏡拍攝天鷹座星雲以及獵戶座星雲的漂亮照片吧! 在這裡, 巨大的瓦斯星雲正撞擊形成恆星 雖然合適的恆星形成比例比我們的銀河系形成時高了許多, 不過約略的估計, 像這種恆星形成率每年會有 20 個恆星形成 故 R=20 23
宇宙初期面貌曝光 ----- 哈伯捕捉 130 億年銀河系 (2004/3/10) 美國太空總署 (NASA) 的哈伯太空望遠鏡最新拍攝到的銀河系照片, 呈現出目前所能見到宇宙最深遠處, 讓科學家驚喜的是, 這次拍到的近一萬個銀河系中, 甚至出現 130 億年前形成的銀河系, 這是目前所見過最古老的銀河系, 當時宇宙才 7 億歲, 處於形成初始階段 這些 哈伯超深空 (Hubble Ultra Deep Field) 照片, 是位於地球軌道的哈伯望遠鏡歷來呈現出宇宙最深處形貌, 拍攝到的 1 萬個銀河系中包括一個 130 億年前形成的銀河系, 當時 大爆炸 (Big Bang) 發生不久, 宇宙才 7 億歲, 非常接近宇宙進化的 黑暗世紀 (Dark Ages) 開始階段 哈伯望遠鏡以 100 萬秒的曝光時間, 拍攝到 130 億年前的銀河系, 當時宇宙才誕生 7 億年, 一切還很渾沌, 這是人類所能見到離宇宙 大爆炸 最近時期面貌, 有助了解宇宙的形成 24
第 12 講 宇宙萬物之起源 (C) 我們的宇宙是唯一的嗎 楊棋明博士 中央研究院生物多樣性研究中心 Email: cmyang@gate.sinica.edu.tw 25
我們的宇宙是唯一的嗎 地球生命是宇宙唯一的? 我們的宇宙是唯一的宇宙? 26
多重宇宙 (Multiverse, megaverse) 我們所處與所知的宇宙是唯一的宇宙嗎? 我們的宇宙之外還有其它宇宙嗎? 若有, 有幾個? 有許多推測多重宇宙存在在一個很高的級別上 multiverse (also known as a megaverse) 我們的宇宙是這些宇宙中的一個 (lower case) 亦可稱為宇宙多元起源論 例如, 在我們的宇宙中被吸入黑洞的物質可能會在一個 大碰撞 後形成一個新的宇宙 無論如何, 目前所有的這些理論和思想都是和任何推測一樣不可檢測和關注的 若目前的宇宙是多個, 則這些宇宙是如何產生? 27
多重宇宙如何產生?(1) 單一宇宙奇異點與多重大爆炸親宇宙與子宇宙 宇宙會分裂生殖嗎 親子宇宙間如何聯繫? 10-35 m 28
多重宇宙如何產生?(2) 多重宇宙奇異點與多重宇宙大爆炸 單一起源 -- 多重爆炸 多重起源 -- 多重爆炸 29
宇宙的命運 : 大爆炸與大崩墜的循環? Cycle of big bang and big crunch? 暴脹與暴縮的循環? 若用天文望遠鏡把數百億光年以外數十個超新星爆炸所發出的光收集, 再由它們的距離算出宇宙由誕生到現在的膨脹速度, 將會發現宇宙的膨脹速度只有加快而沒有減慢 將來宇宙只會越來越大, 但理論上質量和引力成正比, 宇宙中有很多高質量的物質, 所以引力應會和擴大的力互相抵銷 不少著名學者都相信, 宇宙最終將因能量消耗而停止膨脹, 並在萬有引力作用下不斷內爆, 繼而摧毀其中的一切生命 但是, 美國太空總署利用 2002 年發射的 微波各向異向異性探測器 (Microwave Anisotropy Probe, MWAP), 發現太空分佈著許多 熱點, 證明宇宙正在加速膨脹 這些 熱點 的存在表現, 唯一能夠令宇宙加速膨脹的 暗能 確實存在, 而且使宇宙加速膨脹到萬有引力無法抗衡的地步, 結果宇宙將會無限地擴大 根據太空總署的推論, 宇宙被 暗能 推動不斷加速, 同時也加速了能量的消耗 當能量用盡之時, 宇宙中將會佈滿黑洞 黑洞經過數萬億年的能量累積, 有一朝突然爆炸, 最後存在的就只有暗能了 30
超弦理論 (The theory of superstring) (1) 世界的所有物質都是開始於細線狀的 基本弦 ( 粗細 10-35m), 而非點狀的 粒子 ( 基本弦是否就是蟲洞?) 藉由 弦振動 方式與振動能量, 形成所有的基本粒子 宇宙誕生於 10 維時空, 在誕生後的 10-43 秒便收縮了 6 維, 剩下的 3 維空間即膨脹而形成現在的宇宙 至於那 6 維因封閉於弦中而無法觀測得到 在數學推演上, 超弦理論 比 量子理論 更加自給 量子論 會出現 無限大, 而 量子論 則出現 有限大 超弦理論 是個尚在發展中的理論, 可能可以解決自然力的統一理論, 故備受學術界的期待 31
超弦理論 (2) 弦振動 藉由開展 閉合和回轉等運動的不同, 有時就如同是輕子的電子, 有時看起來又像是光子一樣 四種自然力的相互作用, 也可以其 環狀弦 被扯開而分離為二又合而為一體的方式來加以說明 愛因斯坦等人 量子論 與 相對論 未完成的自然力的 統一論 32
超弦理論 (3) 33
報告完畢敬請指教!?!?!?!?!?!? 34
第 12 講 宇宙萬物之起源 (D) 宇宙形狀 楊棋明博士 中央研究院生物多樣性研究中心 Email: cmyang@gate.sinica.edu.tw 國立海洋大學水產養殖學系 35
宇宙 銀河系 太陽系 地球 物質之現狀 30,000 光年 銀河系 2-4,000 億星球 月球 地球 36
有限無邊的宇宙 (1): 有限或無限 在宇宙中航行, 應該瞭解宇宙的空間是有限的還是無限的, 能否航行到宇宙的邊緣 實際上這就是宇宙的形狀問題 既然宇宙是在大爆炸中誕生的, 那麼, 它的體積一定是有限的, 因為光速雖然很快, 但它仍然是有限的, 光從大爆炸開始那一刻開始向四周傳播, 迄今只能達到一個有限的距離 既然光是向四周球形傳播的, 那麼, 宇宙很可能是球形的 如果宇宙是球形的, 那麼, 它就是有限無邊的 有限無邊, 這是許多科學家認為的宇宙的可能形狀 ( 有限與無邊是否有矛盾?) 37
有限無邊的宇宙 (2): 有限或無限 宇宙的 有限無邊 與此同理, 只不過地球表面是二維平面, 宇宙是三維空間而已 在一個球體的內部, 不管從哪一點向哪個方向前進, 理論上也可以回到原來的出發點 符合 有限無邊 條件的形狀, 並不只有球形一種, 輪胎形和克萊因瓶形也符合 有限無邊 的條件 宇宙到底是什麼形狀的, 需要科學家努力從理論上去揭示 不過, 不識廬山真面目, 只緣身在此山中, 人類永遠無法用直接觀測的方法將宇宙的形狀 盡收眼底 人類在衝出地球大氣層進行航太活動時, 回望地球, 可以真真切切地證實地球是球形的 但對宇宙卻不能, 因為我們的時空不能延伸到我們的宇宙之外, 我們永遠不能跳到我們的宇宙之外去觀看我們的宇宙是什麼樣子的 好在對宇宙航行來說, 我們瞭解我們的宇宙是 有限無邊 的就足夠了 38
宇宙的形狀 (1): 有界或無界 一個在宇宙哲學中十分重要並被廣泛討論的問題就是宇宙的形狀 首先, 我們還不知道到底宇宙是否是扁平的, 也就是說到底歐幾里得幾何在大範圍內是否適用 目前, 大多數宇宙論學者認為可見的宇宙是 幾乎 扁平的 電影 美麗境界 描述美國普林斯頓大學數學系教授 -- 耶翰. 納許, 如何在太太和朋友 學生支持下克服精神疾病, 並在 1994 年以 " 均衡論 " 獲得諾貝爾經濟獎 劇中有一段納許向太太求婚的對白 :... 宇宙無限大, 因為目前資料都顯示這點, 但是無法證明,... 39
宇宙的形狀 (2): 有界或無界 長期以來, 多數科學家認為宇宙是無限的, 新的資料顯示宇宙是有限的 美國太空總署 (NASA) 在西元 2001 年 6 月 30 日發射一顆威爾金森微波各向異性探測器 (WMAP,Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 衛星, 它的任務是探測 大爆炸 所殘留下來的輻射中的溫度波動 根據它在第一年運行中所傳回地球的資料顯示, 在宇宙 38 萬歲時, 宇宙空間充滿了 大爆炸 所產生的輻射 ( 宇宙微波 ) 當時宇宙微波環境中存在著起伏的波動, 就像是大海中的波浪, 這些波浪是早期宇宙中小結塊的殘留物, 而這些小結塊就讓宇宙出現了恒星和星系 但是資料也顯示, 整個宇宙的大尺度波動比在一個無限宇宙中應出現的波動弱了許多 WMAP 並沒有觀測到它應包含的巨大波浪 這足以說明, 宇宙太空是有限的 美國紐約數學家傑佛瑞 維克斯領導的研究小組對觀測現象給予最合理的解釋是 : 宇宙是一個龐加萊 12 面體 按照他們提出的數學模型, 有限宇宙的外表是由 12 個五邊形的曲面構成, 就像是足球的球面一般 而這樣的宇宙模型與 WMAP 所傳回的資料十分吻合, 如果有一架飛機從這個 12 面體的任何一個面上出發, 沿著直線方向前進, 在一段漫長的旅行後, 最終又回會到了原點 如果宇宙是如此完美的理想形狀, 那麼將給人們一個驚喜 英國劍橋大學天文學家詹娜 萊文也認為, 宇宙 12 面體應該是 一個適合的解釋方 40 式
宇宙的形狀 (3): 像一個足球 傳統看法認為, 宇宙是扁平和無限的 最近, 美國天體物理學家對此提出異議, 認為宇宙的形狀像一個足球 據最新出版的 自然 雜誌報道,140 億年前宇宙大爆炸釋放出的輻射, 至今仍以微波形式衝擊太空 美國紐約研究人員傑夫 威克斯研究了在天空中記錄到的微波標度在極限範圍內的溫度變化, 發現這些變化並不符合一個無限擴張的扁平宇宙的 標準模式 他認為, 只有由彎曲的五角形面組成的宇宙才能容納大爆炸產生的能量釋放 研究人員說 : 只有十二面體 (Poincare dodecahedral space topology) 足球形的宇宙, 能包容這種能量釋放 41
有限無邊的宇宙 (3) 42
宇宙的大小 : 推估 光速 =3 10 5 km/s 光年 =(3 105 km/s) (60s/m) (60m/h) (24h/d) (365d/y) =9.46 10 12 km/y 宇宙年齡 =1.5 10 10 y 宇宙半徑 =( 9.46 10 12 km/y) (1.5 10 10 y) =142,000,000,000,000,000,000,000 km =1.42 10 23 km 有限與無邊是否有矛盾? 宇宙時空萬物都是動態的 (dynamic)! 43
報告完畢敬請指教!?!?!?!?!?!? 44