《物理奇遇記》:大霹靂之後只有氫、氦和輻射,為什麼現在卻有這個世界?

《物理奇遇記》:大霹靂之後只有氫、氦和輻射,為什麼現在卻有這個世界?

我們想讓你知道的是

「我想像了一下大霹靂後產生氫、氦、電子、輻射等等的樣子,可是當時明明只有這些物質,那為什麼現在會出現這個世界?太陽與地球又是從哪裡形成的?還有妳跟我,我們應該不是單靠氫與氦形成的吧?」

文:加莫夫、史坦納德

湯普金斯先生一句話也沒說,他陷入沉思。慕德疑惑地看著他。

「這樣夠了嗎?」她問道,「你相信了嗎?」

湯普金斯先生回過神來,回答:「喔,對,當然,妳說得很清楚,多謝。可是⋯⋯」

「可是什麼?」

「我想像了一下大霹靂後產生氫、氦、電子、輻射等等的樣子,可是當時明明只有這些物質,那為什麼現在會出現這個世界?太陽與地球又是從哪裡形成的?還有妳跟我,我們應該不是單靠氫與氦形成的吧?」

「你在問的是長達120億年的歷史耶!我有幾分鐘可以解釋?」

「3分鐘如何?」湯普金斯先生滿懷期盼地問道。

慕德笑了起來。「我試試看,準備好了嗎?」

「等等,」湯普金斯先生低頭看錶,「好,開始!」

「好。宇宙大霹靂後的幾分鐘裡,出現了氫、氦的原子核與電子。過了30萬年後,物質冷卻下來,讓電子能夠附著在原子核外,形成了最初的原子。這時的宇宙裡充滿了氣體。這片氣體的密度很均勻,但其中還是存在微弱的差異,某些地方的密度比平均值略大或略小。

「在密度較大的地點,重力也比較大,於是周遭的氣體開始聚集到這些位置。隨著聚集的氣體愈多,重力也變得愈大,於是又可從周圍吸引更多氣體;這時就形成了彼此分離的氣體雲團。

「接著,各個雲團裡形成了小小的漩渦或渦流,這些漩渦在遭到擠壓後,溫度逐漸上升(當你壓縮氣體體積時,就會出現溫度上升的現象)。最後溫度高到足以引發核融合過程,這就是星體誕生的開始了。因此經過約10億年後,星系得以出現(其實過程也可能剛好相反,並非先形成氣體雲團,氣體雲團再分裂成星體;或許是先形成星體,隨後星體再聚集形成星系。但目前為止仍無法確定先後順序)。無論如何,現在出現了星體。

「核融合過程為星體帶來了能量;而且核融合除了可釋放能量,也可形成較重原子的原子核,這些較重原子就是後來地球成形時所需的原子,也是形成人類身體必備的原子。慢慢地,恆星內的核融合燃料將消耗殆盡;以太陽這種中型大小的恆星來說,大概是經過100億年的時間。

「恆星進入老化階段後將開始膨脹,成為所謂的紅巨星;接著紅巨星縮小為白矮星;白矮星又逐漸降溫,變成冰冷的灰燼。質量較大的恆星則會以更壯闊的方式結束燦爛的一生,它們發生名為『超新星爆炸』的大爆炸。超新星爆炸釋放出新合成的核子物質,也就是重核子。這些重核子與星際氣體混合後,聚集形成了第二代恆星,這才第一次形成了地球這種岩質行星(在第一代恆星形成時,岩質行星還未曾出現)。

「接著由自然天擇的演化接手,讓行星表面上的化學元素形成了你我。這就是人類從星塵誕生的過程了!」

慕德突然停了下來。「說完了!就是這樣!我花了幾分鐘?」

湯普金斯先生微笑說:「喔,才剛過兩分鐘而已⋯⋯」

「太好了,」慕德表示,「那我還有一分鐘可以解釋黑洞。」

「黑洞?」

「對,當質量極大的恆星爆炸之後,就會形成黑洞。我剛剛也說過,恆星爆炸後會放出某些物質,但剩餘的物質會塌縮形成黑洞。」

「黑洞到底是什麼?」湯普金斯先生問道,「當然我也聽過黑洞,但是⋯⋯」

「黑洞擁有很強大的重力,沒有任何物質能夠抵抗黑洞的重力。恆星的所有物質都會崩縮到一個點裡。」

「一個點?」湯普金斯先生高聲說,「真的是字面上的意義嗎?就是一個點嗎?」

慕德回答:「沒錯,沒有體積。所有物質都集中在這個點周圍,點的附近則有著強大的重力場。這裡的重力強到只要靠近到某一距離時,即進入事件視界後,物體就無法逃離了,連光也不例外。所以黑洞是黑的,所有進入事件視界範圍的物質,都會被吸到中心點裡。」

「太奇妙了,」湯普金斯先生喃喃地說,「那黑洞後面是什麼呢?」

「後面?這就沒有人知道了。黑洞沒有所謂的『後面』,因為所有掉進去的物質都會停留在中心點上。啊,不過大家也有各種不同揣測,例如那些物質可能會穿越某種隧道,這個隧道連接了我們的宇宙與其他宇宙,黑洞吸引的物質會從隧道對面噴出,進入另一個宇宙裡;另一端的隧道口稱為『白洞』,不過以上都純屬推測而已。」

「那黑洞是確定真的存在嗎?」

「沒錯,有很確切的證據。不只是老恆星塌縮後會形成黑洞,星系中心也有黑洞,某些大型黑洞可能已經吞沒了上百萬顆恆星。」

湯普金斯先生以崇拜的眼神笑著看慕德。

「你為什麼要這樣看我?」她好奇地問道。

「沒有,我只是在想妳怎麼會知道這些知識?」

慕德微微聳了個肩,說道:「不知道,我想大概都是從這些看來的吧。」她轉頭比向放滿科普雜誌的書架。

「最後一個問題,愛因斯坦小姐,」湯普金斯先生問道,「最後會出現什麼結果呢?未來的宇宙會變成什麼樣子?妳爸爸說宇宙會持續膨脹,可是在無窮遠的未來將進入停滯。」

「沒錯。如果暴漲理論是對的,宇宙物質的密度也接近臨界密度的話,就會像我爸說的一樣。到時候所有核燃料都耗盡,恆星生命也走到盡頭後,很多恆星都會被吸入星系中心的黑洞裡,於是整個宇宙將變得極度冰冷,毫無生命跡象。這就是所謂的『宇宙熱寂說』。」

湯普金斯先生擔心了起來。「我不太喜歡這種結果。」

「哎,我也不知道,其實不該說這個嚇你的,」慕德開朗地回答,「早在宇宙變得冰冷前,我們就已經進棺材了。總之,這樣也說夠了。換個主題吧。」

書籍介紹

本文摘錄自《物理奇遇記:湯普金斯先生的相對論及量子力學之旅》,貓頭鷹出版

  • momo網路書店
  • 透過以上連結購書,《關鍵評論網》將由此獲得分潤收益。

作者:加莫夫、史坦納德
譯者:但漢敏

歷經將近一個世紀,這本書不斷受到世界各國的讀者喜愛,也不斷地有再版或者新的翻譯版本推出,被公認為認識「相對論」與「量子力學」的基礎入門讀物,令這一本書最後也不單單是科普著作,更是加莫夫留給世人的精華遺產。生動的故事及67幅精心插圖,進入「相對論」與「量子力學」的必讀入門

本書圍繞著加莫夫筆下的湯普金斯先生,他原本是一位溫吞的銀行小職員,他對物理學卻有很大的興趣,在下班時光一面聽物理講座時,一面又昏昏沉沉打了瞌睡,這一睡就睡到「相對論」和「量子理論」的世界裡去了……

本書分為兩個部分,第一部分從相對論中討論時間與空間的扭曲變動,到宇宙的擴張極限,回答宇宙是正在收縮抑或擴張,黑洞又是如何生成。第二部分則進入量子力學裡的原子微觀世界。全書用深入淺出且趣味誇張的方式介紹近代物理的發展與研究,更用生動有趣的圖片讓看似艱澀的物理更平易近人。

getImage
Photo Credit:貓頭鷹

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航


Tags: