《重力簡史》:宇宙大霹靂是如何被發現的?

《重力簡史》:宇宙大霹靂是如何被發現的?
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截至1929年,哈伯在測量星系速度上所採樣的星系數量已經足夠,這讓他得到一個非凡的發現:幾乎所有星系都在遠離地球,幾乎沒有任何星系在靠近地球。距離越遠的星系,它們飛離我們的速度就越快。哈伯發現宇宙正在膨脹。

哈伯的下一個好戲是開始測量星系移動的速度,他與原先是騾伕的天文學家米爾頓.赫馬森(Milton Humason)在威爾遜山上繼續工作。[6] 截至1929年,哈伯在測量星系速度上所採樣的星系數量已經足夠,這讓他得到一個非凡的發現:幾乎所有星系都在遠離地球,幾乎沒有任何星系在靠近地球。距離越遠的星系,它們飛離我們的速度就越快。哈伯發現宇宙正在膨脹。弗里德曼與萊馬蒂從愛因斯坦相對論中所得出的大霹靂,顯然描述出世界的真實狀況。

然而,發現膨脹中的宇宙是一回事,要接受它所代表的意思又是另一回事了。這關乎要確實接受發現結果真實存在;然而,科學家總是難以相信自己所寫的深奧數學方程式真能描述現實的世界。

但1930年末,烏克蘭裔美國籍物理學家喬治.伽莫夫(George Gamow)因為完全無關的理由(他正在尋找可以建造天然元素的火爐),開始思考膨脹宇宙所代表的含義。大自然中存在著92種天然元素,從最輕的元素氫,一直到最重的元素鈾。伽莫夫相信宇宙從氫開始(他認為氫是自然界的基本樂高積木),其他所有元素都是從氫開始一步步地打造出來。但這需要一口幾十億度的高溫火爐才能做到。[7]

伽莫夫認為恆星不足以勝任火爐的角色(他錯了),[8] 所以他得尋找另一口火爐。於是,他開始想像宇宙膨脹就像電影倒帶那般倒轉:在數十億年後(我們現在知道是138.2億年),宇宙的所有物質都被擠進極小的體積之內。這就是宇宙誕生的時刻:大霹靂。

任何用過腳踏車打氣筒的人都知道,某個東西被擠進極小的體積內時會發熱。因此,伽莫夫認為大霹靂是個熱霹靂,就像核子爆炸的火球那般。

伽莫夫的火爐雖然無法打造出自然界中所有的元素,[9] 不過伽莫夫卻歪打正著地發現熱霹靂——科學上有時就會出現這樣的狀況。宇宙的膨脹代表它是在熾熱的火球中誕生。伽莫夫想到大霹靂火球時,明白了一件令人驚奇的事:火球的熱度直到今日應該都還存在。

無論是炸藥或甚至是核子彈所產生的爆炸,正常爆炸所產生的光和熱會消散在環境之中。在一個小時後、一天後,或是一個星期後,就會完全消失不見。但根據定義,宇宙就是全部一切。大霹靂火球的熱能無處可去,只能封鎖在宇宙中。因此,今日它必定還是存在,並於過去的138.2億年中,在宇宙的膨脹中大幅冷卻。它不會以高能量的可見光現身,而是以低能量的無線電波存在。事實上,伽莫夫的計算顯示大霹靂的「餘輝」造就了宇宙中99.9%的光粒子,也就是「光子」。

但無論是愛因斯坦或其他人,每個物理學家在研究過程中都會犯錯。伽莫夫的錯誤在於他認為大霹靂的餘輝沒有特徵,因此在今日的宇宙中不容易被辨識出來。然而,他的兩個學生拉爾夫.阿爾菲(Ralph Alpher)與羅伯特.赫爾曼(Robert Herman)卻有不同的想法。他們認為大霹靂餘輝具有特徵,並猜測它有兩項明顯特徵:一是它均勻地從天空中的每個方向而來,二是(以嚴謹一點的說法來說)它具有「黑體的光譜」。[10]

1948年,阿爾菲與赫爾曼在國際科學期刊《自然》上發表了他們的預測,但沒有人注意到他們。更糟糕的是,當他們向無線電天文學家請教是否能夠偵測到大霹靂的餘暉,卻被(錯誤地)告之不行。

時間快轉到1965年。美國AT&T電話公司的兩位無線電天文學家阿諾.彭齊亞斯(Arno Penzias)與羅伯特.威爾森(Robert Wilson),承接了紐澤西州霍姆德爾鎮區的巨大「無線電號角」(radio horn)。這個號角過去曾用於「回音一號」(Echo 1)與「電星」(Telstar)等首批通訊衛星的相關先驅實驗。彭齊亞斯與威爾森想將號角運用在天文學研究上。但無論號角指向天空的哪一處,都會收到靜止狀態下的持續嘶嘶聲。[11]

他們原先認為聲音來自地平線上的紐約市,但當他們將號角轉至相反方向,還是聽得到嘶嘶聲。接著他們認為源頭也許來自太陽體系,但經過幾個月後,地球也繞著太陽轉到另一邊去,嘶嘶聲卻不如預期有所變化。他們還認為,那也許是近期大氣層核試驗將電子射入高層大氣所產生的無線電波,但隨著時間過去,嘶嘶聲並沒有如預料中減少。

後來,彭齊亞斯與威爾森將目光放在於巨大無線電號角中築巢的兩隻鴿子身上。牠們將「白色的絕緣材料」,也就是一般所知的鴿糞,塗在號角內部。這會是無線電波嘶嘶聲的亂源嗎?彭齊亞斯與威爾森捉住鴿子並清理號角內部。但令人沮喪的是,不正常的嘶嘶聲還是存在。

最後,彭齊亞斯從同事那裡得知,鄰近的普林斯頓大學正在找尋早期宇宙所留下的殘餘熱。真是令人難以置信,他與威爾森在全然意外的情況下獲得了從哈伯發現膨脹宇宙後最重要的宇宙發現:自宇宙誕生時所遺留下來的熱。他們確認了大霹靂的存在。

這是科學史上最偉大的發現之一。宇宙不是一直都存在的;在宇宙誕生的那天之前是沒有昨天的。彭齊亞斯與威爾森因為發現「宇宙背景輻射」,贏得了1978年的諾貝爾物理學獎。


注釋

[1] Terry Pratchett, Small Gods, Corgi, London, 2013.