《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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我們想讓你知道的是

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。

[2] Dan Simmons, The Fall of Hyperion, Gollancz, London, 2005.

[3] 「大霹靂」一詞是1949年時,英國天文物理學家霍伊爾在BBC電台廣播中提出,他是1948年「穩定狀態說」的創立者之一。諷刺的是,霍伊爾從來就不相信大霹靂。

[4] 1908年,亨麗愛塔.勒維特(Henrietta Leavitt)發現造父變星的特性,其脈衝週期越大,內在光度就越強。這表示可以從造父變星的周期來推算出它的實際光度。知道造父變星從地球看到的亮度,天文學家接著就可以提出下一個問題:造父變星要距離多遠,才會呈現出它目前的暗淡光度?

[5] ‘Space is big. Really big. You just won’t believe how vastly, hugely, mindbogglingly big it is.’ Douglas Adams, The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy, Chapter 8.

[6] 跟警鈴靠近時頻率會變高、遠離時頻率會變低的情況一樣,恆星中原子散射光頻率的高低,取決於恆星是在接近或是遠離地球。藉由量測元素中像氫這類一般原子頻率的「都卜勒效應」大小,天文學家可以得出恆星接近與遠離我們的速度。

[7] 建構元素需要高溫的理由在於,原子核帶有正電荷。就像電荷會相斥一樣,兩個原子核被推在一起時會產生強大阻力。但若它們能以夠快的速度碰撞在一起,就可以克服這種排斥力,並且會接近到可以被「核力」抓住而黏在一起。高速就等同於高溫,溫度就是一種微觀運動而已。

[8] 創建恆星內部結構理論的愛丁頓認為,恆星旋轉時,其內部循環氣流會混合所有空氣。這代表當恆星將氫燃料轉變成氦灰(其副產物即是陽光),氫氣會散布到整個恆星之中,並變得更加稀薄,直到恆星的火焰逐漸熄滅為止。不過愛丁頓錯了。這樣的空氣混合不會發生。相反地,氦灰會落到恆星的中心處,在那裡被壓縮及加熱。當核心處的氫使用殆盡,氦可能會燒成碳,碳接續落到恆星中心處,也被壓縮及加熱。結果就是恆星內部氣流完全不會均勻混合與消失,而是產生「化學差異性」,使其內部維持數百萬或數十億年更極端的溫度與密度。這完全就是打造元素所需的那種火爐。

[9] 大霹靂火球無法打造所有元素的主要原因在於,它膨脹與冷卻得過快。創造元素所需的狀態,在宇宙誕生後只持續了一分鐘,但所需時間大約是十分鐘。雖然如此,這些時間已經足夠產生像鋰和鈹這類最輕的元素。特別是大霹靂火球可以將10%的氫原子核轉變成為氦原子核。這就是天文學家今日在宇宙中觀察到的比例,也被視為大霹靂存在的有力證據。幾乎所有較重的元素(從血液中的鐵、骨骼中的鈣,到呼吸中的氧)都是於大霹靂後,在恆星之中被打造出來。

[10] 黑體會吸收所有落在其上的熱。快速移動的原子會經由碰撞將能量轉移到移動緩慢的原子上,因此透過原子的無數碰撞,熱會散布在所有原子之間。結果就是,對黑體散射熱量造成影響的,並非構成黑體的原子種類。「黑體輻射」擁有的宇宙光譜,只取決於一種參數:物體的溫度。

[11] Marcus Chown, Afterglow of Creation, Faber & Faber, London, 2010.

相關書摘 ►《重力簡史》:沒人知道是什麼的宇宙「暗物質」

書籍介紹

本文摘錄自《重力簡史:牛頓的蘋果如何啟發重力法則、相對論、量子論等重大物理學觀念》,商周出版

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作者:馬可士.鍾(Marcus Chown)
譯者:蕭秀姍

宇宙大霹靂之後,如果重力沒有「開啟」,時間可能會倒轉?
與你擦身而過的人,還有你口袋中的手機,都與你相互吸引?
月球與太空艙裡失重的太空人,其實都正在往下掉?
月球的潮汐力不只影響海洋,就連固態岩石也難逃魔掌?
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2015年發現的重力波,將帶領人類去到什麼地方?……

重力是日常世界裡最微弱的力量,但在宇宙中,它卻是最強大的。儘管17世紀以來,人們便知道重力的存在,我們對它的了解卻非常有限,至今也仍未解開其核心之謎……

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作者以一篇篇科學家的生平軼事,以及循序漸進、有趣易懂的解釋與比喻,帶領讀者進入相關理論的核心。翻開本書,相信你不會再認為天文與物理深奧難解,並深受吸引!

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