《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。

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文:馬可士.鍾(Marcus Chown)

大霹靂

廣義相對論是物質(或更廣泛地說是能量)如何扭曲時空結構的指南。愛因斯坦從來就不會逃避科學上真正的大問題,因此他在1917年將自己的理論套用到所能想到的物質最大集合模式:整個宇宙。

重力精心編排了宏觀宇宙,因為質量只有引力這一種形式。因此,雖然到目前為止,萬有引力是自然界基本力量中最微弱的一種,但它的作用會隨著質量增加而無止境地增強,甚至在行星的規模就成了壓倒自然界所有其他基本力量的強大之力。「重力是難以擺脫的習慣,」英國奇幻文學作家泰瑞.普萊契(Terry Pratchett)說。[1] 相較之下,自然界的「強」核力與「弱」核力的作用範圍極小,而電磁力雖然像重力一樣可以在無限範圍中作用,但因為兩種電荷的存在讓它具有相吸或相斥作用,所以在宏觀世界中會被抵消。

重力如同宇宙等級的愛神丘比特,期望把所有東西送做堆,不斷努力打破物質間的駭人隔閡。當物質從一開始因為大霹靂的爆炸而飛散到宇宙四處,重力確實就成了自然界孤立核心凝聚的力量。如同美國作家丹.西蒙斯(Dan Simmons)所言:「愛以物質與重力的形式,深植在宇宙的結構之中。」[2]

愛因斯坦將自己的重力論應用在整個宇宙上,創造了研究宇宙起源、演化與最終命運的科學:「宇宙學」。但他的想法有些錯誤。就像之前的牛頓一樣,愛因斯坦也相信宇宙過去一直是這樣,未來也一直會是這樣。這樣一個不變或說「靜止」的宇宙,最大的訴求就是沒有開始也沒有結束,所以不用浪費時間思考宇宙是怎麼開始的這種麻煩問題。

問題是,愛因斯坦方程式描述的顯然是一個亟欲動作的動態時空。於是,愛因斯坦假設「真空」(empty space)帶有能量以解決這個問題,真空帶有獨立於任何物質之外的能量,讓它本身就帶有曲度。愛因斯坦稱此曲度為「宇宙常數」,它以真空的排斥力表現出來。因此,雖然宇宙中所有物體以萬有引力彼此相吸,但會被真空的排斥力完全抵消。嘿嘿!這就變出了「靜態宇宙」。

愛因斯坦最偉大的追隨者愛丁頓在1930年表示,愛因斯坦的靜態宇宙永遠行不通。就像以筆尖垂直立起的鉛筆那樣,靜態宇宙極不穩定,極小的干擾就會讓它從平衡點上傾倒。愛因斯坦所設想的宇宙在膨脹與收縮間的利刃邊緣搖搖欲墜,微不足道的刺激就會將其疾速推往某個方向或另一個方向。

雖然愛因斯坦遺漏了自身方程式顯露的訊息,也就是宇宙必定處於運轉狀態,其他人卻沒有錯過這個訊息。為了簡化自己的方程式以便方程式可以「解出」,愛因斯坦堅持宇宙中物質的密度始終維持恆定狀態。愛因斯坦在1917年提出此假設時,收到愛因斯坦理論走私副本的荷蘭學者德西特,也將廣義相對論應用到宇宙上。德西特與愛因斯坦形成強烈對比:他並未堅決主張物質密度必須維持恆定,反而對此持開放態度。德西特發現愛因斯坦理論所容許存在的宇宙,是個會膨脹的宇宙。若把兩個粒子放在這樣的宇宙之中進行測試,空間的一般性膨脹會穩定增加兩粒子間的距離。

問題是,德西特的宇宙是個空無一物的宇宙,除了膨脹的時空之外什麼都沒有。它無法描述我們所存在的宇宙(此外,令人震驚的是,它還顯現了愛因斯坦釋出的瓶中精靈:時空是完全獨立於物質之外的動態事物)。

但在1922年,俄國天文學家亞歷山大.弗里德曼(Aleksandr Friedmann)發現了愛因斯坦理論容許的整套宇宙,它們會膨脹或收縮,也帶有物質。五年後,比利時天主教主教喬治.雅培.萊馬蒂(Georges Abbé Lemaître)也獨自發現了與弗里德曼相同的「演化中」的宇宙。今日大多數人都透過更常見的通稱「大霹靂宇宙」而認識弗里德曼——萊馬蒂宇宙。[3]

弗里德曼與萊馬蒂的宇宙當然只是個理論。但在1920年代,因為美國天文學家愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)的緣故,一切都改變了。哈伯初次登場,就發現了「星系」。

愛因斯坦與其他學者因為不知道建構宇宙的真正元件,所以在研究思考時顯得綁手綁腳。20世紀初,已知太陽隸屬於一個名為銀河系的巨大星體群,還有其他無數個模糊的「螺旋星雲」(spiral nebulae)散布在天空中。問題是:這些發光氣體星雲究竟是位於銀河系內,或是隸屬於其他恆星星群(或說星系),導至它們因為距離銀河系過於遙遠而顯得星光暗淡?

1923年,哈伯運用了全球最大的「眼睛」解答了這個問題。哈伯在南加州威爾遜山(Mount Wilson)上,以100英寸的胡克耳望遠鏡(Hooker Telescope)對準仙女座的大星雲。他不但看見了個別星體,還可以根據星體本身規律的發亮與變暗現象分辨出特殊類型的星體,並據此得出它們的距離。這些「造父變星」(Cepheid variables)無疑證實了仙女座距離銀河系極為遙遠,因此可知所有的螺旋星雲也都距離銀河系非常遙遠。[4]

哈伯發現了宇宙的基本結構元件:星系。擁有1,000億顆恆星的銀河系,只是1,000億個星系之一而已。[5]

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.

[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?
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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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Photo Credit: 商周出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:潘柏翰

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