形上集

大霹靂

- 牛頓如果死而復生,看到後世對於「真理的大洋」的探索,會對哪些發現最感興奮?

撰文/高涌泉

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大霹靂

- 牛頓如果死而復生,看到後世對於「真理的大洋」的探索,會對哪些發現最感興奮?

撰文/高涌泉


據記載,牛頓在過世前不久,曾這樣回顧他的一生:「我不知道世界會怎麼看我,但是在我看來,我只像是個在海邊玩耍的男孩,三不五時找到了比較平滑的鵝卵石,或是比較漂亮的貝殼,而覺得很有趣味,可是真理的大洋還是全然未為人所理解地橫臥在我面前。」我有時會好奇,牛頓如果能夠死而復生,看到了後世在他死後200多年間對於「真理的大洋」的探索,不知他會對於哪些發現最感興奮?我猜想有兩件事絕對出乎既是光學家也是天文學家的牛頓意料之外:一是光既有粒子性,也有波動性;二是宇宙不停地在膨脹。


這兩個現象是20世紀科學的大發現,它們分別開啟了量子論與宇宙論兩門學問。耐人尋味的是,兩者儘管在表面上看起來毫不相干,但骨子裡卻能巧妙的相互印證。


 宇宙膨脹這回事是美國天文學家哈伯在1930年代所發現的。當時哈伯注意到從遠處星系發出來的光,其(吸收)光譜和地球上已知的原子光譜相比,各譜線都有所謂的紅移(red shift)現象,而且紅移程度和星系與我們的距離成正比。換句話說,來自遠處星系的光,波長都變長了,星系越遠,波長就變得越長。若以大家熟悉的都卜勒效應來解釋,這意味著遠處星系正離我們遠去,而遠離的速度恰和它與我們之間的距離成正比。


如果各個星系當下正在相互遠離,也就是說宇宙正在膨脹,那麼在過去,星系就必然較為靠近。假如我們一直將時間往前推,宇宙就應該有個起點,或者說,宇宙應該起自於一個「大爆炸」。物理學家相信,這個大霹靂的時刻約在137億年前。那時的宇宙是一團高溫度、高密度的物質;這些物質隨著宇宙的膨脹,會逐漸冷卻,繼而受到重力的影響,方凝聚成星球、星系。


物理學家發現,以傳統時空觀為本的牛頓重力理論無法完滿地描述宇宙膨脹,只有立基於彎曲時空觀點的廣義相對論,才是說明宇宙膨脹的最佳理論。在廣義相對論中,宇宙膨脹是一種空間本身的膨脹,星系在宇宙中的座標並沒有變動;星系間的距離之所以增大,純然是因為兩定點間的距離,由於空間的膨脹而增加了。同樣的,來自遠處星系的光,其波長在空間膨脹之下被拉長了,所以會有紅移現象。前面我提過可以用都卜勒效應來解釋紅移,其實這種觀點不全然正確,只能算是一種簡略的比喻。


以上大霹靂的故事有個令人信服的佐證,這項證據與光的量子性有關:普朗克與愛因斯坦指出,光波其實是由光子所組成,每個光子的能量和光波的波長成反比;波長越長的光子,所帶的能量就越低。在大霹靂之初,高溫的宇宙充滿了短波長、高能量的光子(以及其他基本粒子)。這些光子的波長隨著宇宙膨脹而增長,因此能量(以及溫度)也就不停地下降。137億年下來,這些宇宙最原始的光子的溫度已經下降到絕對溫度2.7K左右。人們稱宇宙間這種具有固定溫度的光子氣體(也就是所謂的黑體輻射)為「宇宙微波背景輻射」。


1964年,美國無線電天文學家潘琪亞斯(Arno Penzias)和威爾遜(Robert Wilson)在他們的天線中,無意間發現了這些大霹靂後遺留下來的光子。他們當時還無法精確地量出背景輻射的能譜,只能得知這種輻射大致的溫度,以及其大致的均向性。直到10多年前,人們才利用人造衛星完整地測到了背景輻射能譜,它果然極為漂亮地符合普朗克黑體輻射公式。


根據觀測,星系在宇宙中的分佈相當均勻,所以大霹靂之初的高密度基本粒子氣體也應是極為均勻的氣體。如果不考慮重力,這種狀態的氣體具有極大的熵,但如果將重力考量進來,這種狀態的熵反倒成了極小值。宇宙與生命的演化,和大霹靂之初這種奇特的起始狀態息息相關。


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