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人類的宇宙奇航

2020-10-01 撰文/芮斯(Martin Rees)、繪圖/柯特(Maria Corte)
天文學家發現宇宙其實更廣大、更奇特,在銀河系之外 ,還有無數星系,存在著黑洞、中子星等古怪天體, 以及暗物質、暗能量、多重宇宙這些超乎想像的事物。


法國哲學家孔德(Auguste Comte)在1835年斷言,沒有人知道恆星的成份。他寫道:「我們知道測定恆星形狀、距離、大小和運動的可能性,但是我們永遠不知道如何研究它的化學組成、礦物結構,甚至在它表面可能存活的生物有何特質。」


孔德會對後世的發現吃驚不已,如今我們知道宇宙遠比任何人想像得更大、更奇特。宇宙的範圍不僅比銀河系更大,還囊括無數星系(19世紀和20世紀初的天文學家對此深感訝異,他們認為銀河系就是「宇宙」),而且每一天都在膨脹。現在我們已有把握指出宇宙的起源,可追溯到138億年前、大霹靂之後的十億分之一秒。天文學家已經測出宇宙的膨脹速率、主要成份的平均密度等重要數值,精密度可達到1~2%。此外,物理學家提出了廣義相對論和量子力學等支配著太空的新物理定律,這些定律比以往所知的古典定律更難捉摸,但成功預測了黑洞、中子星和重力波這些宇宙奇觀。獲得這些知識的歷程中充滿意外發現、絕妙驚奇,以及科學家孜孜不倦地追求不可企及的目標。


恆星解密

1860年出現了恆星真實面貌的第一條線索,克希荷夫(Gustav Kirchhoff)察覺日光光譜中的黑線,是源自不同化學元素吸收了特定波長的光。天文學家分析其他明亮恆星星光中的類似特徵,發現它們的成份也能在地球上找到,並不是古代人所說神秘的「第五元素」。


不過了解恆星使用的燃料,是很久之後的事情。克耳文爵士(Lord Kelvin)計算出,如果恆星的能量完全來自重力,並且在發出輻射時緩緩散失,那麼太陽的年齡應該介於2000萬~4000萬年,遠比達爾文或當時地質學家推估的地球年齡更短。他在1908年最後一篇相關論文中加上一條附註,表示堅持自己的估算結果,「除非在宇宙創生的寶庫中有其他能量來源。」


這個能量來源是核融合,幾個原子核合而為一,形成更大的原子核並釋出能量。1925年天文學家佩恩-加波施金(Cecilia Payne-Gaposchkin)從恆星光譜計算化學豐度,並發現恆星主要由氫和氦組成。在天文學家斯特魯維(Otto Struve)譽為「天文學界有史以來最傑出的博士論文」中,佩恩-加波施金寫下上述結論。十年後,物理學家貝特(Hans Bethe)發表,一般恆星的主要能量來源是氫原子核融合成氦。


當恆星的神秘面紗逐漸揭開,星雲朦朧的面貌也越來越清晰。1920年4月26日在美國華盛頓特區國家科學院前方展開的「大辯論」中,夏普里(Harlow Shapley)認定銀河系是主體,星雲則是它的一部份;在反對的一方,柯蒂斯(Heber Curtis)則主張某些朦朧的星雲是獨立的星系(島宇宙),就和銀河系一樣。這場辯論在當天晚上沒有贏家,而是幾年後才平息。1924年哈伯(Edwin Hubble)測定許多星雲的距離,證實了星雲比銀河系更加遙遠。他的證據來自造父變星,可藉由星雲中這種變星的脈衝週期得知實際亮度,進而算出距離;上述關係的發現者是李威特(Henrietta Swan Leavitt)。


哈伯得知宇宙比許多人所想的更大後,很快就發現宇宙正持續膨脹。1929年他察覺比起鄰近星系,遙遠星系發出的星光光譜特徵更紅,代表波長較長。如果這種效應即是都卜勒頻移,也就是波在遠離時,波長會變長,這表示星系正在遠離彼此以及地球。事實上,距離越遠的星系,退行速度就越快。關於宇宙的第一條線索是,它並非恆久不變,而是持續膨脹。


宇宙中似乎有許多看不見的東西。1933年,茲維基(Fritz Zwicky)估算后髮座星系團中所有恆星的總質量,發現僅佔維持星系團運行所需質量的1%。這稱為「消失的質量問題」,他提議可能是看不見的質量所致,卻引起許多科學家質疑。這個爭議一直延燒到1970年代,魯賓(Vera Rubin)和福特(W. Kent Ford)的恆星觀測以及羅伯茲(Morton Roberts)和懷特赫斯特(Robert Whitehurst)的無線電觀測證實,星系盤若只憑恆星與氣體產生的重力,外圍將會飛散,除非具有更大的重力牽引。後來,天文學家大多接受暗物質的存在。魯賓寫道:「我們窺見了新世界,而且發現它比想像的更神秘複雜。」現在科學家認為宇宙中的暗物質可能是可見物質的五倍之多,但對暗物質的了解仍然和1930年代相差無幾。


顯現暗物質存在的重力也同樣神秘複雜。史上最重要的時刻是1915年愛因斯坦發表廣義相對論;廣義相對論超越牛頓力學,指出重力其實是時空結構的形變。這項新理論遲遲未獲認同,儘管1919年日食觀測結果已證實正確,許多人仍然認為這項理論十分怪異,畢竟牛頓定律在大多數狀況都適用。那次日食之後,天文學家洛克耶(W.J.S. Lockyer)向《紐約時報》說道:「這些發現雖然十分重要,但並未影響地球上的任何事物。」廣義相對論提出將近半世紀後,依舊難以躋身物理學界的主流,直到1960年代開始,天文學家陸續發現前所未見的極端現象,唯獨這項理論能加以解釋。


愛因斯坦理論中最奇特的結果是黑洞,這種天體極度塌縮,連光都逃不出它的重力牽引。幾十年以來,黑洞僅止於推論,愛因斯坦甚至在1939年提到黑洞「不存在於物理現實中」。1963年天文學家發現了類星體(quasar)這種位於某些星系中央且亮度極高的神秘天體,他們耗費至少十年才達成共識,認為這種極強的亮度是由氣體盤旋落入星系中心的巨大黑洞所產生,類星體明確證實了廣義相對論預測的奇特天體確實存在。


至於宇宙何時誕生?或者說宇宙有起點嗎?天文學家長年爭論這些問題,20世紀中葉,兩項競爭理論給出完全不同的答案。熱大霹靂模型指出,宇宙起初極其微小,溫度和密度都極高,後來隨著時間逐漸冷卻膨脹。穩態學說則認為宇宙一直處於同一狀態。


這場爭論因為一項意外發現而平息。1965年在美國貝爾實驗室,天文學家潘琪亞斯(Arno Penzias)和威爾遜(Robert Wilson)在校正新天線時,碰到了一個問題:儘管用盡心思降低背景干擾,甚至趕走了一群在天線裡築巢的鴿子,每個方向還是都接收到連續不斷的雜訊。他們發現星系際空間不是絕對零度,而是在微弱的微波作用下升溫到絕對溫度3K左右。潘琪亞斯和威爾遜無意中發現了「宇宙創生的餘暉」,也就是宇宙萬物從極度灼熱緻密的時刻轉變成現在既冷又稀疏的型態。


這項發現讓大霹靂理論佔盡優勢。依據這個模型,宇宙初始最灼熱時是不透明的,類似恆星內部狀況,光不斷撞擊電子並向四周散射。當溫度降低到3000K時,電子速度減慢,由質子捕獲並形成電中性的原子,光從此可以自由行進。貝爾實驗室接收到的訊號就是這些古老的光,在宇宙誕生後約38萬年向外散射,至今依然瀰漫宇宙各處,即所謂的宇宙微波背景(CMB)輻射。這幾位科學家花了一段時間後才體認到這項發現的重要性。威爾遜說:「我們很高興獲得這個(關於天線雜訊)可能的解釋,但我認為我們起初都沒有認真看待這個宇宙現象。蘇利文(Walter Sullivan)在《紐約時報》頭版寫了一篇關於這個可能解釋的文章,於是我想到或許應該開始認真研究這個宇宙現象。」


科學家精密測量了CMB後,便了解星系的誕生。他們發現CMB在天空各處並非均等,有些區域溫度較高,有些則較低。這些溫度漲落的差距大約僅十萬分之一,但形成了現在的宇宙結構。宇宙不斷膨脹,初始密度略高於平均的區域承受較多重力,所以膨脹幅度較小;當這些區域的膨脹速度變慢時,和周圍的密度差距也越來越大。後來,這些區域因為密度較高,氣體壓縮成恆星,進而形成星系。最重要的一點是:把從CMB測得的早期漲落(宇宙僅38萬歲時)輸入電腦模型,模擬138億年後的結果竟和現在宇宙樣貌相同──星系處於我們現在看到的位置,分佈也和實際相符。這時真正的成功到來:我們大致了解宇宙99.998%的歷史......


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