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【講座側記】站在現代仰望古老星空——「宇宙的起源:古老的奧秘與最新的發現」

臺大出版中心主辦的「星空下的發現之旅:人類探索太空小史」系列講座第二場次,由中央研究院院士朱國瑞教授主持,並邀請任職於美國航空暨太空總署(NASA)的太空任務科學家李傑信博士主講「宇宙的起源:古老的奧秘與最新的發現」。李博士估算,在他任職的期間,NASA總共耗費了超過五十億美元的研究經費,也得出了許多跨時代的數據;有關這些數據的分析主要圍繞「大爆炸理論」而成,也為二十世紀初至今的物理學界畫下了多采多姿的一頁。

No Where, No When.

在古代人的眼中,我們肉眼所觀察到的宇宙星體都是不變動的,直到二十世紀初,我們的宇宙仍然是個沒有起點、沒有生日的宇宙。牛頓所發現的萬有引力將物理學推進了一大步,但在解釋宇宙上卻出現了重大問題:「天上的星體如何完美不動,為何不會因為萬有引力的互相吸引而蠢動、對撞?」他無法解釋這個現象,只能解釋為上帝的安排。直到愛因斯坦之前,上帝一直「力挺」著牛頓的理論。

在二百五十年後,愛因斯坦與牛頓的理論最大的不同之處,在於當代光學與電磁學知識有了長足的進步。因為速度等於空間除以時間,且光速恆定,所以空間與時間必須互相改變;他藉由相對論理論將一維時間與三維空間縫合成一個四維的時空幾何結構,不啻為將人類帶上了更高的宇宙平臺。不過,愛因斯坦同樣地面臨與牛頓一樣的、靜止宇宙現象的限制;於是他便在相對論公式中加入了宇宙常數,穩定了他的宇宙結構。

大爆炸的聲音

在1929年,哈伯發現宇宙是擴張的;這樣便解除了靜止宇宙因為重力而崩塌的憂慮,但也產生了全新的問題:宇宙必定有一個起點。當宇宙在它的「生日」,也就是體積最小的那一刻,其溫度與壓力必定十分巨大,可以想見會產生巨大的爆炸。在這個「大爆炸」的時刻所產生的巨大聲音,因為它的能量極其巨大,在138億年後的今天,我們還是可以「聽」見它的聲音。這樣的能量一般以絕對溫度(K)作為計算單位,而大爆炸所殘餘的能量大約在5~30K左右。然而,這樣的聲音極其微弱,要等到人造衛星升空後,因為接收衛星訊號而製造的天線,才在無意中接受到來自大霹靂的餘音。然而在地球上進行測量時,由於大氣的過濾,僅能測量出波長較長的能量,且宇宙微波的分布呈現「超均勻」的現象,強度的誤差在十萬分之一以下。若要提升其精確度,實驗必須在大氣以外之處進行測量。

直到1989年,NASA才有足夠的技術將測量的「宇宙背景探測器」以火箭送至外太空進行測量。學者馬瑟發現,其波長分布基本上符合黑體輻射的公式。這樣巨大的發現不僅讓馬瑟在2006年替NASA抱回了第一座諾貝爾物理學獎,也使宇宙學和古老但欠缺科學證據的占星術正式分家。

不均勻的震撼與迷惑

然而,面對超均勻的結果,年輕的太空物理學家斯穆特卻認為,微波必定要有不均勻的成分存在。為什麼?試想,若是宇宙中的能量完全均勻分布,則物質便不可能凝聚成為星體、進一步形成生命。李博士形容,這樣的研究主題,正是太空物理學高風險又高回報之處:衛星計畫和太空實驗的耗時耗力,若是用盡青春年華仍沒有顯著成果,「再回頭已百年身」,只能徒呼負負。1989年的宇宙背景探測器所回傳的數據,也替斯穆特帶來了他期待已久的答案。終於,他在1992年發表了純淨的宇宙電磁波不均勻圖像。這個成果震驚世界,眾家傳媒最常用的標題便是:「就像看見上帝一樣」(It’s like seeing God.)。李博士笑道,既然這是創造宇宙的第一個聲音,可能和上帝有某種關係也說不定。

宇宙的形狀

宇宙微波的發現又可帶出一個全新的研究問題:宇宙的形狀是什麼?宇宙在形成初期是個電漿宇宙,直到大霹靂後37.6萬年,溫度下降至絕對溫度3000K。此時電子穩定下來,當時的電磁波便捕捉住了宇宙的樣貌。當時宇宙僅產生了37.6萬年,記錄下的宇宙微波中的冷、熱區幅度也是37.6萬光年。分析下來,這些區塊的張角大約為1度。時隔百億年,若能用現今張角與當時的張角比較,便可以看出宇宙擴張的方向。假設張角仍為1度,表示宇宙是在平面上擴張;若張角大於1度,表示宇宙是以球面擴張;反之,若張角小於1度,則宇宙是以馬鞍型擴張。起初,成像因為技術限制,解析度不足,直到2001年第二代衛星(WMAP)升空,才能夠精確的量到1度張角。然而在1999年,在地表的南極洲上已經開始了一個重新測量張角的計畫,以稱為「Boomerang」(迴力鏢)的飛行器升至南極洲上空的環流氣流中收集資訊。不論是「Boomerang」、第二代衛星或者2008年升空的第三代衛星「普朗克」,都在在證明了張角為1度,宇宙為平直擴張的事實。顯而易見的,也正是這個平直、溫和而穩定的宇宙,使得星體得以順利凝聚,脆弱的生命得以在此生長繁衍。

尚未發現的宇宙

李博士在演講最後也提到,雖然在二十世紀的這段時間當中,對於我們所身處的宇宙有了許多跨時代的發現;然而,我們所熟知的這些一般物質,其實只占宇宙的4%。換句話說,整個宇宙中有96%的事物人類知識尚不能及。而在2012年七月,日內瓦的大型強子對撞機中產生了希格斯玻色子,這種近似暗物質的粒子,讓希格斯獲得了今年的諾貝爾獎,也可能成為科學家們打開暗物質世界的金鑰匙,為人類開拓出另一片全新且廣闊的知識天地。

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