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大霹靂產生宇宙

宇宙的創世起源為何?不同文化有不同的傳說。這個大哉問在科學的歷程上又是如何發展的呢?看科學家如何透過望遠鏡拼湊拼圖,組成這幅偉大的圖像。

【作者/約翰‧ 葛瑞賓(John Gribbin)  譯者/甘錫安】

大霹靂產生宇宙

圖說:宇宙由時間與空間中的一個點誕生,科學家發現大霹靂造成的輻射之後,才證實了這個想法。

宇宙在灼熱緻密的狀態下誕生,這是科學史上非常重要及完整的概念,弗瑞德‧霍伊爾(Fred Hoyle)稱之為大霹靂(Big Bang)。不過,這個概念問世至今還不到百年,披頭四樂團在1960年代轟動樂壇時,天文學家都還沒證明大霹靂確實存在。50年前的夏天,科學家終於發現確實證據,這個證據就是宇宙微波背景輻射(CMB),但其實當時已有許多間接證據。

回顧歷史, 大霹靂的概念問世於俄聯數學家亞歷山大‧弗里特曼(Alexander Friedmann)1922年發表的論文中。弗里特曼發現,從愛因斯坦描述空間、時間和物質特性的廣義相對論方程式看來,可能有不同種類的宇宙存在。有些宇宙起初很小,但會隨時間而擴大;有些宇宙一開始很大,但會隨時間而縮小。有些宇宙從一個極小的點擴大到某個程度,又縮小成一個點,或許會再「跳入」另一回合的擴大和縮小。當時沒有任何確實證據可證明我們的宇宙與這些數學模型相符。

但這並沒有讓弗里特曼就此放棄研究。他在1923年出版的《空間與時間構成的世界》(World As Space And Time)中寫道,「由於缺乏可靠的天文資料,引用任何數字來說明宇宙的年齡都沒有意義,但如果為了好奇而計算宇宙從一個小點誕生到目前所花的時間,也就是「創世」至今已經過了多久,得出的數字應該是百億年左右。」這個說法相當接近科學界目前普遍認可的138億年,但當時沒有人注意。

是星系還是星雲?

但是弗里特曼不知道,其實已經有天文資料支持他的說法。美國羅威爾天文台(Lowell Observatory)的維斯托‧斯里弗(Vesto Melvin Slipher)一直在研究來自當時稱為「星雲」(螺旋形雲狀物質)的光。當時科學家仍在爭議這類天體到底是銀河系內的氣體雲(恆星可能的形成處)?還是比銀河系遙遠許多、體積也大得多的星系?

出乎斯里弗意料的是,他發現來自這些螺旋狀星雲的光有「紅移」現象,而且紅移幅度相當大(參見〈重點解析〉一欄)。這個現象最單純的解釋就是這些天體正快速遠離我們,而紅移則是源自都卜勒效應。紅移現象顯示這些天體的距離確實在銀河系以外。但還有另一種可能。在弗里特曼發現的宇宙擴張模型中(但斯里弗不知道這個模型),空間隨時間而拉長時也會造成類似的紅移效應。

關於螺旋狀星雲特性的爭議在1924年解決。艾德溫‧哈柏(Edwin Hubble)當時在美國加州威爾森山(Mount Wilson)剛剛完工的2.5公尺口徑望遠鏡工作。這具望遠鏡的觀測能力遠高於斯里弗可使用的望遠鏡,因此可藉由研究該「星雲」中的造父變星(Cepheid)等變星,測量地球到仙女座星雲(現稱星系)的距離。這項資料加上對其他星雲測距的結果,一舉證明了螺旋形天體其實是宇宙中的遙遠星系。現在時機已經成熟,科學家可將紅移和距離整合起來,放入廣義相對論的方程式,用來描述我們的宇宙。

完成這項工作的是比利時數學家及天文學家喬治‧勒梅特(Georges Lemaître)。勒梅特居住在比利時,但曾經造訪過英國劍橋大學、美國哈佛大學及威爾森山。他見過斯里弗和哈柏,知道當時最新的觀測結果,但完全不知道弗里特曼的研究。因此當他獨立發現與弗里特曼相同的愛因斯坦方程式解時,是以實際宇宙觀測的結果來解釋這個方程式。他把所有資料彙集在一起,依照經驗法則,看起來較模糊的星系一定比較明亮的星系更遠,從而發現星系的紅移幅度取決於它與地球的距離,也就是「速度」與距離成正比。但他也發現這不是都卜勒效應。如同他在1927年曾經提到的,紅移是「宇宙擴張的效應」。

這項其實應該稱為「勒梅特定律」的發現發表在一篇論文中,標題為〈質量恆定的均勻宇宙半徑持續擴大導致銀河系外星雲具有徑向速度〉(A Homogenous Universe of Mass and Increasing Radius Accounting for the Radial Velocities of Extra-Galactic Nebulae )。他還發現了紅移和距離間的關係,提出每百萬秒差距(Megaparsec)的距離時速度為秒速575公里,現在這個數字稱為哈柏常數(理由如後所述)。因此,距離地球一百萬秒差距的星系是以每秒575公里的速度遠離地球,而距離地球兩百萬秒差距的星系則是以每秒1,150公里的速度遠離地球,以此類推。不過,1927年勒梅特這篇論文發表在不知名的比利時期刊上,很少人注意到。即使他寄了一本給當時頂尖的英國天文學家亞瑟‧艾丁頓(Arthur Eddington), 情況仍然相同。

急功好利的哈柏

在此同時,哈柏則相當忙碌。他聘請米爾頓‧赫馬森(Milton Humason)負責測量星系的紅移現象,雖然赫馬森較資淺,但論觀測能力是全世界最強的。哈柏則運用多項技術測量距離。1929年,哈柏和赫馬森發表論文,論文中含括24個星系的研究結果,其中20個是斯里弗測量到有紅移現象的星系,另外四個則是赫馬森「新發現」有紅移現象的星系。

這已經足以讓哈柏發表現在相當知名的紅移與距離關係。這個關係指出,星系與地球間的距離,與其紅移顯示的速度成正比。這項發現(其實和勒梅特兩年前發表的內容完全相同)被稱為「哈柏定律」。哈柏和赫馬森的論文中提出的哈柏常數,說明星系與地球的距離每百萬秒差距,其速度為秒速500公里,也與勒梅特的值十分接近。不過,這篇論文完全沒提到斯里弗或勒梅特。哈柏一向以自負和善於自我宣傳著稱,往往為囊括一切讚揚和光榮而不擇手段,而且經常得逞。

不過這次消息如野火燎原般傳了開來。勒梅特想當然地大感光火,並且寫信給艾丁頓,提到1927年的這篇論文,艾丁頓發動所有資源,散播勒梅特才是最初發現者的消息,甚至還把這篇論文翻譯成英文發表。勒梅特最後確實爭回了他應得的讚揚,但這個定律卻仍然以哈柏命名。不過勒梅特的研究並未就此打住。哈柏只對運用紅移來測量距離感到興趣,從來沒有嘗試把紅移整合到宇宙模型中。相對論者大多只把這些方程式視為紙上談兵,不一定能與現實世界扯上關係。勒梅特則真心相信這些方程式,並試圖以它們描述宇宙如何誕生。

1931年,他推測宇宙可能是在非常緻密的狀態下猛然誕生(就像煙火一樣),急速膨脹成我們現在看到的樣子。他在1946年出版的書中詳盡闡述了這些想法,同時將宇宙的起源稱為太古原子(primeval atom)或宇宙蛋(cosmic egg),後來促成俄裔美籍天文學家喬治‧伽莫夫(George Gamow)與同事羅夫‧阿爾菲(Ralph Alpher)和羅伯特‧赫曼(Robert Herman)進一步衍伸這些概念。

阿爾菲想到,勒梅特提到宇宙誕生「煙火」的熱,應該會與電磁輻射一起充滿整個宇宙,而電磁輻射目前仍然以冷無線電波的形式存在。1948年,他在《自然》期刊上發表論文,文中斷定「目前宇宙的溫度為絕對溫標五度(攝氏零下268度)。伽莫夫有一段時間積極推廣這個說法(現在則經常被誤認為此說法的提出者),但當時沒有人認為我們能偵測到這類宇宙背景輻射,這個說法也很快就為人遺忘。

大霹靂的窘境

這個概念在1950年代稱為「大霹靂」,當時卻有個問題。由目前星系遠離地球的速度,可以得知星系從勒梅特的宇宙蛋孵出來到現在已經過了多少時間。這個「宇宙年齡」與哈柏常數有關,常數越大,星系分離速度越快,宇宙也就越年輕。假設這個常數是每百萬秒差距每秒500公里,則宇宙的年齡只有10億年左右,遠少於太陽和目前已知恆星的年齡。這使另一派穩態宇宙模型的支持者大感振奮。這個理論認為宇宙永遠存在,同時不斷擴張,但新原子會隨空間擴大而出現,形成新的星系來填滿空間。

隨著更精良的望遠鏡問世,不斷精進的觀測結果證明哈柏常數是每百萬秒差距小於每秒100公里,遠小於勒梅特和哈柏原先的估計,大霹靂理論的可信度逐漸提高,最後,決定性的時刻終於來到。

1964年,亞諾‧彭齊亞斯(Arno Penzias) 和羅伯特‧威爾森(Robert Wilson)正在改裝無線電望遠鏡,用來為電波天文學測試衛星通訊。這具望遠鏡位於美國紐澤西州克勞福山(Crawford Hill),所有者是貝爾電話公司。用它投入天文學研究之前,必須先加以校正。

彭齊亞斯和威爾森發現這具天線好像受到某種干擾,天線無論指向天空中的哪個方向,儀器上都顯示有微弱的無線電雜訊。他們對此大感困惑。後來到了1964年12月,彭齊亞斯偶然向另一位電波天文學家伯納德‧伯克(Bernard Burke)提到這個問題,伯克說他知道30分鐘車程外的普林斯頓大學有個研究團隊或許能提供意見。

這個研究團隊由吉姆‧皮柏斯(Jim Peebles)和羅伯特‧狄克(Robert Dicke)領軍,另外有兩位較資淺的同事彼得‧羅爾(Peter Roll)和大衛‧威金森(David Wilkinson)。狄克獨立得出與阿爾菲相同的想法,但他進一步著手進行工程,建造望遠鏡來尋找預測中的輻射。這具望遠鏡接近完工時,彭齊亞斯和威爾森正好跟他們聯絡。這兩個團隊攜手合作,很快就確定彭齊亞斯和威爾森的發現其實是「大霹靂的回音」。他們在1965年的7月號的《天文物理期刊》(Astrophysical Journal )上發表了兩篇論文。狄克、皮柏斯、羅爾和威金森首先登場,闡述來自早期灼熱宇宙的殘留輻射理論,接著由彭齊亞斯和威爾森提出〈在4080兆赫上過量天線溫度的量測〉。論文中沒有提到這項發現可能具有多大的重要性,只寫了一句:「狄克、皮柏斯、羅爾和威金森在本期的隨同討論中針對額外雜訊溫度提出了可能解釋。」那就是大霹靂確實存在的證明。

其後數十年,有三枚關鍵衛星曾經探索大霹靂的細節。第一枚是宇宙背景探測衛星(COBE),1989年發射升空,偵測到星系誕生時在背景輻射中造成的漣漪。大霹靂理論終於獲得勝利。

【完整內容請見《BBC知識國際中文版》第40期(2014年12月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

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