分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

宇宙大霹靂的發現--《相對論百年故事》

繼勒梅特提出宇宙濫觴於「太初原子」的大膽構想後,離開蘇俄至美國發展的物理學家伽莫(George Gamow, 1904-1968)也認為,宇宙會自太初極度緻密與高溫的狀態開始膨脹冷卻。在那種極端的條件下,所有的物質都只以質子、中子與電子的形式存在,並且浸泡在如大洋般的高能輻射裡,就像一鍋熾熱稠密的太初原湯。在剛開始膨脹的頭幾分鐘內,宇宙可視為一場超大型的核子物理實驗,透過粒子持續捕捉中子建構出所有元素,各式各樣的物質都可從這鍋渾沌的原湯中烹煮出來。

1024px-Colombian_Party_Cartel._Photo_by_Ellen_Ordóñez_for_Colombian_Party_Cartel

那是一場太古粒子的狂歡宴會,電子、質子、中子不受拘束地在裏頭躁動,熱力四射的他們照亮整個會場。 Source: Wiki

1948年夏天,伽莫證明了在宇宙年齡只有100秒時,質子可與中子結合形成氫的同位素——氘。伽莫的學生阿爾法(Ralph Alpher, 1921-2007)以及赫曼(Robert Herman, 1914-1997)則接續發展伽莫的構想,更深入探索太初核子作用,希望能建構出宇宙的熱歷史。他們首先推導出在均勻膨脹的環境下,物質密度正比於任何熱輻射溫度的立方。這代表他們能夠決定在宇宙開始兩分鐘後、溫度為10億度時,物質密度與輻射溫度的正確比例,以避免產生過量的氦而與現今的觀測結果抵觸。在獲得這個固定的比值後,再將今天觀測到的物質密度代入計算,就可推知現在的輻射溫度是多少。經他們估計得到目前宇宙的溫度大約是絕對溫度5K。這項預測可說是科學史上最重要的里程碑之一,它提供天文學家一個測試大霹靂理論的方法——假如宇宙果真發軔於一個高溫的過去,我們應能夠觀測到這大霹靂的餘暉輻射!

123

當宴會結束,質子(中子)與電子無可避免地陷入熱戀,形成氫原子(氦原子),他們務實地尋求穩定,過往的激情與浪漫被他們拋棄,等待遺忘。 Source: MinutePhysic

伽莫等人的論文發表17年後,美國兩位頂尖的電波工程師潘奇亞斯(Arno Penzias, 1933-)與威爾遜(Robert Wilson, 1936- )終於在紐澤西州霍姆德爾鎮的貝爾實驗室維修一座角型天線時,發現了伽莫師生們所預測的大霹靂餘暉輻射。他們當時所偵測到的輻射噪聲,擁有7.35公分的波長,相當於溫度3.5K的熱輻射,因此稱之為宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background, CMB)輻射。

800px-WMAP_image_of_the_CMB_anisotropy

那些被遺忘的激情與浪漫歷經了百億年的旅行,最終被WMAP捕捉到那場盛宴的餘暉。 Source: Wiki

潘奇亞斯與威爾遜的發現是我們理解宇宙的轉捩點,它大大增添了我們對愛因斯坦方程式預測宇宙行為的信心。弗里德曼與勒梅特最簡單的膨脹宇宙模型,可告訴我們任何時刻的宇宙溫度。有了這項簡單的訊息,物理學家便能夠預測宇宙從最初幾秒鐘膨脹至今的一系列事件。我們或許無法確切知曉曾經發生過的每一個單一事件,但確實可以據此建立起一幅大致公允的演化圖像,描繪溫度與密度如何隨空間膨脹變化,核子反應發生的時間與順序,以及原子與分子形成的時程。

大霹靂理論另一項重大的預言是宇宙裡氫與氦的豐度比例。在宇宙年齡小於1秒鐘、溫度高於100億度時,弱核力(weak nuclear force)的作用會維持質子與中子數目相等。由於中子的質量稍大於質子,在膨脹開始1秒鐘後,當宇宙溫度降到100億度以下時,這建構中子所需的額外些微能量,將導致質子的數目開始稍稍超過中子的數目。不過,由於中子與質子間關鍵的弱交互作用速率太低,無法趕上空間的膨脹速率,因此它們彼此間數量不均衡的比例並未擴大,約維持在1比6左右。

在膨脹開始後大約100秒時,溫度降低到1億度,核子反應突然進行起來。由於自由中子很容易衰變,此刻中子與質子的數量比已略降至1比7。幾乎所有倖存的中子都立刻與其他粒子結合形成氦-4原子核,只留下少數的氘、氦-3與鋰。從此,宇宙裡的核子物質有大約25%的氦-4,75%的氫,以及極少量的氘同位素、氦-3與鋰-7。這些元素的豐度比例,正是我們今天在銀河系與其他星系裡所觀測到的數值。因此,天文觀測再一次確證了大霹靂宇宙模型。

¦C¦L本文摘自《相對論百年故事》。中華民國重力協會主編,大塊文化出

ad3

問答是人類最原始的知識互動方式,也是文明火箭推進的燃料,更是茫茫知識大海中的羅盤
為什麼蘋果會落下?為什麼人類不能飛?所有偉大的事物,都萌芽於一個最初的問題。
我們全新推出的問答平台——泛答,讓大家用最輕鬆直接的方式挖掘最有價值的知識。

受夠了虛實難辨的假新聞?懷疑自己困在同溫層?想念那個充滿好奇的內心自我?
來泛答吧,跟我們一起用問答打破現狀,用問答找回專屬於你的知識。

關於作者

活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。