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)

星星為何散布在宇宙間?──《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》

上次我說了黑洞和相對論,今天我要繼續談談與前兩者互有關連的大霹靂。

在進入主題之前,我想稍微說明一下,「什麼叫做溫度?」如果可以想像溫度,會比較容易了解大霹靂的理論……。

各位平常會說「溫度很高」,但是,各位知道究竟什麼是「溫度」嗎?溫度指的是「能量的密度」。一個有限的空間中,聚集了多少能量呢?將它用數字表現出來,就是溫度。「某空間飄浮粒子能量的平均密度」。

例如,下圖有兩張聚集了粒子的圖片(圖 29 AB)。箭頭表示速度(運動能),兩張圖的箭頭方向和大小都完全一樣,只是 A 圖的粒子相互靠近,B 圖則分散。A 是溫度高的狀態,B 是溫度低的狀態。即使每個粒子攜帶的能量都完全相同,但只要空間大小不同,就稱之為「溫度不同」。換句話說,溫度的差別端視粒子飄浮的空間是緊密還是空曠來做區別。散布在寬敞空間溫度較低。

【P141-圖29】跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞!

坐電車通勤的朋友,夏天早上通勤很難受吧。車廂內擠沙丁魚又悶又熱,相反的,到了深夜時就空盪盪,乘客分散開來,就不會那麼熱了。每個人的能量(一個人散發的熱量)雖然相同,但溫度會因為空間大小和能量密度而有差別。這個印象請各位先記下來。

順便一提,你們知道空調也是利用這個原理嗎?

冷氣機裡有一種氣體叫冷媒,它會在室內機和室外機之間來來去去(圖 30)。室外機壓縮冷媒,冷媒的溫度會變得極高,然後再藉由接觸外面空氣,讓冷媒降溫(熱只會從高處向低處傳播,所以若是刻意不讓它熱的話,就無法丟棄)。

【P143-圖30】跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞!

重點來了。當冷媒從室外進入室內機時,會將它從壓縮解放開來(壓力回歸),於是它便膨脹變冷。

就好像要把熱騰騰的湯麵呼呼吹冷一樣, 將口中壓縮的空氣,從壓縮中解放,回到原有的氣壓時,就會膨脹而(呼氣)變冷。但如果不壓縮,而在同樣氣壓下吐出(像是呵氣),就不會變冷。像這樣,局部急速膨脹,又變冷的冷媒,與室內空氣接觸,就會令室內變得涼快。

這個「急速擴張」的現象,會與大霹靂的理論相關,所以也請各位先記在腦中。

掉落的蘋果與不掉落的月球

再請你們思考一個現象,把它當成另一個預備知識。為什麼月球不會掉到地球上呢?

回答這個問題的是艾薩克.牛頓(Isaac Newton,圖 31)。他是個很有名的物理學家,相信很多人都知道他。他最偉大的成就,就是歸納出「運動定律」。當時最為人所知的是「克卜勒定律」。行星依據這個定律在運行,但原因為何呢?人們還無法了解它的機制。然而牛頓解開了它的機制。

物理學家的工作,就是對世間發生的現象,解開它的原因,了解它的機制,並且給予系統化的理由。

我們常常聽到牛頓看到蘋果掉落而發現重力的故事。那個是後人附會的創作,與其說牛頓思考蘋果掉落的原因,倒不如說他想的是「為什麼天空的星星不會掉下來」。而且得出一個非常簡單的結論。那就是:「它們都在動。

我畫一個地球與人造衛星的圖(圖 31)。人造衛星若是靜止,當然會因為重力而墜落地球。但是,只要它保持某種速度,速度(運動能量)與重力(引力)就能維持抗衡狀態,在地球周圍繞行。速度太快的話,會飛向宇宙,速度太慢就會被重力吸引而墜落地球。為了不要掉下來,它必須得卯足全力的保持平衡才行。

而就在牛頓思考為什麼星星不會墜落?為什麼行星繞著太陽周圍轉時,想出了「運動定律」。

星星為何散布在宇宙間?

好,現在開始進入今天的主題。上一回我們介紹了廣義相對論和愛因斯坦方程式(圖 32),大概只讓各位認識「有這麼一個方程式」,但它其實是個計算有多少質量,就會造成空間多大扭曲的方程式。

【P147-圖32】跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞!

以「空間的扭曲」來表現重力,是廣義相對論的新創意,以前牛頓所想到的萬有引力,只說到有重量的物體,彼此會互相吸引。但在廣義相對論裡提到,空間本身會彎曲。所以像光那種沒有質量的物質,也會受到重力的影響。

將愛因斯坦方程式套用在整個宇宙時—雖然他本人也察覺到—當時的人發現了一件事:「這麼說的話……如果置之不理,星星互相拉引,最後豈不是全都凝結在一起了嗎?」

也就是說,如果在只有重力運作的空間,星球彼此會互相吸引,朝著凝結方向演進,而不會像現在這樣散布開來。歸根究柢,為什麼現在的宇宙,物質(星球)會這樣散布,而不是凝結在一起呢?

當然,同樣的質疑在牛頓力學中也成立。萬有引力—意味著所有物體都有引力,因此問題也是相同的。只是,在牛頓的時代,最多只注意到行星運動的程度,還沒有思考到全宇宙的問題。直到愛因斯坦的方程式出現,好不容易宣告「這是決定全宇宙的方程式哦」時,大家才想到:「欸,不太對耶。」

因此,愛因斯坦為了反駁這個論點,加入了「宇宙常數」這一項。因為「宇宙常數」這種排斥的力量,宇宙才能運行。

宇宙常數?

可是這個方程式出現各種問題,最大的問題在於「宇宙常數是什麼」?有些人認為:「宇宙中真的有排斥的力量?怎麼可以把不明的物體放入方程式裡呢?」

而且這個「排斥的力量」必須與「重力」完全保持平衡才行。只有和重力維持平衡狀態,天體才能處在現在的狀態—既不過分擴張,也不過度密合—完美的散布且安定的狀態。就像最前面說的人造衛星運動一樣,必須與重力維持完美的平衡,但「真的有那麼恰到好處的力量嗎?」

根據廣義相對論可以知道,質量會扭曲空間(愛丁頓在日食時做的重力透鏡實驗也證明了這一點),但是,若是如此,就與現在宇宙的狀態出現矛盾……。為解決這個矛盾,千辛萬苦加入了這個「宇宙常數」,結果卻反而招致批評。

後來—今天待會兒會說—世人明瞭宇宙一直在擴張,如果宇宙本身就在擴大的話,就不會發生因為重力互相吸引,聚合到一個點的問題。星球一直在運動,所以形成現在這種散布的狀態。也就是說,很明顯的宇宙常數是多餘的數。愛因斯坦很後悔的說:「這真是我人生最大的失敗……真不該放進這種東西。」連愛因斯坦都會搞錯呢……。

近年來,一般人也都認為,宇宙常數不能用了……但後來又發現並非如此。

從球丟出去到球落下來的幾億年瞬間

證明方程式不需要「宇宙常數」的是愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)。哈伯經由觀測,證明了天體本身在移動—朝著某一方向遠去,也就是說宇宙在膨脹。在地球上,物體通常都會因為重力而落到地面(圖 33 ☜),但是,如果加入速度的話,就有可能反重力的前進(圖 33 ☚)。

【P151-圖33】跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞!

我們都還活在「上升的瞬間」──只不過在宇宙時間中的「瞬間」,卻是數億年。至於為什麼星球並沒有因為重力影響而聚合,而是向遠處移動,因為我們剛好只看到現在這個飛上去的瞬間而已。這是哈伯的看法。

哈伯從哪裡知道星球都在遠離呢? 因為他研究了各個天體的速度。在宇宙中,各個天體是以什麼樣的速度在移動呢?星星的光是在氫氣燃燒變成氦氣時發生的。人們了解了星星燃燒的原理,所以也經由地球上的物理學實驗,了解了星球上發生的光的波長。他們認為星星應該會發出這種波長的光。

但是,觀測這種波長的光會不會到達地球時,實際卻比預測偏移。(圖 34)全體都向著波長較長者偏移了。波長會使光產生不同的顏色,但全體都向紅色的方向(波長較長者=能量低)。

發生了什麼事呢?我們如果用聲音(音的波長)來想想比較容易了解。救護車靠近時,警笛聲會比停車時聽起來音調更高,但遠離時,聲音會漸漸變低。聲音的波長會因耳朵與救護車的相對速度──接近或是遠離──而有變化。因為遠離時,波長會變長,這叫做都卜勒效應

所有星星到達地球的光,會比那些星星原本發出的波長,更向紅色(波長較長)的方向偏移(這叫做「紅移」)。

也就是說,所有的天體都在遠離我們的意思。哈伯經由觀測,證明了這個現象。


0010708410

 

 

你一定聽過黑洞、時間旅行、暗物質、蟲洞、希格斯粒子、空間扭曲、相對論……但你真的「知道」那是什麼嗎?快跟著《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》吧!(本書由 聯經出版

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

聯經出版

聯經出版

聯經出版公司創立於1974年5月4日,是一個綜合性的出版公司,為聯合報系關係企業之一。 三十多年來已經累積了近六千餘種圖書, 範圍包括人文、社會科學、科技以及小說、藝術、傳記、商業、工具書、保健、旅遊、兒童讀物等。