【人物專訪】從觀測看相對論,從相對論看宇宙演變——訪張慈錦老師

●11/14 張慈錦老師主講:「夜晚的天空為何是黑的?─從靜態宇宙到動態宇宙」點此報名

_MG_4739撰文|高英哲
攝影|黃道佐

張慈錦老師很早就對物理學很有興趣,開始接觸物理學之後,又覺得天文學很好玩,就自然而然地往這個方向一門深入。宇宙如何誕生?又會如何演化?我們在這樣的宇宙中,要扮演什麼樣的角色?這些似乎有點哲學性的問題,宇宙學可以提供我們一個有趣的理解跟思考方向。

我們在中研院的網站上,可以看到張老師的研究專長是:宇宙的再游離、重力透鏡、大尺度宇宙結構。這三個聽起來很陌生的名詞,它們的概念其實並不是那麼難以理解:宇宙的再游離跟宇宙形成很有關係,宇宙當初主要是由中性的氫原子構成,在大霹靂時受到紫外線的光子影響,而大多呈現離子化,後來隨著宇宙逐漸冷卻,質子與電子重新結合,使氫離子大多回復為中性的原子,直到恆星跟行星形成時又再度游離;對這個過程多加了解,有助於我們認識類星體跟黑洞如何形成。重力透鏡是廣義相對論的一個預測,因為時空是被質能決定的,若是有一個像是黑洞之類的重力來源,就會使得附近的時空產生扭曲;從觀測的角度看起來,就會很像是一個透鏡所產生的效果。大尺度宇宙結構則是指相對於星系甚至星系團這些小尺度而言,整個宇宙的大尺度結構是什麼情形;這個結構範圍以重力效應大致上維持線性關係為準,若是局部區域出現像星系團這類比較複雜的結構時,重力效應就會變成非線性,就需要比較複雜的數學來進行計算。

這些都是屬於宇宙學的研究領域,而宇宙學可以回答我們這次演講題目中,「夜晚的天空為何是黑的」這麼樣一個看似理所當然,其實背後還頗有學問的問題。愛因斯坦當初提出廣義相對論時,他認為宇宙是靜態且無限的,但是廣義相對論的方程式卻會得到一個動態宇宙的結果,因此他在方程式中加入一個所謂的愛因斯坦常數,使其能夠有靜態宇宙的解。問題是後來有很多觀測結果顯示並非如此,比方說哈伯從星系紅移現象發現,宇宙裡的各個星體不但在離我們遠去,離去的速度還愈來愈快,顯示宇宙是處於一個動態改變的狀況。

事實上你並不需要透過星系紅移現象這麼專業的觀測結果,才能對愛因斯坦起初相信的靜態宇宙觀提出質疑,只要指一指夜晚的天空就成了:如果宇宙真的是靜態且無限的,那麼我們所見到的星光,應該要是所有的光「積分」起來,呈現出一個非常明亮的結果,然而眼下我們所見的夜空卻並非如此。這就是宇宙學透過觀測結果,回頭使偉大的理論更加完備的例證。愛因斯坦是一個樂於擁抱真理勝於自傲的人,他看到了動態宇宙的觀測證據之後,很乾脆地放棄了愛因斯坦常數,並認為這是他「一生中最大的錯誤」;不過有趣的到了 1998 年,天文學家又發現愛因斯坦常數其實可以拿來解釋宇宙加速膨脹的現象,並不像愛因斯坦所想的是那麼巨大的一個錯誤。這次的講座就會從觀測的角度出發,帶領大家來驗證廣義相對論。

張老師在採訪中,提到一個特別有趣的觀點:就宇宙學的時空觀念來說,我們人類所在的地球,就空間上來說並不是在有任何特別之處的地方,但是在時間上來說,卻是在一個非常巧妙的時間點,既不是在大霹靂形成宇宙之初,也不是在暗能量影響力無遠弗屆,使得宇宙顯得一片死寂的遙遠未來。廣義相對論是理論學家利用宇宙中的質能分佈,鋪陳時空變化的一種方式;某種程度來說,廣義相對論不但描述了宇宙過去的演化歷程,也預測了宇宙未來的命運。人類在這個時間點,正是用天文觀測認識繽紛宇宙,進而思索自己在宇宙中定位的絕佳時機。

●11/14 張慈錦老師主講:「夜晚的天空為何是黑的?─從靜態宇宙到動態宇宙」點此報名!

 

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2 thoughts on “【人物專訪】從觀測看相對論,從相對論看宇宙演變——訪張慈錦老師

  • 2015 年 11 月 04 日 at 14:10:40
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    愛因斯坦的宇宙常數,也許可以這麼理解:
    最初,它被賦予的任務是(重力性質的)『阻止擴張』
    繼而,由於(擴張中)動態宇宙的證實,它被拿掉了
    現在(1990年代之後),由於加速膨脹的發現,宇宙常數復活了,只是,這次它被賦宇(反重力性質的)『加速擴張』

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  • 2017 年 03 月 06 日 at 00:15:03
    Permalink

    夜晚的天空為什麼是黑的?回答這個問題要先明確觀看者是人類還是貓頭鷹。人類看到的夜晚在貓頭鷹的眼裡是白天。這說明天空之夜晚的黑暗或白天的白亮與作為觀看者的人類這個結構的物種有關。我贊同愛因斯坦認為的“自然的本質不應隨著我們是否在觀察它而改變”,問題是我們觀察到的是否是自然的本質。觀察物體有三個基本因素-觀察者、被觀察物和光。人類看到物體或物體在人腦中成像需時零點幾秒。腦中成像之前,我們是看不見物體的。現在把看物體的過程細分一下,光線(載波)打在物體上,物體的信息搭上載波(光)進入觀察者的眼睛,人體內對進來的信號進行解調(即將物體信息與載波分離)、再經分析(在此之前,我們還沒看見物體呢),最後在腦中成像。成像的瞬間就是我們看到物體的時刻。成像前,我們既看不見物體的信息也看不見宇宙射線(光或載波),這個“看不見”的意思是沒物體沒影像沒顏色沒有亮。白天由于大气层折射的太阳射线(俗称太阳光)进入我们的眼睛,最後在我们的大脑里成像或“觉”出天空是亮(藍色)的影像來。如果去掉地球周围的大气层,即使白天的天空也是黑的(可以在月球上得到證明),因为不反光不折射光不发光的天空没有任何的信息进入我们的大脑來成像。晚上就更不用说了,连太阳射线都被挡住了,星星和月亮反射的射线强度虽然根太阳没法比,但还是经大气层折射了些进入我们的眼睛,最後在大腦裡呈現出微弱的亮來,使得我们不至于有伸手不见五指的感觉。如果连星星和月光都被乌云挡住了(再没有灯),那就真的伸手不见五指了,因為缺少了載波。
    再进一步讲,太阳是恒星,白天的天空上也有很多其它恒星,因为根太阳比起来离地球太远,到地球时其射线强度已经衰减了很多,所以白天我们只能看到太阳射线,而到了晚上,太阳的射线被挡住了,远处的恒星才显露出来。所以说白天和晚上的区别在于白天的宇宙射线强于晚上的,但是射线(或光)根亮没有直接的关系。因此说真实的世界白天和晚上其实都是黑的,之所以我们能感觉出白天和晚上的不一样,是因为我们的人体结构把较强的宇宙射线在我们的大脑里给“覺”出来亮而把較弱的宇宙射線給“覺”出來暗的结果,如果换成猫头鹰的结构,很像黑白照片的底片,白的(宇宙射线强的)它给“觉”出黑(暗)的,黑的(宇宙射线弱的)它给“觉”出白(亮)的,蝙蝠的结构“觉”出的都是黑(暗)的。所以说,是白是黑取决于生物体(观察者)的结构。
    學生想到了一個實驗,如果把一個人放進一間全封閉的大屋子裡(沒有任何光線),這個人應該看不见任何東西(沒有光作為載波)和不知道東西南北(没有参照物),也不敢邁步,怕磕碰到任何東西,這時他失去了空間感;同樣如果問他現在是白天還是晚上,回答一定是不知道,因為他失去了時間感。現在我們讓他出到外面來,他看到一條小路,兩邊種著一排排的樹木,他馬上自如地沿著小路走而不會撞向樹木,他有了空間感;同時他看了看天,初步判斷出現在大概是白天早晨上午中午下午晚上半夜凌晨等,他有了時間感。所以說時間和空間不是客觀存在的,而是作为观察者的我們主觀的產物。这个实验也证明了前面的有关我们看到的一切影像都产生在我们人类这个物种结构的大脑里的推论。
    深一步讲,我们以往学到的对宇宙的认知绝大部分的是在我们人类这个结构的物种的大脑里产生的宇宙-我们叫它人类的宇宙观。那么推论是宇宙万物都有各自的宇宙观。这里应该包括目前受到各种限制的人类还不了解或不清楚或不知道的一切生物的(例如阴界的灵的、外星生物等的)宇宙观。所以说真实的宇宙应该是宇宙万物的宇宙观之集大成。
    所以,人类的宇宙观绝不能代表也绝不是真实的宇宙。如果我们认为是,那么我们在探索宇宙的过程中就会遇到矛盾或问题。这是一个全新的视角。

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