【探索18-1】浴火而生的家園：張中白教授談太陽系的前世今生

■悠遠縹緲的浩瀚星河中，有否我們的定位？宇宙的生成，是否也不知所起？

講師｜中央大學太空及遙測研究中心教授兼主任　張中白
彙整撰文｜沈君宜

●餘溫中見真章：大霹靂理論

對宇宙的好奇，古有屈原<天問>，今有大大小小的科學理論。「大霹靂理論」已廣為世人所知---- 在約莫一百五十億年前，宇宙由一個溫度極高、密度極大的奇異點爆炸後，向外擴張而成。聽起來是如此不可思議；但事實上，大霹靂是科學界十分肯定的理論了。

夜空總是萬千星子灑落在黑色布幕之上，然這個我們習以為常的情景卻頗有不尋常之處。何以白日的天空是一片碧藍，到了晚上卻黑漆漆一片？即便太陽已下山，星月的光芒也該當點亮夜空才是。我們可以把偌大的宇宙想像成有許多房間，星星是房裡的燈泡。若宇宙是無限的，房間便有無限多。即便房裡的燈光微弱，仍然是有「光」的，我們可以看到密密麻麻的星光；但若是僅有限的房間內有燈泡，勢必有一部分房間，遠遠看來是「黑」的。

由此說明宇宙中的星辰數目有限，似乎十分合理；卻從而構成了一個不易解決的「奧伯斯弔詭 (Olber's Paradox)」。星星之所以能在位置上維持穩定，應是星體間相互的萬有引力牽制；若星體有限，勢必有些星星未有更外圍的星體吸引，會因重力塌陷被拉向內。是什麼力量維持它們不向內聚集？「大霹靂以後向外膨脹中的宇宙」便是一解。

科學自是不會空有推論，哈伯望遠鏡提供了證據此說法的證據。已知恆星隨其所含元素不同，光譜中會有不同的「暗線」。哈伯望遠鏡觀測遠近的星光光譜時，發現遠處的光譜暗線會落在頻率比較低的位置，是為一都卜勒效應下的紅移。由此發現，較近的星星退行速度較慢，較遠者反之，為正比關係。退行速度與距離分析後，發現所有星星都在150億年前向外移動，可推測這便是宇宙之初了。

大爆炸時極高的溫度，經過150億年的降溫，已剩下背景輻射的 2.76K。這麼低的溫度乍看不足為奇，卻曾是貝爾實驗室通訊專家量測電磁波訊號時，十分惹人嫌的背景雜訊！

●餘暉中煉仙丹：元素的生成

解決了宇宙的誕生與擴張問題，但大霹靂充其量只是炸開了數不清的原子及其內核子，仍難以解釋現今世上的種種元素與星系組成。大霹靂之初，中子數遠多於質子數，經常甫一形成質量數較大的元素，就因不穩定而衰變成較小的元素了（註一）。大霹靂的產物氫，在中子槍的襲擊下，產生質量數2、3的同位素氘與氚，以及質量數4的氦。再往上呢？自然界中沒有質量數為5的同重素，大霹靂製造的元素也就到此為止了。

改變原子核的組成需要極高的溫度，連大霹靂都未能完成生產諸多元素之任務，僅完成了氫（20%）與氦（80%）。究竟真正的「宇宙煉丹爐」在哪裡？

暗夜中抬頭所見的滿天星斗，便是這些煉丹爐；更精確說，更重的元素來自於恆星。宇宙中遊走的雲氣產生坍縮時，減少的位能轉換成夠大的熱能，核聚變從而產生。核反應中，總體質量減少，依據 E = mc²，轉換成能量。這些能量推動著恆星的膨脹，抵禦著重力的坍縮，維持恆星的體積，並一路燃燒出更重的元素。

恆星坍縮與核聚變持續進行，就能夠無止盡的產生更重的新元素嗎？觀察地球上的元素，會發現以鐵的含量居首。無獨有偶，宇宙中元素從較多的氫氦，其含量隨著原子續增加而遞減，到了「鐵」卻形成另一高峰。事實上，核聚變進行到鐵後，若欲產生新的元素，總質量必須上升才可行，自然就此打住，而恆星則走向驚天動地的爆炸。大霹靂之初的眾多中子，原本已經轉換成質子被封存在元素中，這一爆炸又再度釋放至太空中。重出江湖的中子槍繼續掃射，比鐵還重的元素於焉誕生。當然在此過程中，也會有不穩定元素生成，而後再經Beta衰變回到穩定。

古代被視為異象的蟹狀星雲，其實僅是人類目睹了這些過程；恆星的爆炸亦非少見。而恆星的溫度確實夠高，足以讓此理論成真。電腦模擬爆炸時產生的元素，與實際偵測吸收暗線的證據兩相對照，也支持恆星是宇宙煉丹爐的說法。進一步來說，太陽光的吸收暗線，與模擬結果亦吻合。而地球與其餘的行星，也是由這些核反應的餘燼所組成的。

然而，相較於宇宙形成與元素生成的理論的備受肯定，太陽系的生成就眾說紛紜、莫衷一是了。其中一種說法認為，「太陽風」將元素依據輕重吹到不同的距離，從而在較近之處形成類地行星，較遠處形成類木行星。可惜的是，此一說與角動量守恆原理相互牴觸，至今未解。

●餘燼中成山河：地球的誕生

至於人類賴以為生的地球，自然不乏詢問其貴庚者。聖經主張的四千年，在地質學發展後很快被推翻了。提出「現在是通往過去的一把鑰匙」的地質學之父赫登，便認為以當今地球眾生相的複雜程度，決不可能在短短千年的尺度下竣工。克耳文爵士藉由地球冷卻速度與現在溫度，推算出地球的誕生起碼有四千萬年。此一發表與演化學之父達爾文所推算的生物演化歷史大有牴觸；然礙於皇家科學院的權威，異議科學家們也不敢大鳴大放。

「四千萬年」的說法獨霸多年，直到岩石定年法的應用，才終於翻案成功。放射性元素會由不穩定的母元素衰變為穩定的子元素時，同時放出射線，此衰變過程需要「時間」。分析石頭中母元素與子元素的比例，便可得知其年歲。科學家興匆匆的找了塊石頭試試，赫然發現它已存在了五億年之久！隨手一試竟打破了克耳文爵士的推測，想必地球的年紀不容小覷了。

然而，使用地球本身的岩石會產生一個問題，亦即原生石頭經由火山運動的不斷輪迴更新。科學家的腦筋動到了「被封存的時間」隕石之上---- 它們來自小行星帶，未能躋身行星之列，其中體積大者可行熔融作用，小者則不再變化。他們發現所找到的隕石中，最老的都指向一個相似的數字---- 45.6億年。

隕石的貢獻尚不止於此，其成分也有助我們對地球成分的了解。好比在生日會上猜測禮物盒裡的內容物，我們通常會看看盒子的體積、惦惦重量，輕而大的可能是布娃娃，重而小的可能是鐵製品例如無敵鐵金剛。隕石就猶如娃娃或金剛的碎片，讓我們以部分猜測整體。

事實上，只有特定類型的隕石可以代表太陽系元素的概況。一般而言，混合成分的石頭被加熱後會分層，輕的物質在外層、重的在核心；其中的石質球粒隕石，加熱的溫度不足，物質仍是混合狀態，較能代表原始物質組成。更進一步而言，石質中的「碳質球粒隕石」，最高溫度不超過攝氏400度，揮發性成分的保留亦十分完整，有助猜測地球的組成。再搭配由衛星、行星公轉週期所計算出的地球比重（註二），猜測便更為精準。由此，地球為核心的地核與外部的地函組成的理論，算是確立了。

那供生物居住的「地殼」或「岩石圈」呢？簡單來說，冷卻凝固的外層物質會初步形成板塊。炙熱的地函依然洶湧著，帶動表層板塊的張裂或聚合。由裂隙中生成新的板塊，另一端則隱沒舊的板塊，地表的體積大致維持一致。海洋地殼係依照鮑林提出之冷卻過程的「岩漿分異作用」形成---- 較小半徑的元素（如金屬元素）冷卻過程中容易與他人結合，大半徑元素結晶時卻需要更複雜的作用，因而留在岩漿中較久；後者因而被稱為「親岩漿元素」，直到接近地表才結晶，形成海洋地殼。

大陸地殼就更玄妙了。在板塊隱沒端實際上暗潮洶湧---- 一部分地表的冷物質快速隱沒，至幾百公里處時碰到溫度高的地函，簡直油炸冰塊一樣乾柴烈火，發生了爆炸而噴上地表，形成大陸底殼。在形成後，他們因材料輕，即使將來板塊碰撞時，也會被「刮」起至地表，而不隱沒。至於大陸地殼從何時開始累積呢？以標準大半徑元素「鉀」的含量看來，大陸地殼鉀含量是海洋地殼的十倍，表示隱沒了十份的海洋地殼，方才形成一份大陸地殼；以厚度與地表面積算來，兩者體積大約是3:1 （大陸地殼：海洋地殼）。綜合看來，地球已隱沒了三十份海洋地殼。以速率來說，平均1.5億年可以隱沒一份海洋地殼，表示此一過程由45億年前便已悄然開始！（註三）

以人類之有限，欲探究億年來的太陽系歷史，自是挑戰性十足。其中仍多有未解之謎，比如與地函成分類似的月球，是否是由地球經過驚人而暴力的過程「分家」的呢？太陽系家族中的成員各懷祕密，一而再地考驗著人類的腦力與好奇心。

 

註一：我們先檢視現今所存在的一百多種元素，他們穩定與否的關鍵在於原子核中的質子與中子比例。原子序較小的元素中，兩者的比值約為1:1；隨著原子序上升，帶正電的質子數目變多，便需要更多的中子來維持穩定，質子與中子的比值趨近1:1.5。由於這個穩定原子核的作用，亦有「中子膠」的說法。質子數相同的原子稱為「同位素」，中子數相同稱「同中素」，質量數（中子數加質子數）相同者，則稱作「同重素」。

註二：地球的比重可以由衛星繞行星、行星繞恆星的週期長度推測之。

註三：並沒有所謂「海板塊」或「陸板塊」，綜觀地球上各大板塊，大部份都是海洋地殼上綴有大陸地殼，僅太平洋板塊與菲律賓海板塊是沒有大陸地殼的。

--
本文整理自：106/10/21由張中白老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「太陽系的前世今生」演講內容。