【科學史沙龍】宇宙為何非得從大霹靂開始不可？

■從 1929 年哈伯開啟宇宙模型的論戰，到了 1963 年，宇宙學大概只有 2.5 件事情是確定的：夜空是黑的，星系彼此之間互相遠離，以及宇宙的成分「可能」會隨著時間過去而有所變化。本講次介紹這數十年間宇宙學的發展，釐清宇宙為何非得從大霹靂開始不可的原因。

講師｜臺灣師範大學物理學系副教授 李沃龍
整理撰文｜高英哲

最早提出大霹靂概念的，是比利時宇宙學家勒梅特 (Georges Lemaître) ，他在 1927 年提出宇宙膨脹模型，把宇宙半徑設為時間函數，空間中任一點的時間，均以相同的速率流動。他甚至在論文中推算出哈伯常數，比哈伯本人在 1929 年提出哈伯定律還早了兩年；不過勒梅特對於學術名位，不像哈伯看得那麼重，他在 1931 年把論文翻譯成英文，重新於英國皇家天文學會會刊發表時，自己把哈伯常數的那部分拿掉了。倘若易位而處，哈伯想必會力爭說「是我先算出來的」吧！

勒梅特在 1931 年重新發表論文時，進一步提出了「太古原子」的想法，認為宇宙是一個質量極大的太古原子爆炸而成的產物。這個碰觸到宇宙開端問題的想法，在當時被認為不屬於科學領域，而比較接近神學，因此科學家幾乎都不願意認真看待。在 1948 年提出穩態宇宙理論的霍伊爾 (Fred Hoyle) ，就非常不喜歡大霹靂理論，因為他無法接受膨脹宇宙裡的自然定律，會隨著時間而產生變化的概念。不過穩態宇宙理論並不是說宇宙是靜態的，而是認為宇宙在膨脹的同時，也不斷在生成新的物質，因此宇宙的密度在動態中，仍然可以大致保持恆定。穩態宇宙理論有個符合完美宇宙學原理的架構，因此起初獲得不少物理學家支持；不過隨著 1960 年代之後，有愈來愈多的天文學觀測證據，顯示宇宙仍然在變動當中，穩態宇宙理論逐漸站不住腳。

真正為大霹靂理論建立起模型的，是移居美國的俄羅斯科學家伽莫夫 (George Gamow) 。他認為「碳氮氧循環」雖然可以解釋恆星把氫轉成氦的過程，然而碳氮氧這些比較重的元素，卻不知來自何處，因此他以勒梅特的太古原子概念為基礎，認為比較重的元素，是由中子構成的太古原子，在爆炸時釋放出的質子與電子，在超緻密的環境下融合形成的。雖然我們如今知道碳氮氧這些重元素並非大霹靂的產物，然而伽莫夫這個錯誤的假設，卻導出了正確的結果，也就是他跟兩個學生阿爾菲 (Ralph Asher Alpher) 與赫爾曼 (Robert Herman) ，在 1940 年代共同提出的熱大爆炸宇宙學模型——宇宙初始處於極為高溫的狀態，隨著宇宙膨脹，溫度逐漸下降，形成了現在的星系等天體。

伽莫夫等人在提出熱大爆炸宇宙學模型時，也根據計算結果，預言了宇宙微波背景輻射的存在。後來在 1964 年，美國電波天文學家彭齊亞斯 (Arno Penzias) 跟威爾遜 (Robert Wilson) 在偶然的情況下，透過觀測證實了宇宙微波背景輻射的存在，他們也因此獲頒 1978 年的諾貝爾物理學獎。雖然勒梅特跟伽莫夫在這之前皆已逝世，因此沒有得到諾貝爾獎，然而他們率先提出大霹靂理論，為宇宙學發展奠定基礎的功績，受到後世的追認肯定。