宇宙為何非得從大霹靂開始不可?

哈伯在1929年的驚天一劃,開啟了宇宙模型的戰國年代,其中又以大霹靂模型和穩態宇宙模型之間的爭執最受人矚目。我們簡單回顧從1929年至1965年間宇宙學的發展,介紹宇宙微波背景的性質,以理解宇宙為何非得從大霹靂開始不可的原因。

撰文:高英哲
 
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。
 
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。

 

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日期: 2017.11.14(二) 主題: 宇宙的故事 講題: 宇宙為何非得從大霹靂開始不可? 地點: 臺灣大學思亮館國際會議廳