沒有昨日的宇宙-勒梅特與現代宇宙學

對於被喻為「大霹靂之父」的勒梅特 (Georges Lemaître) ,有人說他「計算正確無誤,但物理卻糟糕透頂」,有人說他的研究「是我所聽過關於宇宙創生,最優美且令人滿意的解釋」——這兩個極端的評語,都是來自於愛因斯坦。他如何讓上個世紀最偉大的科學家刮目相看,奠定現代宇宙學的基礎?

撰文:高英哲

在愛因斯坦於 1917 年提出廣義相對論之前,宇宙學與其說是科學,不如說是一門介於哲學與神學之間的「清談」,根本上就缺乏一種相對客觀的數學或物理研究方法。愛因斯坦的廣義相對論場方程式,把物質跟空間的關係串連起來,可以用兩句白話來說明:物質告訴空間如何扭曲,而空間告訴物質如何運動。不過由於愛因斯坦信仰的,是一個遵循哥白尼原理,有界無限、靜態封閉的球面宇宙,而他用廣義相對論計算出來的宇宙,卻不是一個穩定態,因此他自己加進一個「宇宙學常數」,使方程式能夠產生靜態宇宙的解。

愛因斯坦的靜態宇宙解,很快就有人跑出來打對台。荷蘭天文學家德希特 (Willem de Sitter) 提出他對廣義相對論的解,裡頭就沒有物質跟正值的宇宙學常數。在「德希特空間」裡,空宇宙會擴張,從而產生相對論性的都卜勒效應;斯里弗 (Vesto Slipher) 觀測星系發現的紅移現象,也證實了這點。然而由於德希特跟愛因斯坦一樣,相信宇宙是靜態的,因此他對於自己所提出廣義相對論的解,後續發展搞錯了方向;此外他也設錯了座標軸,導致模型違反宇宙學去中心化,空間中任何一點皆等價,時間流動速率皆相等的原理。

勒梅特針對德希特空間的缺失進行修正,他在 1927 年提出的宇宙模型,藉由重新選擇座標軸,產生了兩個效應:首先是重力場不再是靜態的,所以可以解釋斯里弗觀測到的星系紅移現象;再者就是他的三維空間可以滿足二維的歐幾里德幾何,這點是愛因斯坦跟德希特的靜態宇宙模型做不到的。更重要的是,勒梅特的模型導出了哈伯定律,甚至還根據觀測結果,算出了哈伯常數,為宇宙膨脹理論奠定了基礎。

勒梅特的宇宙膨脹模型,跟當時幾位大科學家原本信仰的靜態宇宙南轅北轍;他們消化了勒梅特無懈可擊的數學推論之後,開始接納宇宙膨脹模型。不過勒梅特在 1927 年,原本用法文發表的論文,在 1931 年由英國皇家學會翻譯成英文時,卻沒有看到計算哈伯常數的那一部份。由於哈伯把研究成果攬在自己身上是出了名的,始終有人懷疑晚了勒梅特兩年才導出哈伯常數,並且當時並不認為自己觀測到宇宙膨脹證據的哈伯,是把勒梅特的論文「和諧」掉的幕後黑手。

勒梅特在 1931 年再度發表論文,進一步提出宇宙有個「太古原子」開端的想法,這是現今做為宇宙學基礎的大霹靂理論濫觴。勒梅特著實是對現代宇宙學有舉足輕重影響的重要人物,然而在教科書上,我們卻鮮少聽到他的名號。他可真是一位「被遺忘的宇宙學家」呀!

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日期: 2016/11/29(二) 講師頭銜: 臺灣師範大學物理學系助理教授 主題: 哈伯的故事 講題: 沒有昨日的宇宙-勒梅特與現代宇宙學 地點: 臺大思亮館國際會議廳 活動照片: 當天講座花絮