大霹靂---宇宙創生
演講者: 林豐仁教授 11-14-2012
一 . 大霹靂
20 世紀物理界有三個理論與今天主題大霹靂有關連:
*1905年 艾恩思坦由於累積過去科學家的種種觀察 做出特殊相對論之理論差異性是過去一般的認知 : 時間與空間是各自獨立存在的 , 而此理論將兩者連結為互有關係 , 也由此導出能量與質量是可以互通的。
*1915年 他又發表廣義相對論 : 發現空間不是靜態的 , 空間中質量與能量的密度會影響空間的變化。
*量子力學的理論 艾氏也有參與 , 他有部份的貢獻 , 此理論最大的發現是不確定原理 : 與過去牛頓力學 理論 強的因果關係不同 , 此理論導出機遇率的觀念 , 也就是一個因導出的果是由機遇率的分布所決定 , 此點所代表的哲學是艾氏所不認同的 。
根據艾氏的廣義相對論 , 所預測的宇宙是會擴張的 , 但1920年他到一天文台參訪 , 天文學家告訴他 : 宇宙是靜態的 , 銀河系是宇宙的全部 , 因此他做了加上排斥力作用的修正項 。
1924年天文物理學家哈伯觀察天象時 , 發現有較為昏暗的光團 , 應該是其他的星系 。作研究後發現了 數千個星系 ; 所有的星系都在飛離地球 , 飛離的速度與距離成正比 。 這樣的觀察從其他的星球看也是 一樣 , 就有如當氣球擴張時佈滿氣球上的點 , 由任何一點看另一點都在遠離中 , 而其速度與距離是成 正比的 。 此現象於在1929年發表 被稱為哈伯定理(Hubble’s Law) ! 根據此原理這些遠離的星系若反向 推回終極原點（就像讓氣球縮回最小點 ,所有的點都集中了）推算下來距今已有137.5億年 , 可能就是宇宙 的起源 也就是所謂的大霹靂 !
1931年比利時的神父也是物理學家 , 根據上述理論 發表一學說: 即宇宙的開始是所有的能量集中於原始原子 擴張而來 。他應是大霹靂說法的始祖。
於十三世紀初一位猶太的拉比也是解經家解說創世紀時謂 : 宇宙是由如芥菜種子般大小擴張而成 , 他又主張 原始物質與後來演化為生活上所經歷的物質是不同的 。1948年英國的科學家主張宇宙是穩態的 , 相信宇宙 擴張時會有新的星系補足, 使宇宙在不同時間點看都是一樣的 。但同年蘇聯的物理學家相信若大霹靂理論是對 的話 , 將可測到絕對溫度5度的殘留微波背景輻射。1950年時英國的那位科學家在電台訪談中以揶揄的口吻 回答宇宙創生理論時說: 你所提的可是那 Big Bang (大霹靂) 嗎 ? 從此大霹靂被正名了!!
1965 年貝爾公司的兩位科學家意外的發現惱人的雜訊 , 經分析發現竟是絕對溫度2.7度的微波背景輻射 , 而 成為大霹靂的一項佐證 。這也終止了十多年來的許多辯論 ,大霹靂因此被接受了!
當2001年911發生時飛機撞上時大樓仍挺立 , 接下來汽油燃燒的高溫使整棟樓的鋼筋質變而完全的垮下來 ! 可見高溫所產生的變化何其大 ! 同理溫度不斷的升高將使冰--水--水氣--氫與氧原子的分離--原子中的電子 被游離（也就是說高溫所產生的能量力道高過正負電荷之間的電磁力 並將之以分離）-- 以此類推原子核中 被強作用力所束腹的質子與中子也會分離。因此當了解溫度與物質間的關係後 , 可以幫助我們從大霹靂的 起始點出發 , 去看宇宙如何形成 。
*絕對溫度10的32次方（1的後面有32個零的高溫）是137.5億年前被估計的起始點之溫度 , 解釋極早期宇宙的 理論都屬於臆測 。解釋早期的理論也尚不完備。
*溫度降到10的13次方（10萬億度 K ) 後能量已經可以轉換為穩定的質子、中子、電子。
*起始點後1秒到3分鐘時溫度降到10的9次方（10億度K）此時的溫度與質量密度足以使強作用力發生作用而有了 核合成的開始（核融合）。兩質子與兩中子融合成氦核 , 由於前後的質量差可以釋放出能量 , 也就是星體發 光的能量來源 。經過此段時期的合成後 , 氫核與氦核的豐存度質量比約為75% : 25% , 除此外也有少許的 輕元素就是氫同位素與氦同位素以及鋰 , 而較重的元素則是在星球中合成 (此預測值在早期形成的星體中 得到證實 , 也就成為大霹靂理論的另一佐證) 。
*當溫度繼續下降到3000K時也就是距起始點38萬年以後 , 此時的溫度足以使電磁力發生作用 , 將電子與核 結合成中性原子 , 而促成光線的自由行走（因光線原先被游離的正負粒子所束縛 , 原子成為中性後光就可以 自由離開 , 這些光又因宇宙的擴張以致我們能觀察到時已減弱成微波背景輻射）
*100百萬年後第一顆星星形成。
*600百萬年後第一個星系形成。 最近天文學者透過望遠鏡觀察到130億年前形成較不明亮的最古老星團, 並觀察到逐漸形成的星系這也 可佐證大霹靂演化的過程。
*91億年後太陽系形成 , 當星星經過核融合的進行可發光數十億年或更久 , 我們所熟知的太陽已發光45億年 還有45億年的壽命。
二 . 宇宙之謎
*1930年代發現我們所熟悉的明亮物質（凡是由原子或分子的組成物）的存在不足以解釋星體與星系間的運動, 這些必須存在的將之稱為黑物質（人類了解很少的物質以“黑”來代表 , 目前只知道它與明亮物質間有重力作用 的關係）。
*以前認為宇宙擴張的速度應該逐漸減速 然而1990年代卻發現有加速的現象,為解釋此現象宇宙間必須有“黑能量” 的存在 。 此黑能量與艾氏廣義相對論的修正項之宇宙常數有關 。
*明亮物質 : 黑物質 : 黑能量 此三者之間的百分比為 4% : 22% : 74% 這樣的比例就能了解人類所知的匱乏 及理論的不完備。
三 . 宇宙的終局
最遲一兆年或一百兆年後星星及星系不再形成 ,又空間不斷擴張使溫度不停的下降 , 而漸趨於絕對溫度“零 “ , 此現象稱大寒凍（Big Freeze)。宇宙繼續加速擴張可能導致大拆離（Big Rip) 。除此外當然還有其他終極理論的預測。 記錄: 吳瑞惠。
