隨想 物理

科學、紅移、微波、星系、原子和大爆炸

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撰文者:余海峯 博士
發文日期:2017-08-01
點閱次數:1524
  • 「宇宙大爆炸」這個名字,可說是有史以來起得最差的。看來,在幫科學理論起名字方面,我們需要的不是科學家,而是有科學素養的文學或藝術家。

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    科學

    大爆炸理論,可能是有史以來最多人以為「只是理論」的一個科學理論。噢,不對,經過量子傳心地平自然順勢反疫苗月球中空新時代問米外星陰謀論等等之後,任何科學理論都已被說成「權威」、「陰謀」、「謊言」,只不過宇宙大爆炸理論和自然汰擇演化論比較首當其衝。
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    (This photo is under the CC0 / Public Domain License)
     
    「只是理論」四個字看似客觀陳述,但其實是對科學方法的誤解或無知。在科學中,「理論」和「定律」是同義詞。「理論」不一定全錯,「定律」也不一定全對。重要的是我們要知道新舊理論/定律的差異在哪裡、有多大?例如牛頓萬有引力「定律」也並非全對,但其與愛因斯坦廣義相對「論」的差異小得可以忽略,可是我卻從未聽過有人聲稱牛頓是錯的所以就去跳樓。

    科學理論是有實驗、觀察證據支持的科學假設,是以嚴謹的邏輯和數學客觀地描述大自然。科學可貴之處,當然在於其可證偽性。不過,科學理論並非絕對正確並不代表任何其他理論都能享有同等地位。只考慮一切可能性,卻把證據拋諸腦後,並非客觀。真正的客觀,是在考慮一切可能性以及所有已知證據之後,把不符合實驗和觀察的可能性通通排除。這才是科學精神,如果有人硬要說這是什麼「權威」,我也沒有辦法,或者他們可以試試到另一個合他們心意的宇宙去生活。

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    紅移

    為什麼宇宙大爆炸是個已被驗證了的科學理論?當然不是口講無憑。大爆炸理論是比利時宇宙學家喬治.勒梅特神父(Georges Henri Joseph Édouard Lemaître,1894-1966) 在1927 年提出的,他在第一次世界大戰時擔任過炮兵,他的各個職業和大爆炸理論確實相映成趣。但其實「大爆炸」並不是他起的,而是其他不相信大爆炸理論的科學家的戲稱,沒想到這就成為了正式名字,想改也改不回來了。

    博士



    宇宙大爆炸真正發生過的第一個證據,來自所謂的宇宙紅移現象。向我們駛來的救護車的警號聽起來頻率較高(藍),駛離我們的救護車的警號聽起來頻率較低(紅),叫做『都普勒效應』。宇宙紅移其實是相同的效應。







    1929 年,愛德溫‧哈勃(Edwin Powell Hubble,1889-1953) 透過測量遠離銀河系的星系的紅移數值,發現它們都在後退,而且星系離地球越遠,其後退速率就越快。
    這結果表示,如果宇宙是一套電影,我們把星系後退的畫面回帶的話,它們就會互相越來越接近。一直回帶的話,在從前某個時間點上,所有星系都會聚在一起、在一個點上。這個點,宇宙學家稱之為奇點,在數學上有著等於零的尺度和無限的密度。

    宇宙從奇點產生,膨脹成現在的樣子,觀測證據顯示更會永遠膨脹下去。根本沒有東西爆炸,因為產生宇宙的一刻,時空尚未存在。這就是為什麼我說這是個起得差的名字。

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    微波

    哈勃發現的宇宙膨脹並非宇宙大爆炸的唯一證據,微波亦並非只用來丁波仔飯盒。如果宇宙真的由無限的密度的奇點產生,那麼早期宇宙的溫度必定非常高。想像宇宙是一個氣球,你把氣球擠壓,空氣粒子的平均動能就會增加,溫度就升高了。在這麼熱的宇宙中,高能量輻射四處皆是,然而物質亦存在。原子會與輻射交互作用,吸收輻射並離子化,使輻射不能逃逸。直到宇宙膨脹到一個大小,溫度下降至電子再次與原子核結合成電中性的原子,輻射才能逃逸。

    這些逃逸的輻射,經過了138 億年的宇宙膨脹,其頻率變得非常低,進入了微波波段。這就是我們聽過的宇宙微波背景輻射。1989 年升空的宇宙背景探測者(COBE, COsmic Background Explorer) 、2001 年升空的威爾金森微波各向異性探測器(WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 和2009 年升空的普朗克衛星(Planck Mission) 都越來越精確地測量了宇宙各個方向的宇宙微波背景輻射,發現其與宇宙大爆炸理論計算結果非常吻合,是為大爆炸發生過的另一有力證據。

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    星系
    宇宙大爆炸發生過的第三種證據,在於天文學家發展出越來越精良的天文望遠鏡,能夠越來越精確地測量宇宙中幾千億個星系的三維方位。這就好像是一幅宇宙的立體地圖,顯示出任何已知星系在銀河系的哪個方向、有多遙遠。在這幅地圖上,我們發現宇宙中的星系大多都聚在一起,成為一個個所謂的超星系團結構,之間有相對少量物質相連,但超星系團結構之間大多都是連一個星系也沒有的所謂「大空洞」。

    要解釋這幅四維地圖,需要用上超級電腦以平行運算夜以繼日地進行宇宙模型的電腦模擬計算。2005 年,位於德國加興的馬克斯・普朗克天體物理研究所(Max Planck Institute for Astrophysics, Garching, Germany) 的Volker Springel 、Simon White 與其研究團隊等人,於《自然》期刊發表了宇宙誕生以來演化的電腦模擬計算結果。結果顯示,由大爆炸演化而來的宇宙的確會形成超星系團和大空洞結構。這個著名的電腦模擬,稱為千禧模擬計劃。

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    原子
    就在今年,天文學家發現了宇宙大爆炸發生過的第四種有力證據。宇宙誕生時的能量會產生出各種基本粒子。其中質子(即是氫)和中子會結合成氫的同位素氘(又叫重氫)、氦的同位素氦-3 和氦-4 ,還有少量的鋰-7 。根據宇宙大爆炸理論計算,宇宙誕生早期大部分都是氫、約23.8 到24.8 %是氦、0.00246% 是氘。

    Signe Riemer-Sørensen 和Espen Sem Jenssen今年5 月發表了一篇預印論文。根據他們的觀察,早期氘相對氫的比例是0.00255% ,誤差0.00006% 。結合所有其他十幾份研究數據,觀測結果是0.00253% 、誤差0.00016% 。論文如能通過同儕審查,將成為宇宙大爆炸的第四次(計算每個獨立研究的話遠不止四次)驗證。

    宇宙學家考慮過其他可能性以及所有已知證據之後,把不符合以上觀察的可能性通通排除了,剩下的就是宇宙大爆炸理論。任何其他理論必須能夠同時解釋以上所有證據,才有機會動搖大爆炸理論的地位。科學解釋,並非任何人口講可能,而是切實的數學計算。這就是所謂的科學方法,考慮過了、排除過了,才叫客觀。


    註:
    Springel et al. 的研究結果介紹,更有電腦模擬影片:《The Millennium Simulation Project
    Signe Riemer-Sørensen 和Espen Sem Jenssen 的預印論文:《Nucleosynthesis Predictions and High-Precision Deuterium Measurements


    本文感謝立場新聞同意轉載,原文刊載於:https://www.thestandnews.com/cosmos/科學-紅移-微波-星系-原子和大爆炸/
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