小人物狂想曲

宇宙背景輻射



現今流行的有關宇宙形成的學說，稱為霹靂說（The Big Bang Theory）。宇宙大約誕生於一百三十億年前，由一團密度極大且溫度極高的火球爆炸後生成，之後宇宙往外持續膨脹，溫度逐漸降低。



到了今天，宇宙充滿殘存的熱輻射，相當於溫度約為2.7 K的黑體，其峰值強度所對應的波長落在毫米的微波區域，稱為宇宙背景輻射（cosmic background radiation）。



1964年，兩位美國無線電天文學家彭齊亞斯（Arno Penzias, 1933-）和威耳遜（Robert Wilson, 1936-）意外地發現了宇宙背景輻射的存在，但是他們所測得的數據不夠完整。







大爆炸理論：



觀點：



大爆炸理論是關於宇宙形成的最有影響的一種學說，英文說法爲Big Bang，也稱爲大爆炸宇宙論。大爆炸理論誕生於20世紀20年代，在40年代得到補充和發展，但一直寂寂無聞。直到50年代，人們才開始廣泛注意這個理論。



　　大爆炸理論的主要觀點是認爲我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期裏，宇宙體系並不是靜止的，而是在不斷地膨脹，使物質密度從密到稀地演化。這一從熱到冷、從密到稀的過程如同一次規模巨大的爆發。根據大爆炸宇宙學的觀點，大爆炸的整個過程是：在宇宙的早期，溫度極高，在100億度以上。物質密度也相當大，整個宇宙體系達到平衡。宇宙間只有中子、質子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態的物質。但是因爲整個體系在不斷膨脹，結果溫度很快下降。當溫度降到10億度左右時，中子開始失去自由存在的條件，它要麽發生衰變，要麽與質子結合成重氫、氦等元素；化學元素就是從這一時期開始形成的。溫度進一步下降到100萬度後，早期形成化學元素的過程結束（見元素合成理論）。宇宙間的物質主要是質子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當溫度降到幾千度時，輻射減退，宇宙間主要是氣態物質，氣體逐漸凝聚成氣雲，再進一步形成各種各樣的恒星體系，成爲我們今天看到的宇宙。



　　大爆炸模型能統一地說明以下幾個觀測事實：

　　a）理論主張所有恒星都是在溫度下降後産生的，因而任何天體的年齡都應比自溫度下降至今天這一段時間爲短，即應小於200億年。各種天體年齡的測量證明了這一點。

　　b）觀測到河外天體有系統性的譜線紅移，而且紅移與距離大體成正比。如果用多普勒效應來解釋，那麽紅移就是宇宙膨脹的反映。

　　c）在各種不同天體上，氦豐度相當大，而且大都是30%。用恒星核反應機制不足以說明爲什麽有如此多的氦。而根據大爆炸理論，早期溫度很高，産生氦的效率也很高，則可以說明這一事實。

　　d）根據宇宙膨脹速度以及氦豐度等，可以具體計算宇宙每一歷史時期的溫度。

　　按照大爆炸理論，宇宙是150億年前從一個極小的點誕生的，從那裏誕生了時間和空間、質量和能量，從而由物質小微粒聚集成大團的物質，最終形成星系、恒星和行星等。在大爆炸發生前，宇宙中沒有物質，沒有能量，甚至沒有生命。



　　但是，大爆炸理論無法回答現在的宇宙在大爆炸發生之前到底是什麽樣，或者說發生這次大爆炸的原因是什麽？按照大爆炸理論，宇宙沒有開端。它只是一個迴圈不斷的過程，從大爆炸到黑洞的周而復始，便是宇宙創生與毀滅並再創生的過程。



　　這只是一個設想，並不是一個完美的理論。



　　大爆炸理論雖然並不成熟，但是仍然是主流的宇宙形成理論的關鍵就在於目前有一些證據支援大爆炸理論，比較傳統的證據如下所示：

　　a）紅位移

　　從地球的任何方向看去，遙遠的星系都在離開我們而去，故可以推出宇宙在膨脹，且離我們越遠的星系，遠離的速度越快。

　　b）哈勃定律

　　哈勃定律就是一個關於星系之間相互遠離速度和距離的確定的關係式。仍然是說明宇宙的運動和膨脹。

　　V＝H×D

　　其中，V（Km/sec）是遠離速度；H（Km/sec/Mpc）是哈勃常數，爲50；D（Mpc）是星系距離。1Mpc＝3.26百萬光年。

　　c）氫與氦的豐存度

　　由模型預測出氫占25％，氦占75％，已經由試驗證實。

　　d）微量元素的豐存度

　　對這些微量元素，在模型中所推測的豐存度與實測的相同。

　e）3K的宇宙背景輻射

　　根據大爆炸學說，宇宙因膨脹而冷卻，現今的宇宙中仍然應該存在當時産生的輻射餘燼，1965年，3K的背景輻射被測得。

　　f）背景輻射的微量不均勻

　　證明宇宙最初的狀態並不均勻，所以才有現在的宇宙和現在星系和星團的産生。

　　g）宇宙大爆炸理論的新證據



　　在2000年12月份的英國《自然》雜誌上，科學家們稱他們又發現了新的證據，可以用來證實宇宙大爆炸理論。



　　長期以來，一直有一種理論認爲宇宙最初是一個質量極大，體積極小，溫度極高的點，然後這個點發生了爆炸，隨著體積的膨脹，溫度不斷降低。至今，宇宙中還有大爆炸初期殘留的稱爲“宇宙背景輻射”的宇宙射線。

　　科學家們在分析了宇宙中一個遙遠的氣體雲在數十億年前從一個類星體中吸收的光線後發現，其溫度確實比現在的宇宙溫度要高。他們發現，背景溫度約爲-263. 89攝氏度，比現在測量的-273.33的宇宙溫度要高。

　　雖然已有上述證據存在，但是宇宙是否起源於大爆炸學說，仍然缺乏足夠多的令人信服的證據。



　　注解：3K是什麽意思？二十世紀六十年代初，美國科學家彭齊亞斯和Ｒ·Ｗ·威爾遜爲了改進衛星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統。1964年，他們用它測量銀暈氣體射電強度。爲了降低噪音，他們甚至清除了天線上的鳥糞，但依然有消除不掉的背景雜訊。他們認爲，這些來自宇宙的波長爲7.35釐米的微波雜訊相當於3.5Ｋ。1965年，他們又訂正爲3Ｋ，並將這一發現公諸於世，爲此獲1978年諾貝爾物理學獎金。







受到的質疑：







大爆炸學說在最近開始受到嚴厲的挑戰和質疑。如果大爆炸理論是正確的，那麽這個空間裏所有的物質應該生於大爆炸之後，這是個因果關係。雖然愛因斯坦的相對論原則上不需有絕對的時間和空間，但是如果宇宙有一個起源，它就有一個絕對時間的原點，破壞了時間的相對性，所以這個因果律便是一個絕對的定律。最近美國的哈伯太空望遠鏡觀測到一些現象，顯示這個絕對的因果律出了問題。也就是說宇宙可能沒有起源，就像相對性的空間一樣，時間也是沒有原點，時間也不是絕對的。







　　哈伯太空望遠鏡的觀測顯示，如果宇宙真是由大爆炸所造成的，那麽爆炸距現在的時間是小於很多老星球的年齡。最老星球的年齡可達一百六十億年，但觀測顯示爆炸的時間頂多是一百二十億年前而已。







結論：



　　從二十世紀初以來，包括愛因斯坦在內的大部分天文物理學家都相信，宇宙是由大爆炸所産生；由於質能互換原理，爆炸的能量最後轉爲物質。這個學說建立於三個重要的基石上。第一個，由數學上證明廣義相對論只容許唯一的解，這個數學解就是在時間的原點，整個宇宙的大小是一個點，大爆炸炸開了一個三度空間。由於空間以一定的速率不斷的膨脹，因此整個空間瞬間的大小也給了時間一個指標和定義。第二個基石是，美國天文學家哈伯在愛因斯坦發明了相對論的二十年後，發現了宇宙是在膨脹，並且越遠的星系膨脹的速度越快。這個發現大致吻合相對論的數學解。第三個基石最具關鍵性，在七十年代，美國的天文學家發現了宇宙的背景輻射。由於宇宙的膨脹，大爆炸時的熱能目前應已降到絕對溫度數度左右，符合觀測結果2.7度。從此，天文物理學家發展了一套標準模型，來解釋這個膨脹的空間裏一切物質的起源。但是宇宙到底確實膨脹多快，哈伯並無法確定。這個缺憾預留了一些空間讓以後的天文物理學家去發展另一套不同於愛因斯坦相對論的學說。但是這些學說都是非主流。美國的哈伯太空望遠鏡的主要任務也就是要彌補當年哈伯觀測的缺憾，要決定目前宇宙在單位距離內膨脹的速度。星球在膨脹空間裏的分佈就像一些點分佈在正在膨脹的氣球表面一樣。點與點之間的距離會因膨脹而變大，分離的速度不但和氣球膨脹的速度成正比，也和點與點之間的距離成正比。距離越大的兩點，它們之間分離的速度越大。所以若不知任意兩點之間的距離，只光知道兩點分離的速度是無法知道整個氣球膨脹的速度。同樣的，若欲決定宇宙膨脹的速度，我們不但要知道星球之間分離的速度，也要同時知道星球之間的距離。天文學家可用所謂的都卜勒效應來測量任一星球遠離地球的速度。但是，星球與地球之間的距離便不容易決定。因此哈伯常數（單位距離內的膨脹速率）相當難決定出來。



　　發表在《自然》雜誌上的發現爲在室女星系團內的上千顆造父變星。變星是光度有周期性變化的星，愈大的變星周期愈慢，可是愈大的星愈亮。所以變星的周期和絕對亮度有一定的關係，而造父變星的周期和絕對亮度之間的關係可以很準確的決定出來。但是，星球距地球越遠看起來越暗，因此觀測到的亮度並不是星球本身的絕對亮度。若是有辦法知道星球的絕對亮度，再加上觀測到的量測亮度，星球的距離便可知道。在天文上，遠距離是無法直接測量的，造父變星提供了一個絕佳的機會來測量距離。天文學家可以量遙遠變星的周期，大致上是幾十天之譜，從而決定變星本身的絕對亮度，再和觀測到的亮度相比，變星和地球的距離即可決定。



　　室女星系團距地球相當遠，大約爲幾千萬光年之遙，因此膨脹的速度可以相當快，可以利用都卜勒效應準確的測量出來。要是它的距離亦可準確的測量出來，哈伯常數便可準確地決定，大爆炸距現在的時間的上限便也能決定。造父變星的發表讓天文學家準確地決定哈伯常數。宇宙在單位距離內膨脹的速率爲每一百萬光年27公里。它也代表大爆炸至早發生在一百二十億年前。但是，天文學家又知道，銀河系中的一些古老的星球年齡爲一百六十億年。這代表星球需要生於大爆炸之前。這個結果不符合因果律，因此大爆炸標準模型受到質疑。這個發現也讓非主流學說有一個發展的空間。



　　其實，在邏輯的結構上，非主流派中的主流理論是可以和愛因斯坦的相對論相比美。如上所述，相對論的宇宙觀是空間是相對的，沒有原點，但時間是絕對的，有一個原點。相對論的宇宙觀並且認爲，宇宙的總能量守恒，沒有憑白無故冒出多餘的能量，也不能損耗總能量。但是另一個學說卻認爲時間和空間是相對的，兩者都沒有原點，所以宇宙是在一個時空的平穩狀態中存在。在這種理論架構下，時間和空間有完整的對稱性。爲了要解釋宇宙膨脹，這個學說必須放棄能量守恒的想法。它認爲能量是可以無中生有，並且越來越多，物質也可以無中生有，愈來愈多。這就好像宇宙中蘊藏著無數的湧泉，隨時隨地冒出物質來。這些湧出的物質必須往外流，因此宇宙膨脹。因爲物質隨時湧出，所以不需要一個時間的絕對原點；物質隨地湧出，所以空間也沒有絕對原點。這個學說不需要大爆炸便可以解釋宇宙的膨脹，並且也可以解決宇宙年齡的問題。可是，這個學說必須面對一個挑戰，那就是如何解釋宇宙背景輻射的溫度。在1970年代，這個大爆炸理論的第三個基石是此學說的致命傷。在不久的將來，此學說會不會因發現造父變星而敗部復活？我們可以拭目以待。



　　相對論宇宙模型或上述非主流的平穩態宇宙模型，對有創意的天文物理學家而言，絕非是個二選一的答案。其實，一般相對論的教科書上都不會提到廣義相對論本身是有些缺陷的。從時空的完美對稱性來看，它有上述需要時間原點的問題。除了時間、空間的問題之外，從物理學的相對性原則而言，它也有另一個問題，所謂的慣性座標問題。十九世紀末，一位澳洲科學家馬克提出一個宇宙學的問題。我們舉目觀星，如果連續看一、兩個鐘頭，就會發現群星繞著北極星轉。馬克問道：“到底這是因爲地球自轉造成的，還是群星真的繞著地球旋轉？”這個問題乍看之下相當不智，因爲這像是十六世紀哥白尼時代的問題：“到底是地球繞著太陽轉，或是太陽繞著地球轉？”標準答案當然是地球自轉所造成的。但是馬克又道：“如果一切物理現象都是相對的，地球自轉和群星繞地球轉就必須是一體的兩面。”舉例來講，要是你繞著原地自己旋轉，你會感覺頭暈，但是如果你站著不動，而周遭所有的物體都繞著你轉的話，你也將會感到頭暈。馬克認爲一個理想的宇宙模型應該能具有這個特性，一切都是相對的，轉動也是相對的。這便是所謂的馬克原則。愛因斯坦自己也承認，他是受到馬克原則的啓發才發明廣義相對論。但是，不幸的是相對論無法做到馬克原則的要求。相對論的宇宙必須很清楚地標示到底宇宙本身轉不轉。現存的標準宇宙模型是採取宇宙不轉。所以我們對群星繞天的標準解釋才會是地球自轉。附帶說明一點，至今還沒有任何一個宇宙模型可以完全符合馬克原則，上述的平穩態宇宙模型也不例外。

on http://www.cc.nctu.edu.tw/~tseng327/nctu-cosmos/mid-term/nctu15.htm