蔣龍毅/我們的宇宙

當我們抬頭仰望滿天星斗,在驚豔宇宙的浩瀚無垠之餘,也會好奇宇宙怎麼開始?其中包含了什麼?

十九世紀末,科學家認為銀河就是整個宇宙,雖然觀測到一些螺旋結構的模糊星雲,都認為只是銀河內的特殊形狀星體。美國天文學家斯利夫(Slipher)利用螺旋狀星雲(也就是現在所知的螺旋星系)光波的「都卜勒效應」測量其速率。都卜勒效應簡單地說,就是如果一個光源遠離,光的波長會因相對論效應而變長,反之則變短。透過螺旋狀星雲中特定化學元素的發射光譜線波長變化,得以推算螺旋狀星雲的遠離或接近速率。

為了要知道那些特殊星體有多遠,美國天文學家哈伯在1920年代利用威爾遜山天文台的望遠鏡找尋「造父變星」。造父變星是一種脈動變星:星愈亮(光度愈強),星的光度變化周期愈長。所以,測量到周期就知道光度(相當於絕對星等),觀測到的視星等與絕對星等的差就可以計算出距離。

哈伯結合了螺旋星系的速率及距離數據,發現所有星系距離非常遙遠,星系的光譜線都往較長波長的紅光方向偏移,代表星系都在遠離。而且愈遠星系的遠離速率愈大,也就意味著「宇宙在膨脹當中」。他的發現也為愛因斯坦廣義相對論發展出的宇宙模型奠定了第一個基礎。

另一個劃時代的成就,則是1960年代發現的「宇宙微波背景輻射」。科學家彭齊亞斯(Panzias)和威爾遜(Wilson)為了新的通訊衛星系統,測試一座位於紐澤西州的大型高靈敏度微波號角型天線,無意間偵測到全天候且沒有特定方向的微波雜訊(此雜訊相當於絕對溫度3K)。他們為了消除這個惱人雜訊檢查了所有元件設備,甚至清除了天線內的鴿子糞,但雜訊依然存在。後來,經由普林斯頓大學迪克(Dicke)教授的團隊告知,才明白所發現的雜訊正是宇宙膨脹留下的餘暉。

我們的宇宙是從一個極高溫高密度大霹靂狀態開始膨脹,膨脹導致溫度下降,在一連串質能轉換過程產生如質子、電子等物質。大霹靂開始後約三十八萬年,宇宙溫度降低至3000K,電子質子結合成氫原子,物質與輻射從原來的電漿態脫離耦合(互不干擾),宇宙從此變得透明。這些輻射隨著宇宙持續膨脹波長被拉長至微波波段,溫度也降至目前的3K。早期的物質就在重力相互吸引下慢慢形成了星系、恆星及行星等星體。

宇宙持續膨脹,原本慢慢下降的膨脹速度經過了五十億年後,在暗能量影響反而開始加速膨脹。現在我們得知的宇宙年紀為138億年,裡面包含了5%的一般物質,27%的暗物質,68%暗能量。

從十七世紀牛頓發現了主導宇宙大尺度結構演化的萬有引力開始,科學家從掌握最小尺度的粒子物理學到最大尺度的廣義相對論,逐步發展建構起對宇宙的了解。雖然迄今我們仍然對占宇宙中95%的暗物質與暗能量一知半解,但隨著觀測儀器及技術的日新月異,有朝一日一定可以解開宇宙這個謎團。

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