本期文章

大霹靂產生宇宙

   

宇宙由時間與空間中的一個點誕生,科學家發現大霹靂造成的輻射之後,才證實了這個想法。
宇宙在灼熱緻密的狀態下誕生,這是科學史上非常重要及完整的概念,弗瑞德‧霍伊爾(Fred Hoyle)稱之為大霹靂(Big Bang)。不過,這個概念問世至今還不到百年,披頭四樂團在1960年代轟動樂壇時,天文學家都還沒證明大霹靂確實存在。50年前的夏天,科學家終於發現確實證據,這個證據就是宇宙微波背景輻射(CMB),但其實當時已有許多間接證據。

回顧歷史, 大霹靂的概念問世於俄聯數學家亞歷山大‧弗里特曼(Alexander Friedmann)1922年發表的論文中。弗里特曼發現,從愛因斯坦描述空間、時間和物質特性的廣義相對論方程式看來,可能有不同種類的宇宙存在。有些宇宙起初很小,但會隨時間而擴大;有些宇宙一開始很大,但會隨時間而縮小。有些宇宙從一個極小的點擴大到某個程度,又縮小成一個點,或許會再「跳入」另一回合的擴大和縮小。當時沒有任何確實證據可證明我們的宇宙與這些數學模型相符。

但這並沒有讓弗里特曼就此放棄研究。他在1923年出版的《空間與時間構成的世界》(World As Space And Time)中寫道,「由於缺乏可靠的天文資料,引用任何數字來說明宇宙的年齡都沒有意義,但如果為了好奇而計算宇宙從一個小點誕生到目前所花的時間,也就是「創世」至今已經過了多久,得出的數字應該是百億年左右。」這個說法相當接近科學界目前普遍認可的138億年,但當時沒有人注意。

是星系還是星雲?

但是弗里特曼不知道,其實已經有天文資料支持他的說法。美國羅威爾天文台(Lowell Observatory)的維斯托‧斯里弗(Vesto Melvin Slipher)一直在研究來自當時稱為「星雲」(螺旋形雲狀物質)的光。當時科學家仍在爭議這類天體到底是銀河系內的氣體雲(恆星可能的形成處)?還是比銀河系遙遠許多、體積也大得多的星系?

出乎斯里弗意料的是,他發現來自這些螺旋狀星雲的光有「紅移」現象,而且紅移幅度相當大(參見〈重點解析〉一欄)。這個現象最單純的解釋就是這些天體正快速遠離我們,而紅移則是源自都卜勒效應。紅移現象顯示這些天體的距離確實在銀河系以外。但還有另一種可能。在弗里特曼發現的宇宙擴張模型中(但斯里弗不知道這個模型),空間隨時間而拉長時也會造成類似的紅移效應。

關於螺旋狀星雲特性的爭議在1924年解決。艾德溫‧哈柏(Edwin Hubble)當時在美國加州威爾森山(Mount Wilson)剛剛完工的2.5公尺口徑望遠鏡工作。這具望遠鏡的觀測能力遠高於斯里弗可使用的望遠鏡,因此可藉由研究該「星雲」中的造父變星(Cepheid)等變星,測量地球到仙女座星雲(現稱星系)的距離。這項資料加上對其他星雲測距的結果,一舉證明了螺旋形天體其實是宇宙中的遙遠星系。現在時機已經成熟,科學家可將紅移和距離整合起來,放入廣義相對論的方程式,用來描述我們的宇宙。

完成這項工作的是比利時數學家及天文學家喬治‧勒梅特(Georges Lemaitre)。勒梅特居住在比利時,但曾經造訪過英國劍橋大學、美國哈佛大學及威爾森山。他見過斯里弗和哈柏,知道當時最新的觀測結果,但完全不知道弗里特曼的研究。因此當他獨立發現與弗里特曼相同的愛因斯坦方程式解時,是以實際宇宙觀測的結果來解釋這個方程式。他把所有資料彙集在一起,依照經驗法則,看起來較模糊的星系一定比較明亮的星系更遠,從而發現星系的紅移幅度取決於它與地球的距離,也就是「速度」與距離成正比。但他也發現這不是都卜勒效應。如同他在1927年曾經提到的,紅移是「宇宙擴張的效應」。

這項其實應該稱為「勒梅特定律」的發現發表在一篇論文中,標題為〈質量恆定的均勻宇宙半徑持續擴大導致銀河系外星雲具有徑向速度〉(A Homogenous Universe of Mass and Increasing Radius Accounting for the Radial Velocities of Extra-Galactic Nebulae )。他還發現了紅移和距離間的關係,提出每百萬秒差距(Megaparsec)的距離時速度為秒速575公里,現在這個數字稱為哈柏常數(理由如後所述)。因此,距離地球一百萬秒差距的星系是以每秒575公里的速度遠離地球,而距離地球兩百萬秒差距的星系則是以每秒1,150公里的速度遠離地球,以此類推。不過,1927年勒梅特這篇論文發表在不知名的比利時期刊上,很少人注意到。即使他寄了一本給當時頂尖的英國天文學家亞瑟‧艾丁頓(Arthur Eddington), 情況仍然相同。

急功好利的哈柏

在此同時,哈柏則相當忙碌。他聘請米爾頓‧赫馬森(Milton Humason)負責測量星系的紅移現象,雖然赫馬森較資淺,但論觀測能力是全世界最強的。哈柏則運用多項技術測量距離。1929年,哈柏和赫馬森發表論文,論文中含括24個星系的研究結果,其中20個是斯里弗測量到有紅移現象的星系,另外四個則是赫馬森「新發現」有紅移現象的星系。

這已經足以讓哈柏發表現在相當知名的紅移與距離關係。這個關係指出,星系與地球間的距離,與其紅移顯示的速度成正比。這項發現(其實和勒梅特兩年前發表的內容完全相同)被稱為「哈柏定律」。哈柏和赫馬森的論文中提出的哈柏常數,說明星系與地球的距離每百萬秒差距,其速度為秒速500公里,也與勒梅特的值十分接近。不過,這篇論文完全沒提到斯里弗或勒梅特。哈柏一向以自負和善於自我宣傳著稱,往往為囊括一切讚揚和光榮而不擇手段,而且經常得逞。

不過這次消息如野火燎原般傳了開來。勒梅特想當然地大感光火,並且寫信給艾丁頓,提到1927年的這篇論文,艾丁頓發動所有資源,散播勒梅特才是最初發現者的消息,甚至還把這篇論文翻譯成英文發表。勒梅特最後確實爭回了他應得的讚揚,但這個定律卻仍然以哈柏命名。不過勒梅特的研究並未就此打住。哈柏只對運用紅移來測量距離感到興趣,從來沒有嘗試把紅移整合到宇宙模型中。相對論者大多只把這些方程式視為紙上談兵,不一定能與現實世界扯上關係。勒梅特則真心相信這些方程式,並試圖以它們描述宇宙如何誕生。

1931年,他推測宇宙可能是在非常緻密的狀態下猛然誕生(就像煙火一樣),急速膨脹成我們現在看到的樣子。他在1946年出版的書中詳盡闡述了這些想法,同時將宇宙的起源稱為太古原子(primeval atom)或宇宙蛋(cosmic egg),後來促成俄裔美籍天文學家喬治‧伽莫夫(George Gamow)與同事羅夫‧阿爾菲(Ralph Alpher)和羅伯特‧赫曼(Robert Herman)進一步衍伸這些概念。

阿爾菲想到,勒梅特提到宇宙誕生「煙火」的熱,應該會與電磁輻射一起充滿整個宇宙,而電磁輻射目前仍然以冷無線電波的形式存在。1948年,他在《自然》期刊上發表論文,文中斷定「目前宇宙的溫度為絕對溫標五度(攝氏零下268度)。伽莫夫有一段時間積極推廣這個說法(現在則經常被誤認為此說法的提出者),但當時沒有人認為我們能偵測到這類宇宙背景輻射,這個說法也很快就為人遺忘。


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