宇宙论新发现 朱明中.doc

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1、宇宙論新發現朱明中詹姆斯‧皮布爾斯(P.JamesE.Peebles)教授作為邵逸夫天文學獎http://www.shawprize.org/b5/announcement/2004/astronomy/index.html的首屆得主，絕對是實至名歸。皮布爾斯教授是現代宇宙學研究的先驅，他的工作為當今宇宙論理論及觀測研究打好基礎。近幾年來，宇宙學的突破性發現接踵而至，震撼整個科學界。美國最權威的＜科學＞雜誌亦評選宇宙學發現為去年最重要的科學突破C.Seife,Science,Vol302,Issue5653,2038-2039,19December2003..。本文簡介宇宙學近年的發展。宇

2、宙膨脹及大爆炸一般人都會以為，時間和空間就像宇宙的大舞臺，人類、星辰、和所有其他物質，都只可以在其中活動，不能改變或影響空間的間格，或時間的進程。愛因斯坦於八十年前卻把這個幾千年的迷思打破了。根據他的廣義相對論，物質及能量把時間和空間扭曲，造成萬有引力。怎樣去明白時空的扭曲？愛因斯坦教我們想像空間及時間間隔，並在虛空中劃上刻度表明，就像齊整的網格，讓我們可以「看到」時空。相對論的要點是，這些本來均勻的網格在物質或能量周圍被拉扯變形，變得大小不一。例如接近物質的時間間隔比遠離物質長了，亦即時間的進程被拉慢了。而且宇宙的時空尺度大小可隨時間不斷變化C.Misner,K.Thorne,andJ.

3、Wheeler,“Gravitation”(Freeman,SanFrancisco,1973).；情況就好比把代表時空間隔的網格劃在一個氣球的表面（見圖一）。當氣球膨脹或收縮時，網格的大小亦隨之而改變。愛因斯坦發現，他提出的廣義相對論竟然不容許一個恆常不變的時空。換句話說，宇宙必然在膨脹或收縮！這驚人的預測在幾年後得到觀測的印證。首先發現宇宙膨脹的便是著名的天文學家艾雲‧哈勃（EdwinHubble)，他觀察到遠方的星系都以高速飛離我們的銀河系，而且愈遠的星系其退行速度愈高！既然宇宙在膨脹，我們不難推算出約一百四十億年前宇宙的所有物質都聚在很細小的時空裏，密度及溫度亦必然很高，這個宇宙原

4、始火球的不斷膨脹及冷卻，發展成為我們今天的宇宙。這就是著名的大爆炸(BigBang)理論J.Silk,“TheBigBang”,(Freeman,NewYork,1989).。大爆炸的兩個主要證據除了宇宙的膨脹，是否有其他的證據，支持大爆炸理論？有！還有起瑪兩項觀測證據–宇宙微波背景輻射及輕元素含量，而相關的理論基礎，都由皮布爾斯教授奠定。若果宇宙早期溫度真的很高，物質應放射大量輻射，就如同把一塊碳燒熱它便發光一樣。這些由原始火球發出的光充斥著整個宇宙，並遺留至今天，稱為宇宙背景輻射。它們的波長，隨著宇宙的膨脹而拉長了約一千倍，到今天主要剩下微波波段。事實上，即使普通的電視天線，亦可以接收

5、一小部份這些差不多完全均勻分佈的宇宙微波背景輻射，成為畫面上「雪花」的一小部份。這可能有點匪夷所思吧？家中的電視竟然可以接收一百幾十億年前發出的訊號！無論如何，宇宙微波背景輻射的存在加上宇宙膨脹，很明確地告許我們，宇宙曾經很熱，與大爆炸理論相符。微波背景輻射的強度其實亦不是完全均勻，而是在天空不同位置有些微的差別。它們的強弱分佈，或稱為不勻性是源於原始火球的輕微振動。從這些振動，我們可以推算出早期宇宙的物理性質，如總質量等。近幾年來宇宙論觀測的很多突破，都由宇宙微波輻射不勻性的觀測而得到http://background.uchicago.edu/~whu/araa/araa.html(圖

6、二)。而皮布爾斯教授是宇宙微波輻射不勻性研究的先驅。另一個大爆炸的證據，是輕元素的比例。自然界各種物質都由原子(atoms)組成，而原子內部則有原子核(atomicnucleus)及外圍的電子(electrons)。原子核很細小，由帶正電荷的質子(protons)及不帶電荷的中子(neutrons)結合而成，不同數目的質子及中子便組成不同的元素。例如氫(Hydrogen)原子核只有一顆質子，而氦(Helium)原子核則有中子及質子各兩顆。宇宙早期溫度太高了，粒子即使曾經聚合，亦很快解散，所以早期宇宙物質只是一大堆熾熱的質子、中子及電子。隨著宇宙膨脹，原始火球的溫度下降，質子和中子才開始結合

7、成氘(Deuterium)、氦等輕元素的原子核，這過程稱為大爆炸核合成(BigBangNucleosynthesis)。不過，原始火球冷卻得很快，只夠時間製造出最輕的幾種元素，核合成便停止了。皮布爾斯教授根據宇宙膨脹的速度推算出原始火球溫度及密度的變化，從而計算核合成的速率及各種輕元素的比例。他的計算結果與觀測大致吻合，又一次證明大爆炸理論的正確J.Peebles,“PrinciplesofPhysicalCosmolo