宏轰：宇宙的起源

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1、陳天機，王永雄，彭金滿宏轟？穩態？2008-1-11第19頁/19.宏轟？穩態？：宇宙起源的大爭論*香港中文大學大學通識教育部。**香港中文大學物理系。部份摘自陳天機：《大自然與文化》(第2版)(香港：中文大學出版社，2006)，第1章：最大的大自然。討論大爭論最完整的書相信是HelgeKragh,CosmologyandControversy:TheHistoricalandDevelopmentofTwoTheoriesoftheUniverse。SimonSingh,BigBang:TheOriginoftheUniverse是暢銷的通俗闡述。陳天機*，王永

2、雄**，彭金滿**2008-1-111.大問題，大爭論我們的宇宙有沒有起源?現在的宇宙是怎樣的?將來的宇宙又會怎樣演變？宏轟理論(TheBigBangTheory)認為宇宙源自太初突發的膨脹，密度日漸低降。穩態理論(TheSteady-StateTheory)也認為宇宙膨脹，但氫原子到處悄然介入，平均密度得以維持；宇宙自古如此，沒有(可以偵察到的)起源。爭論自1948年開始，延續了近30年，產生了兩項諾貝爾獎，以宏轟理論全勝告終。難以想像的是，宇宙這最大的大題目竟然會是科學家研究的對象，竟然得到今天公認的細節答案；而且倘如沒有這轟天動地、劍拔弩張的論爭，答案肯定會

3、姍姍來遲，甚或出現「無期」。這三十年的論爭也供應了罕有的機會，讓我們看到理論、技術的交錯發展、潮流取向的消長；更讓我們看到科學家和科學團體人性的一面。「前事不忘，後事之師」，有不少地方值得參考，作為殷鑑。2.科學宇宙論的前奏1905年，愛因斯坦提出(狹義)相對論，認為在宇宙中光速最大，而且任何相對速度都不可能超過光速。後來(1915)他更提出廣義相對論，認為重力扭曲了時空。1919年，他自然地應用相對論將整個宇宙作為研究的對象，但初步結果使他大吃一驚，宇宙間所有物質不住互相拉近，整個宇宙最終可能自動崩潰。愛因斯坦當時想像中的宇宙應該是靜態的，因此他在方程式裏插入一

4、個名為「宇宙常數」(cosmologicalconstant)的東西，代表一種斥力，使所有物質互相排斥，使宇宙達到一個靜態平衡。SimonSingh,BigBang:TheOriginoftheUniverse,pp.153-160.從今天的眼光來看，愛因斯坦的「宇宙常數」就像上古時托勒密的週轉圓一樣，是「只此一次，下不為例(adhoc)」的，也是對靜態宇宙一廂情願信仰的表現。陳天機，王永雄，彭金滿宏轟？穩態？2008-1-11第19頁/191922年，蘇聯的佛里曼修正了愛因斯坦理論的一個錯誤，AlexanderA.Friedman(1888-1925)，蘇聯物理

5、學家、氣象學家。愛因斯坦將一個方程式兩邊用除法消掉一個數；但這數可能是0。指出愛因斯坦的宇宙其實可以不住收縮，也可以不住膨脹。比利時神父勒梅特FatherGeorges-HenriLemaître(1894–1966).在1927年提出，我們的宇宙從最早的「太初原子(primevalatom)」開始，正在不住膨脹。他有時也用「宇宙卵(Cosmicegg)」，有點中國傳說中「盤古開天闢地」的味道。勒梅特是一位兼顧科學、宗教的奇人。他與天文學界接觸緊密，顯然得到啟發(見下節)，在1927年，勒梅特早已從自己的太始原子理論推出了兩年後震撼天文學界的「哈勃定律」，Helg

6、eKragh,CosmologyandControversy,:TheHistoricalandDevelopmentofTwoTheoriesoftheUniverse,pp.58-59。但自1933年後在宇宙論研究方面便沒有作進一步的貢獻。這位淡泊名利的君子後來也備受榮寵，做了教宗科學院的院長(1960-66)。PontificalAcademyofSciences是羅馬天主教廷轄下的科學院。3.宇宙膨脹的觀測證據3.1.光學杜普勒效應天文學家利用光譜學，可以推論出星體與地球的相對速度。假如我們知道某一條(地面)光譜線的實際波長λ，而觀察到星體放出的同一條光譜

7、線的「有效波長」卻是不同的λ’，則星體與地球的相對速度是，v=c(λ’-λ)/λ,c=光速。v>0:星體離開我們(星體光譜有效波長增大：俗稱「紅移」)v<0:星體趨近我們(星體光譜有效波長縮短：俗稱「藍移」)嚴格來說，用「紅移」的字眼代表「離棄」，只應限於波長低於「紅光」的光；用「藍移」的字眼代表「趨近」，只應限於波長大於「藍光」的光。這現象叫做「杜普勒效應」Dopplereffect。發現者是杜普勒(J.ChristianA.Doppler,1803–1853)奧地利物理學家，杜普勒所發現的是聲波效應(他是火車的常客，發現火車經過時汽笛聲音由高(頻率高，波長小)

8、)變低(頻