我們在學校學的物理、化學等知識,竟只占整個宇宙的5%!天文所教授帶你探索宇宙奧祕

2021-10-31 10:30

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宇宙的本質、起源與和演化,究竟是怎麼樣的呢?(示意圖/photoAC)

宇宙的本質、起源與和演化,究竟是怎麼樣的呢?(示意圖/photoAC)

古今中外多有關於天地、世界,或者我們現在稱為宇宙的觀點,有些來自觀察,有些源於冥想,幾乎所有可能都有人曾經提過。胡思亂想的人,只等著別人說他錯;而科學家不是沒有創意,但慎思明辨,盡力證明自己正確,否則就修正,繼續尋找問題,找答案。英文說的search,然後一再re-search,就是科學研究的精神。

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關於宇宙的本質、起源與演化,早期說法跟神學差不多; 事實上很多情節,與某些宗教經典類似,主要因為科學家也有宗教信仰,所使用的語言論述,自然來自其生活。

目前的宇宙論有越來越多的觀測證據。主張我們這個時空始於138億年前。在大霹靂之後10-36秒到大約10-33秒這段期間,時空以指數方式增大,這個「暴脹」過程造就了宇宙基本結構,也使得每方向性質幾乎相同。接著宇宙持續膨脹, 但慢得多,直到約40億年前,由於暗能量的推動,造成宇宙加速膨脹。到目前為止,並不確定暴脹是否真的發生了,也不知道原因為何。

「大霹靂」一詞來自英文The Big Bang,意指宇宙最初的奇異點,時空由此開始,是個俗稱,事實上並沒有聲響, 所以不宜翻譯成「大爆炸」。大霹靂宇宙論目前能解釋許多觀測的現象,因此最為人所接受。如圖,宇宙的歷史沿著橫軸從左到右,在大霹靂之前時間與空間沒有意義,目前沒有發現任何「之前」的證據。某個時刻的垂直圓圈示意宇宙大小。

宇宙膨脹造成溫度下降,物質開始出現,在萬有引力作用下,出現了第一批恆星,結束了宇宙「黑暗期」,另外還有不會發光的「暗物質」(到現在也不清楚是什麼東西)。恆星周圍形成行星,恆星彼此則聚集構成了星系、星系彼此群聚成為星系團,以及更大的超星系團等「大尺度結構」。

暴脹瞬間改變了時空,引力場驟變,因此預期會產生重力波。另外早期的微小密度不均勻,使得宇宙背景輻射會發生偏振,這些都是目前積極推動的課題。

妙的是,就算大霹靂開創了屬於我們的時空,這並不表示之前沒有,或現在沒有其他的宇宙,但是目前也都沒有任何證據。

宇宙的歷史沿著橫軸從左到右,在大霹靂之前時間與空間沒有意義,目前沒有發現任何「之前」的證據。某個時刻的垂直尺度表示宇宙大小(圖/聯經出版提供)
宇宙的歷史沿著橫軸從左到右,在大霹靂之前時間與空間沒有意義,目前沒有發現任何「之前」的證據。某個時刻的垂直尺度表示宇宙大小(圖/聯經出版提供)
這張 Abell 2744的星系團照片由哈伯太空望遠鏡拍攝,距離我們將近40億光年,或許是由數個星系團相撞而形成。(圖/聯經出版提供)
這張 Abell 2744的星系團照片由哈伯太空望遠鏡拍攝,距離我們將近40億光年,或許是由數個星系團相撞而形成。研究指出發光的數百個星系只占了全部質量的5%,星系之間的熱氣體占了20%,其餘75%則是暗物質。影像中微弱的藍色弧狀結構,是星系團巨大的質量將後方天體的光線偏折後產生「重力透鏡」效應的結果。(圖/聯經出版提供)

 

太空中的黑社會

宇宙的組成,暗能量占了將近7 成,暗物質則占了約1/4,而我們熟悉的原子、分子、恆星、星雲、星系等一般物質,這些我們在學校學了半天的物理、化學,還有很多一知半解的知識,居然只占了5%。其中的「暗」字代表了「不明」,也就是所知不多。

暗能量的證據來自於宇宙膨脹。來自遙遠星系的光線花了很久時間才到達地球,所以它們代表的是早期的宇宙。觀察發現當時的宇宙(比較小)膨脹比較慢,而這表示宇宙在加速膨脹。這讓人不解,因為照理說宇宙整體引力應該讓膨脹變慢才對,就好像把銅板丟向空中,銅板雖然向上,但是引力讓它越來越慢,怎麼可能越來越快飛出去呢(那誰還敢丟?)於是科學家提出有種未知的力量,推動宇宙加速膨脹。就跟大霹靂、宇宙暴脹一樣都是向外,目前仍然不清楚暗能量是怎麼回事,為目前熱門的研究課題。

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