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大爆炸系列(一):宇宙大爆炸有多「爆」?

2017/9/4 — 11:22

A whole universe was in a hot dense state. Then nearly fourteen billion years ago expansion started. Wait…

大家知不知以上歌詞來自那齣劇集?不知道或未看過的強烈建議去找那劇集來看看。

好啦,回到正題,小弟既然提起那齣劇,這次當然是談宇宙大爆炸 (Big Bang Theory) 啦!宇宙大爆炸大家可能聽得多,但對理論背後又有多少認識呢?它說我們宇宙是如創世紀般無中生有地「爆」出來?它可以解答到所有關於宇宙的起源與演化問題?對於這些誤解和問題,小弟會嘗試在這個系列裡解答一下。

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大爆炸其實不是一次「爆炸」

首先從字面上說,宇宙大爆炸這個名字其實起得甚差,就好像「上帝粒子」、「天使粒子」、量子力學裡粒子固有的內在物理性質之一自旋 (spin) 般,雖然是很「吸晴」,但對一般沒相關背景知識的人來說其實甚為誤導⋯⋯所謂「唔怕生壞命,最怕改壞名」,美國軍艦都因為改壞名出事啦

圖解解釋宇宙大爆炸的情況。
網絡圖片

圖解解釋宇宙大爆炸的情況。
網絡圖片

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宇宙大爆炸這個模型是弗里德曼公式 (Friedmann equations) 其中一個解。弗里德曼公式是一組在愛因斯坦 (Albert Einstein) 的廣義相對論 (general relativity) 框架下的宇宙學公式。 廣義相對論是個顛覆人類以前一直對時間與空間固有觀念看法的理論,而要簡單概括宇宙大爆炸,其實就是說我們身處的宇宙與日常生活的體驗不同,它不是靜止的,相反是不斷在膨脹,而且宇宙的溫度是會隨膨脹下降,好像「爆炸」火球般。不過有一點與爆炸很不同,膨脹的是時空,無所謂爆炸中心點

試想像你是一隻在汽球表面上的螞蟻,而汽球表面就是你身處的「宇宙」,如上圖般(同樣比喻亦可以用於收縮宇宙)。宇宙膨脹就如汽球膨脹般,就算你靜止不動也好,宇宙上任何點與點的距離都會隨時間增加。

對宇宙大爆炸錯誤的理解

對宇宙大爆炸錯誤的理解

正確的宇宙大爆炸

正確的宇宙大爆炸

而且宇宙亦無任何特殊的所謂「爆炸中心點」的地方,詳細解說可看下面短片:

不過這終歸只是比喻,而比喻當然不會完全 100% 準確。根據廣義相對論宇宙不像汽球般需要給予額外空間或者維度去膨脹,亦不需要「吹氣」去做成膨脹。汽球比喻中的額外空間與維度只是令你可以具體地理解並用肉眼觀察膨脹這個現象。而且宇宙是無邊界的,所謂直徑 140 億光年只是我們的視界範圍,可觀察宇宙的大小。不過嚴格上說邊界問題其實沒人知答案,不過至少現時宇宙學公認,在大爆炸基礎上建立的標準理論模型 ΛCDM 中宇宙是無限大,無邊界的。

大爆炸不包括宇宙開端,沒說宇宙是無中生有而來的

另外「大爆炸」這個名字好像意指宇宙有一個開端,世界/時間有開始,暗指可能有造物者存在。不過事實是宇宙學家口中說的大爆炸從來都不包括宇宙開端與太初宇宙(距「開端」少於約 1 分鐘),因為大爆炸和標準模型 ΛCDM 建基於的廣義相對論在那時會失效,需要用到未知的量子重力去取代,用失效的理論去推測宇宙開端是怎樣根本沒任何根據和意思。

大爆炸這個模型其實是應該如影片倒帶般倒回看和理解才正確。基於 1929 年哈勃 (Edwin Hubble) 發現的星系紅移,包括此前一直堅信宇宙為靜止的愛因斯坦在內的宇宙學家知道宇宙其實是在膨脹中。那如果我們倒帶般回看,我們會發現星系的距離越來越小,它們會越來越接近甚至融為一體變成一點。因為這「發現」,可能受宗教信仰影響,在此前一直有研究弗里德曼公式的物理學家兼天主教神父勒梅特 (Georges Lemaître) 就提出說宇宙可能是起源於一粒「太初原子」,時空亦由那一刻誕生,好像聖經創世紀般。由於太前衛並帶有宗教色彩,這理論被天文學家海爾爵士 (Sir Fred Hoyle) 戲稱為「大爆炸」,變成後來無可挽救的錯誤。 雖然「大爆炸」當時不是主流亦有很多爭論,但後來發現的宇宙微波背景輻射 (Cosmic Microwave Background, CMB) 、太初核合成 (Big Bang nucleosynthesis) 等觀察證據*都證明宇宙的確是一直以來不斷以不同的速度在膨脹中。下圖簡單概括講解了根據「宇宙大爆炸」現今物理學家知道的宇宙歷史是怎樣的:

正如小弟此前說,大爆炸是不包括描述宇宙開端與太初宇宙的,上圖說的時間開端其實並不正確,而且嚴格上暴脹 (inflation)是不包含在大爆炸模型中。最後總結「大爆炸」正確點說其實應該如下面短片般叫作「處處伸展」理論才對。不過,宇宙是不是無限大這點有爭論的地方,雖然現時公認標準理論模型 ΛCDM 是:

今次說到這裡,下回再談 (Bazinga!)

註:*詳細關於大爆炸觀察證據的詳細講解下次再談

延伸閱讀︰

  1. Lineweaver, C.H. & Davis, T.M. (March 2005). Misconceptions about the Big Bang. Scientific American. Retrieved from https://www.mso.anu.edu.au/~charley/papers/LineweaverDavisSciAm.pdf

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