pigletchu的部落格

壹、前言

l  宇宙者何？

「宇」者上下左右四面八方，「宙」者古往今來，故宇宙即是空間+時間

貳、導論

l  兩河流域的蘇美人《Enuma Elish》一書→世界的形成的過程

l  希伯來書《聖經》→上帝創世

l  我國的盤古開天

l  我國漢代→道之大原出於天，天不變，道亦不變

l  歷代哲學家→以哲學觀點探討宇宙形成→唯物主義

宇宙的形成自古以來就是人們關切的問題，而近幾個世紀以來科學蓬勃發展，巨大的望遠鏡、各式各樣的定律一一出現，現代的物理學家、天文學家又如何詮釋宇宙誕生的呢？

參、現代的宇宙理論

l  兩大觀點

    →宇宙沒有所謂的起源，存在無限久

    → 宇宙並非一直存在，而是在某一時間點上誕生的

l  西元1871年，哲學家伊曼努爾‧康得

→ 《純粹理性批判》一書

→ “二律背反” 

→ 不論宇宙是有開端還是沒有開端都是不可能的

→其中假設時間可以脫離宇宙→現代物理學來看的會不成立

l  近代2大宇宙論

→穩恒態宇宙觀

→大爆炸宇宙觀

l    穩恒態宇宙觀

→宇宙在根本上隨時間不變〈故稱穩恒態〉

→從熱力學第二定律和牛頓萬有引力定律∵宇宙運行有恆的時間∴不成立

→20世紀以前沒有人提過宇宙膨脹或收縮，所以他們相信大致均勻的分佈在無限空間中的無限天體足以讓宇宙保持穩恒〈突破熱力學和引力定律的限制〉

→一直到哈柏發現各星系正在以驚人的速度不斷分散之後才徹底被推翻

l    穩恒態宇宙觀相關學說

→連續創生論

→霍金無邊界條件的量子宇宙論

l    連續創生論

→西元1984年奧地利天文學家邦迪和戈爾德首先提出

→承認膨脹宇宙但否定大爆炸的理論

→在星系散開的過程中，星系之間又形成新的星系；形成新星系的物質是無中生有的

→宇宙自始至今基本上保持著同一狀態。不管過多久，它看上去還是現在這個樣子，因此既沒有開始也沒有結束。

→「射電波背景」的發現推翻此論而支持大爆炸理論

l    霍金無邊界條件的量子宇宙論

→1982年霍金根據量子力學，物質的存在是以波重合的原理提出

→主張不要將宇宙的起源當作特殊的現象→宇宙本身是從無中生有

↑宇宙的誕生是從一個歐氏空間向洛氏時空的量子轉變

※    歐氏空間：一個四維球的空間模型。

→缺點：只能針對封閉的宇宙有效

l    大爆炸宇宙論

→1920年代提出、1940年代補充發展、1950年代開始受到重視

→觀點：

1.      宇宙曾有一段從熱到冷的演化史

2.      宇宙體系並不是靜止的〈不斷膨脹〉

3.      物質密度從密到稀地演化

↑密度翰溫度的快速變化相當於一次規模巨大的大爆炸

    →化學元素的產生

1.      溫度100億度以上

(1)且密度相當大，所以宇宙體系達平衡

(2)只含中子、質子、電子、光子和微中子等基本物質

2. ∵急速膨脹∴溫度急速下降到10億度

(1)又∵10億度,中子失去自由存在條件∴發生衰變

→質子結合成重氫、氦等元素

3  溫度再降至100萬度後

 (1) 早期形成化學元素的過程結束（見元素合成理論）

4.  當溫度降到幾千度時

 (1) 輻射減退

 (2) ∵氣態物質為主∴氣體逐漸凝聚成氣雲→形成恆星、星球……

     →大爆炸理論能統一地說明以下幾個「觀測」事實：

1.      ∵恆星都是在溫度下降後産生的∴任何天體的年齡應小於200億年

→目前的觀測來說是正確的

2.      觀測到河外天體有系統性的譜線紅移，而且紅移與距離大體成正比。     

→根據都卜勒效應，紅移=宇宙膨脹

3.      在各種不同天體上，氦豐度大都是30%

     →恆星核反應機制不足以產生那麼多氦

4.      根據宇宙膨脹速度以及氦豐度等，可計算宇宙每一歷史時期的溫度。

     →爆炸發生後才誕生了時間和空間、質量和能量

→支持大爆炸理論的理論

1.          紅位移

→西元1842年奧地利物理學家都卜勒提出

→都卜勒效應 

→站在地球上，所有的星系都離我們遠去

※    何謂紅移：

當波源接近觀察者的運動時，所發出的波就觀測者而言似乎是堆聚起來，故觀測到其波長變短；反之，當波源後退時，觀測到波因擴散而波長加長。

Ex. 火車接近時，我們察覺到汽笛聲（波）因波長變短頻率變大〈聲調高〉

光也同理，即可推出星體的運動是向地球接近或者遠離，並可依位移的量計算出視線方向的運動速度。

2.          哈柏定律

→星系之間相互遠離速度和距離的確定的關係式

→說明宇宙的運動和膨脹的理論

→V＝H×D，V是遠離速度；H是哈柏常數，爲50；D是星系距離。

→Ｈ約為每百萬秒差距每秒50至100公里

  ↑即星系距離每增加一百萬秒差距時，它奔離的速度，增加每秒50至100公里

3.          氫與氦的豐存度

→由模型預測出氫占25％，氦占75％，已證實。

4.          微量元素的豐存度

→對這些微量元素，在模型中所推測的豐存度與實測的相同。

5.          3K的宇宙背景輻射

→西元1965年天文學家A. Penzias和R. Wilson提出

→發現太空中由各方向很「均勻」地射來微弱的無線電波雜訊

→韋恩定律

→即以溫度、輻射波長的計算算出宇宙大小

6.          背景輻射的「微量」不均勻

→證明宇宙「最初」的狀態並不均勻，所以才有現在的宇宙和現在星系和星團的産生。

7.          大爆炸成立的條件與基礎

→最關鍵的理論：質能互換原理，爆炸的能量最後轉爲物質。

→大爆炸理論建立於三個重要的基石：〈目前宇宙必膨脹〉

  (1) 數學上，廣義相對論只容許唯一的解

→時間原點？

  (2) 哈伯發現宇宙在膨脹，且越遠星系膨脹速度越快

     →吻合相對論的數學解

  (3) 宇宙的背景輻射

     →由於宇宙的膨脹，大爆炸時的熱能目前應已降到絕對溫度數度左右，符合觀測結果2.7度

肆、大爆炸宇宙論的疑問〈個人問題，多指教〉

1. 宇宙在大爆炸發生之前到底是什麽樣？

2. 這次大爆炸的原因是什麽？

3. 我們以類星及電磁星所產生的紅移現象逆推宇宙年齡，求出哈柏常數，但是如果觀測到的紅移是重力產生，那哈柏「常」數也是一個「變」數阿？

4. 如果大爆炸理論是正確的，那麽這個空間裏所有的物質應該生於大爆炸之後。根據愛因斯坦的相對論，空間與時間不應該是絕對的，但是如果宇宙有一個起源，它就有一個絕對時間的原點，破壞了時間的相對性了阿？

5. 宇宙將演化成何種形式？

不斷繼續膨脹？〈重力小於膨脹〉

將會收縮變成封閉？〈重力大於膨脹〉

會不膨脹也不收縮？〈重力等於膨脹〉