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第 十 一 章　宇 宙 的 起 源 與 歸 宿

本 章 主 要 章 節 目 錄 ：

宇 宙 的 現 況

宇 宙 論 的 基 本 假 設

宇 宙 論 標 準 模 型 ─ 大 爆 炸 學 說(Big Bang)

支 持 大 爆 炸 學 說 的 觀 測 證 據

宇 宙 論 標 準 模 型 的 一 些 難 題
與 宇 宙 暴 脹 理 論 (Inflationary theory)

宇 宙 的 可 能 歸 宿

宇 宙 中 有 上 千 億 的 星 系 ， 平 均 每 一 星 系 又 約 有 上 千 億 的 恆 星 及 各 類 天 體 。 相 對 的 ， 天 文 學 家 也 有 較 多 的 "樣 品" ， 可 以 拼 湊 出 有 關 恆 星 與 星 系 的 完 整 理 論 。 但 是 我 們 只 有 一 個 宇 宙 ， 建 構 一 個 合 理 的 宇 宙 論 並 不 容 易 ， 所 以 宇 宙 論 標 準 模 型 ─ 大 爆 炸 學 說， 仍 然 有 許 多 尚 未 解 決 的 難 題 。 天 文 學 家 提 出 暴 脹 理 論 (inflationary theory) ， 解 釋 /解 決 部 份 宇 宙 論 標 準 模 型 的 困 難 ， 但 終 極 的 宇 宙 論 仍 在 建 構 之 中 。

宇 宙 的 現 況

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1. 宇 宙 的 結 構

   • 最 遠 的 似 星 體 ∼ 4000 Mpc 。

   • 區 域 結 構

     地 球 -> 太 陽 系 -> 太 陽 的 鄰 居 -> 本 銀 河 系 -> 本 星 系 群 -> 宇 宙 的 海 棉 結 構 。 最 大 結 構 體 – 長 城 ∼ 200 Mpc ，遠 小 於 己 知 宇 宙 的 大 小 ，所 以 只 是 區 域 結 構 。

   • 現 有 的 觀 測 顯 示 ， 沒 有 比 長 城 更 大 的 結 構 。

2. 宇 宙 紅 位 移

   • 哈 伯 定 律

     星 系 相 互 遠 離 ， 相 距 愈 遠 的 星 系 ， 相 互 遠 離 的 速 度 愈 大 。

     V_r = H * d

     H = 75 km/s/Mpc

   • 宇 宙 的 起 點

     很 自 然 的 推 測 ： 如 時 間 倒 轉 ， 多 久 之 前 ， 所 有 的 星 系 會 聚 集 在 一 起 ？

     假 設 膨 脹 的 速 度 一 直 不 變 ， 聚 集 發 生 的 時 間 為 多 久 以 前 ？ (如 果 H = 75 km/s/Mpc) ：

     t = d / V_r = d / H * d = 1 / H = 130 億 年 。

宇 宙 論 的 基 本 假 設

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• 宇 宙 論 原 則 (cosmological principle)

  觀 測 顯 示 ， 大 尺 度 (約 200 Mpc 以 上) 的 宇 宙 具 有 ：

  1. 均 勻 性 ： 物 質 在 太 空 裡 是 均 勻 分 佈 的 。

  2. 等 向 性 ： 整 個 宇 宙 從 每 一 個 方 向 看 出 去 都 差 不 多 。

  3. 共 同 性 ： 宇 宙 起 始 10^-43 秒 後 ， 所 有 的 物 理 定 律 ， 在 宇 宙 中 的 每 一 個 地 方 都 適 用 。

     例 如 ： 愛 因 斯 坦 的 廣 義 相 對 論 。

宇 宙 論 標 準 模 型 ─ 大 爆 炸 說 (The Big Bang)

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大 爆 炸 學 說 (The Big Bang)

1. 假 設 宇 宙 是 在 約 150-200億 年 前 ， 從 一 個 高 溫 高 密 度 的 狀 態 ， 開 始 爆 炸 ， 膨 脹 之 後 漸 漸 冷 卻 ， 形 成 星 系 。

2. 膨 脹 是 發 生 在 每 一 處 。

3. 宇 宙 論 標 準 模 型 所 描 繪 出 的 宇 宙 的 歷 史 如 下 ：

   • 當 時 間 為 0 時 開 始 產 生 大 爆 炸 ，

   • 當 時 間 為 4 秒 時 ，開 始 產 生 質 子、 中 子、 電 子。

   • 當 時 間 為 3 分時，開 始 形 成 原 子 核， 其 中 氫 (H) 約 佔 75%， 氦 (He) 約 佔 25%。

     此 時 氣 體 是 游 離 的 ， 自 由 電 子 與 光 散 射 ， 光 無 法 跑 遠 就 被 散 射 掉 ， 宇 宙 到 處 充 滿 輻 射 。 大 爆 炸 至 此 時 期 之 前 ， 合 稱 為 輻 射 主 控 時 代 (radiation dominate era)。

   • 當 時 間 為 10⁶年 時 ， 溫 度 約 為 3000 K ， 自 由 電 子 與 氫 、 氦 原 核 結 合 成 為 氫 原 子 與 氦 原 子 。 此 時 氣 體 是 中 性 的 ， 使 得 光 子 可 以 在 宇 宙 中 自 由 行 走 ， 亦 即 宇 宙 變 透 明 了 ， 從 此 進 入 物 質 主 控 時 代 (matter dominate era)。

   • 當 時 間 為 10⁹年 時 ， 星 系 的 形 成 。

奧 伯 詭 論 (Olber's paradox )

為 何 夜 空 是 黑 暗 的？

若 是 宇 宙 是 無 限 而 且 永 恆 的 ， 星 與 星 系 均 勻 的 分 佈 在 整 個 宇 宙 中 。 則 每 個 方 向 的 星 光 都 將 到 達 地 球 ， 使 地 球 的 天 空 看 起 來 與 恆 星 的 表 面 一 樣 亮 。

近 代 的 解 釋 ：

1. 宇 宙 不 是 無 限 老 的 ， 遠 處 的 星 光 ， 在 有 限 的 的 時 間 內 ， 尚 未 傳 到 地 球 。

2. 宇 宙 是 膨 脹 的 ， 恆 星 的 光 會 因 膨 脹 而 產 生 紅 位 移 ， 亦 即 能 量 變 小 ， 使 我 們 無 法 偵 測 到 這 些 光 。 (這 部 份 的 貢 獻 過 小 ， 應 不 是 黑 暗 夜 空 的 合 理 解 釋)

支 持 大 爆 炸 說 的 觀 測 證 據

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1. 宇 宙 紅 位 移

   由 地 球 任 何 方 向 看 出 去 ， 遙 遠 的 星 系 都 是 離 我 們 遠 去 ， 宇 宙 膨 脹 。

   哈 柏 定 律 :

   V_r = H * d

   H = 75 km/s/Mpc

2. 氦 與 氦 的 豐 存 度

   宇 宙 標 準 模 型 預 測 ， H (氫) 佔 約 75%， He(氦) 佔 約 25 ， 己 經 實 測 證 實 。 恆 星 所 消 耗 的 氫 與 所 產 生 的 氦 ， 還 不 足 以 改 變 這 個 比 例 。

3. 微 量 元 素 的 豐 存 度

   微 量 元 素 ： 重 氫 (deuterium)、 氦-3 (helium-3)、 鋰-7 (lithium-3)。

   對 這 些 恆 星 無 法 合 的 微 量 元 素 ， 宇 宙 標 準 模 型 預 測 的 豐 存 度 ， 與 實 測 的 豐 存 度 一 致 。

4. 3 K 微 波 背 景 輻 射

   大 爆 炸 後 ， 宇 宙 膨 脹 、 冷 卻 。

   Penzian & Wilson (1978 諾 貝 爾 獎 得 主 ) 用 號 角 形 天 線 發 現 ， 天 空 具 有 均 勻 等 向 的 無 線 電 波 雜 訊 ─ 宇 宙 背 景 輻 射 ， 相 對 應 於 3 K 黑 體 所 發 出 的 輻 射。 COBE 衛 星 精 確 測 量 ， 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 的 溫 度 為 2.726 ± 0.005 K。

5. 微 波 背 景 輻 射 不 均 勻 量

   微 波 背 景 的 微 量 不 均 勻 ， 是 宇 宙 區 域 結 構 的 種 子 。

宇 宙 論 標 準 模 型 的 難 題 與 宇 宙 暴 脹 理 論

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宇 宙 論 標 準 模 型 的 難 題

宇 宙 的 年 齡 問 題

註 ： 此 為 觀 測 問 題 ， 並 非 宇 宙 論 的 基 本 難 題 。

星 系 紅 位 移 (哈 伯 定 律)

t (宇 宙 年 齡) = d/V_r * 10¹² 年 = 1/H * 10¹² 年

Sandage ： 150 至 200 億 年
Freedman (HST) ： 80 至 120 億 年 。

球 狀 星 團 觀 測 、 元 素 豐 存 度 分 析

球 狀 星 團 觀 測 ： 150 至 200 億 年

長 半 衰 期 同 位 素 分 析：140 至 180 億 年

癥 結

• 球 狀 星 團 觀 測 、 元 素 豐 存 度 分 析

  觀 測 與 原 子 核 理 論 的 計 算 吻 合 ， 如 這 部 份 証 實 有 誤 ， 原 子 核 基 本 理 論 的 根 本 ， 將 完 全 動 搖 。

• 星 系 紅 位 移 (HST/Freeman)

  HST的 觀 測 與 數 據 分 析 ， (目 前) 找 不 出 錯 誤 。

宇 宙 的 組 成 問 題

星 系 的 旋 轉 速 率 曲 線 顯 示 ， 暗 物 質 佔 90% 以 上 ， 但 暗 物 質 的 本 質 仍 然 未 定 。

宇 宙 論 標 準 模 型 ， 對 暗 物 質 的 存 在 與 本 質 皆 未 做 預 測 。

視 界 問 題 (horizon problem)

• 視 界： 光 在 指 定 的 時 間 ， 所 能 傳 播 的 距 離 。

• 問 題 ： 宇 宙 背 景 輻 射 為 何 各 向 同 性 ？ 為 何 如 此 均 勻 ？

• 宇 宙 背 景 輻 射 為 宇 宙 變 透 明 時 ， 宇 宙 中 輻 射 的 遺 跡 。 宇 宙 變 透 明 時 ， 宇 宙 邊 緣 各 點 的 距 離 ， 有 些 己 超 過 視 界 ， 如 未 經 溝 通 ， 宇 宙 如 何 保 持 熱 平 衡 ？

• 宇 宙 論 標 準 模 型 的 假 設 ： 大 爆 炸 至 宇 宙 變 透 明 時， 宇 宙 一 直 處 於 熱 平 衡 狀 態 。

曲 度 問 題 (flatness problem)

• 理 論 預 測 ， 保 持 開 平 坦 宇 宙 所 需 的 物 質 密 度 ∼ 10^-29 克/公 分³。
  Ω_o = (實 際 物 質 密 度)/(臨 界 物 質 密 度)

• 開 放 宇 宙 ， Ω_o < 1 ； 平 坦 宇 宙 ， Ω_o = 1 ； 封 閉 宇 宙 ， Ω_o > 1 。

• 實 測 結 果 ： 0.1 < Ω_o < 2。

  現 在 所 量 得 的 質 量 密 度 非 常 接 近 臨 界 值 ， 宇 宙 未 來 的 命 運 仍 未 卜 。

• 曲 度 問 題

  宇 宙 為 何 如 此 平 坦 ？

暴 脹 宇 宙 模 型 (inflaionary universe)

• 假 設 ： 宇 宙 在 10^-35 秒 至 10^-33 秒 之 間 發 生 暴 脹 。 在 此 期 間 ， 宇 宙 的 直 徑 大 約 由 10^-26 公 尺 暴 增 10⁵⁰倍 ， 至 10²⁴ 公 尺 (∼ 30 Mpc) 。 在 10^-33 秒 時 ， 暴 脹 終 止 ， 膨 脹 速 率 變 得 與 標 準 模 型 相 同 (參 見 示 意 圖)。

• 暴 脹 機 制 ： 宇 宙 在 10^-35 秒 時 發 生 相 變， 放 出 巨 量 的 "潛 熱" ， 造 成 宇 宙 暴 脹 。

• 視 界 問 題 的 解 答

  暴 脹 之 前 ， 宇 宙 直 徑 小 於 視 界 ， 宇 宙 處 於 熱 平 衡 。

• 曲 度 問 題 的 解 答

  暴 脹 後 ， 我 們 可 見 的 宇 宙 ， 只 是 宇 宙 真 實 大 小 的 極 小 部 份 。 物 質 所 產 生 的 空 間 曲 度 幾 乎 和 平 面 相 同 ， 亦 即 Ω_o ∼ 1 。

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宇 宙 的 可 能 歸 宿

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宇 宙 的 歸 宿 ， 全 看 宇 宙 的 Ω_o 值 而 定 ：

1. 開 放 的 宇 宙 (open universe)

   Ω_o < 1

2. 平 坦 的 宇 宙 (flat universe)

   Ω_o = 1

3. 封 閉 的 宇 宙 (closed universe)

   Ω_o > 1

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最近更新日期：一九九六年十二月十二日

蘇漢宗(htsu@mail.ncku.edu.tw) 　
許瑞榮(rrhsu@mail.ncku.edu.tw)
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台南市成功大學　物理系

　

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