SENSE隨筆150714 大爆炸理論

SENSE隨筆150714
大爆炸理論
執筆人：蟬

許多人也許聽說過宇宙起源的主流學說：「Big Bang Theory大爆炸理論」，但並非每個人都知道理論的細節。
很久以前科學家已經思考宇宙到底是個怎樣的存在。哥白尼在16世紀提出 “日心說”，推翻太陽圍繞地球旋轉的 “地心說”。當時的科學家或許已經有了“宇宙” 這概念，但對於它到底有多大，和存在了多久，並未有實證支持的說法。
直至愛因斯坦提出「相對論」的1917年，科學界對於宇宙的概念大概還是這樣的：宇宙是靜止和永存的，地球處於宇宙中唯一的 “銀河系Milky Way”內。但是按照「重力gravity原理」，物件間的引力最終會令它聚集在一起，故宇宙理應並非靜止不動。

天文學家久已發現水星運行的軌迹並不穩定：橢圓的軌迹大概每個世紀便會向內偏1/100度。愛因斯坦在研究「廣義相對論」的時候，成功計算出水星運行的軌迹，間接證明宇宙並非一個恒定不變的系統，但愛氏卻非第一個提出大爆炸理論的人。
1927年比利時教士Georges Lemaitre發表廣義相對論方程式的解，並按此提出宇宙並非靜止而是不斷擴張的。**** 此說法卻引來愛氏的劣評，指Lemaitre的數學雖然出色，但物理學知識卻 “令人生厭abominable”。

Lemaitre沒有因此卻步，他進而提出宇宙源於“原始原子Primeval Atom”，他認為原始原子開始擴張前時間並不存在***，故沒有原始原子前的時間。
這個假說並非完全正確，尤其是Lemaitre當時以教士身份提出，而該理論又涉嫌支持 “創造論Creationism”（即宇宙從某一時點突然 “無中生有ex nihilo”，雖則他本人聲稱原始原子並非聖經中所指的創世紀）。但該理論指出宇宙從 “原始時點”開始不斷擴張這一說法，現今已普遍被科學家認為極大可能是對的。 「原始原子假說」便是大爆炸理論的前身。

在原始原子假說面世的20年前，名不經傳的天文學女技術員Henrietta Leavitt發現一種革命性的測量方法：透過測量兩顆光度隨時期改變的星cepheids的亮度，便可計算出兩顆星之間的距離。可惜當1924年諾貝爾委員會正要決定提名Leavitt時，才發現她3年前已因癌症離世。
1925年美國著名天文學家Edwin Hubble以這種測量方法得出太陽並非位在銀河系的中央，而是居於一個無甚特別的角落。他同時指出銀河系比原來預期的要大得多。 Hubble亦發現「仙女座星雲Andromeda」內的cepheids距離地球太遠，、應該屬於另一個星系，因而提出太陽系並非宇宙中唯一的星系***，這個說法推翻了科學家一直以來的認知。

1842年美國物理學家Doppler提出著名的「Doppler effect」：向目標發出一道波wave，如果波的來源正在向目標移動，波便會受壓縮，即頻率會提高而波長則縮短；反之，如果來源正移離目標，其頻率便會降低而波長則會延展。 電影中迎面撞向鏡頭的車輛發出的警號聲越來越高音便是這個原理。

有趣的是，當光從星球射出時，特定波長的光會被某些物質所吸收，這些被吸收的光線稱為absorption lines。同樣的物質會穩定地吸收該特定波長的光，所以透過分析來自不同星球的光， 便可得知在其他星球上面找到的物質和地球是極為相似的**。除了物質吸走光之外，根據Doppler effect光源的運動也會對光的性質有所影響。

美國天文學家Vesto Slipher在1912年發現，從不同星雲射進地球的光，它們的波長都不約而同地產生 “位移shift”，幾乎全部都移向波長較長的紅色。 Slipher提出這些星雲應該是以相當的速度移離太陽系的。

1929年Hubble提出著名的「Hubble’s Law」：距離越遠的星系，會以更高的速度移離我們。**** 事實上幾乎所有的星系都遠離我們而去，*** 只有極少數如仙女座星系正在趨近銀河系。

Hubble’s Law很容易讓人誤會銀河系在宇宙的中心，但其實不然，觀看下面圖片便一目了然。

所以，所有星系都是中心，也不是中心。