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2012年3月11日 星期日

與小女兒談談這個宇宙 – 宇宙大爆炸 III - 紅移

她說:媽媽,想想這整個宇宙大爆炸歷史,怎麼會讓人更覺得應該有個全能的上帝在操作這整個過程啊?
我回:對啊,有些教徒即是因為此理論可以用來解釋支持創世論,因而更加堅持有上帝的存在。
她說:那你呢?”

我回:是啊,我自己是很驚奇於這很多的偶然,像之前講的,宇宙在開始的那一剎那,如果宇宙中的正粒子沒有比反粒子多出那麼一點點的話,整個宇宙將在大爆炸後的那一刻就會因為正負粒子互相湮滅而毀滅,甚麼都沒有了,當然就不會有你和我現在躺在這裡談天說地了。所以史帝芬.霍金曾說過"在宇宙大爆炸之後, 有極高的機率不會形成我們這個宇宙"。何況還有很多尚未有解的奇特物理現象像暗物質暗能量,而且,目前實驗室也還無法模擬出宇宙剛開始時的狀態,那時的狀態是密度極高溫度極高,超過我們現有的技術。 

她說:所以?”
我回:所以,我並不排斥可能有個全能的上帝在操作這整個過程。但是,相信有一個上帝操作這一切比較會視這個世界的形成為理所當然,而減少對這世界探索求知的熱誠。我們身為人類,總不免會抬頭看星星,總不免想要知道這個世界是如何運轉的,是否有合理的解釋,我們又可以從這裡學到甚麼,避免主觀狹隘的偏見。所以,我比較傾向於先把是否有上帝這個大問題放一邊。但我也強調科學未必就客觀,到也不代表就是真的, 永遠保持開放的心胸,試著去聆聽不同的聲音。
她說:贊成
我說:那我們今天來談是那些觀測證據使人們現在比較接受宇宙爆炸的模型。 

我繼續說:第一個是為什麼認為宇宙是由一個點爆開,而不是一直以來就是現在這個樣子? 首先是美國物理學家哈伯在1923-1929利用望遠鏡觀察到了我們的宇宙的確是在膨脹的。
   
她說:怎麼觀察到的啊?”
我回:嗯,我們先回到一些基本原理。首先,天文學家是利用望遠鏡觀察遙遠星系發出的光,所以星星的光是旅行了一段時間,跨越了整個太空來到我們眼前。例如,我們現在看到的太陽光,已經是它八分鐘前的光,因為它距離我們地球大約是15千萬公里(149.59x106公里/3x105(每秒光速)/60(1分鐘是60) =8.3分鐘 )。有一天太陽燃燒殆盡,我們也會在八分鐘後才知道。因此,當我們抬頭望向太空,其實是往回望向整個宇宙過去的歷史,距離越遠的星球,光旅行得更久,代表我們看到一個宇宙更久遠的過去。例如,最靠近太陽的恆星是距離4.2光年的半人馬座比鄰星,我們現在觀察到半人馬座的星光,是多久以前出發的?” 

她說:我想想哦,是4.2年前嗎?
我回:答對了。以此類推,全天空最亮的天狼星距離我們8.6光年,我們看到的星光是8.6年前天狼星發出的光。像我很喜歡美麗的"仙女座",她距離我們是230萬光年,所以你可以想像嗎?!我們用望遠鏡觀測她時,看到的是 230萬年前的"仙女座"
她說:怎麼知道它距離我們多遠?”
我回:簡單的說,如果是遙遠的星星,是藉由星體本身應有的亮度和我們所見的亮度比較出來的。看起來越暗的,星體離我們越遠。 但我們今天不細談如何計算距離,否則就會拉不回到我們的主題喔
她說:喔,好啦! 

我繼續說:" 其實是一種波。不同波長的光,顏色就不一樣。光的波長越長,就越紅,光的波長越短,就變得越藍。現在你閉起眼想像一隻鴨子在水面向你游來,把眼睛從優雅的鴨子身上往下看鴨子身體下的水波,你可以看見鴨子前面的水波間隔變密,但鴨子後面的水波間隔變大。水波的間隔變密,表示波長變短了。
她說:我學過聲波哦
我回:哦,那更好。聲音的高音是波長較短的音波,低音則是波長較長的音波。我們常聽到救護車喔一喔一的聲音,有時高有時低,對不對!下次注意聽再注意看救護車,你會發現當救護車靠近我們時,警笛的聲音聽起來很高,但當救護車遠離我們而去時,警笛的聲音聽起來變低了。原理和剛剛講的一樣,當救護車靠近我們時,聲波的間隔因救護車不斷靠近我們而變短了,所以聲音聽起來很高。救護車遠離我們而去時,聲波的間隔因救護車不斷遠離我們而變長了,所以聲音聽起來很低。
她說:嗯,這個我有學過哦
我說:"那你知道這就叫做都卜勒效應。"
她說:不知道


光源相對觀測者的運動導致紅移和藍移

 
當波源向左移動時,其左邊的頻率變得較高,而右邊的頻率則變得較低
我繼續說:"知道了都卜勒效應,也知道了光的波長變長,就越紅。所以要進入主題了哦。如果星系在空間中相對於我們的位置沒有變動,則它們發出的光在每個方向上的波長應該是一樣的。對吧?
她說:應該是吧
我繼續說:"然而,天文學家利用望遠鏡觀察遙遠星系發出的光,想要觀察宇宙較早的年代時,發現光卻變紅了,表示光在太空旅程中,其波長被拉長了,而且是每個方向觀察到的都一樣。這表示甚麼?” 

她說:嗯,星星的波被拉長代表星星都在遠離我們
我說:"對了,星系都在遠離我們,為什麼呢? 所以我們推斷宇宙在膨脹,空間在擴張,因而星系彼此遠離,光波也因而被拉長,所以光變紅了, 這就是我們所謂的紅移 

現在想像我們這些星系/星球都在同一顆氣球的表面上,所以氣球的表面上佈滿我們這堆小小芝麻點,有一天有人把氣灌進這顆氣球時,氣球膨脹了,氣球表面上我們這堆小小芝麻點,也會因氣球不斷長大而彼此越離越遠。 

如果當前星系間彼此的距離在不斷地長大,這應是說明了它們在過去曾經距離很近過,像氣球消了氣時一樣。從這一觀點物理學家推測現在的宇宙在膨脹,所以回到久遠的過去,宇宙應曾經擠在一起。然後根據現在的膨脹速率,宇宙擠在一起的那一點(大爆炸)應該發生在137億年前。 

她說:真是很奇妙,觀測星光,發現紅移,推測出膨脹宇宙的觀點。然後既然現在我們的宇宙正在膨脹,一定曾經從一個點膨脹出來的,再根據現在膨脹的比率,推算出最早的那一個點應該是在137億年前。真的好有趣哦!
我說:"對啊,其實不管這個模型是不是真的,光這樣的理解有時就令人很興奮,對不對?
她說:嗯,我終於知道媽媽你為什麼這麼喜歡看這些東東了 

我說:"紅移現象是 大爆炸理論第一個重要的觀測證據。我們下一次要談第二個非常重要的觀測證據,那就是觀測到宇宙微波背景輻射的存在 

她說:媽媽,如果這個世界一直在膨脹,一直在膨脹,我們的身體會不會被撕裂啊?! 太陽系會不會也被撕裂啊?!這個宇宙會不會也被撕裂啊?

我說:"其實宇宙膨脹的力道不像你想像的那麼大喔。我們身體的原子,彼此有很強的力量連結在一起,不會被撕裂。太陽和我們這些行星也因為重力而綁在一起,我們只能在它周圍不斷繞圈圈,不會被撕裂。其實我們銀河系和仙女座星系因重力互相吸引,還正在靠近呢,預計30億年後,我們兩個星系會撞在一起‧


她說:那是哪裡在膨脹啊?

我說:"星系之間如果彼此的重力吸引很小,就會受到膨脹力量的牽引,彼此越離越遠。這像是一個暗能量和暗物質的角力。所以也有人預言最終星系群、恆星、行星、原子、原子核以及所有物質都會在一直持續下去的膨脹中被撕開,即所謂大撕裂。但那是很久很久以後了,或許是1000億年以後了,所以你就不用擔心了,好好睡覺吧。
http://www.sciencephoto.com/media/247179/view




用近紅外拍攝天空得到的全景圖,顯示了銀河系以外星系的在宇宙中的分布,其中不同的紅移量用不同的顏色標出。

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