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2012年3月4日 星期日

與小女兒談談這個宇宙 – 宇宙大爆炸 I

我說:今天讓我們來談一下宇宙大爆炸的理論吧
她說:媽媽,宇宙大爆炸的理論是真的嗎?  很難想像ㄝ!”
我回:…..我可能得先澄清一下科學理論都不是絕對的喔。
她說:怎會這樣,我以為科學理論都是真的。


我回:所有的科學理論通常都是基於一個假設,然後用一個數學模型,來描述我們看到的現象。這個數學模型會告訴我們在甚麼情況下,應該會看到甚麼樣的結果,於是我們開始進行實際觀察測量,假如最後觀測的結果和數學模型中的預測相符合,這個理論便通過檢驗,假如觀測的結果不符合數學模型中的預測,我們就得放棄或修正這個理論。你現在看到的數學物理公式就是這樣來的。 

她說假如是這樣,那為甚麼科學理論不是絕對的或是真的?!”
我回因為我們只能確定那些數學模型目前適合描述我們這一個宇宙。然而我們心中一定要了解,我們在自己建立的科學和理性指導下,看到的事實未必就是真正的客觀事實。而且,有時觀測者也可能會有失誤的地方,這在過去並不是沒發生過。 

她說:”那要怎樣才能知道甚麼是真的?
我回:”其實啊,我們基本上永遠無法斷言甚麼是真實的”
她說:”甚麼跟甚麼啊? 如果是這樣,我們幹嘛要了解這些理論啊?”
我回:”是啊,不知道這些理論,不知道這世界如何形成,不知道我們從何而來,不知道我們為什麼在這裡,不知道我們又要去哪裡,確實完全不會影響我們每天的生活,然而身而為人,我們擁有難能可貴的腦袋瓜啊、思想啊、意識啊,我們自然會好奇地問這些那些問題啊。對於科學的了解,不一定要只侷限在功用性啦,也可以是像聽音樂一樣,坐下來,慢慢地聆聽這宇宙傳來的聲音。

她說:像我們這樣?!”
我回:嗯!像我們這樣躺在床上,看著天花板,想像在137億年前,整個宇宙在幾百萬分之一秒內瞬間Bang一聲,天地撐開,從此有了我們現在周遭這一切。然後在過了137億年漫長的歲月後,有兩個有幸擁有小小腦袋瓜的人類,試著去了解人類宇宙的起源…”
她說:嗯,真的感覺不錯喔,媽,你知道嗎? 我們學校有教過,宇和宙分別是空間和時間的廣度,所謂上下四方曰宇,古往今來曰宙。
我回:哇,我真的不知道ㄝ!” 

她說:那為甚麼要叫做大爆炸”?”
我回:因為這個理論是說在這個宇宙出現之前,一切空無,沒有時間,沒有空間,沒有物質,沒有能量,甚麼都沒有,然後,非常非常的偶然間,突然Bang一聲,宇宙從一個小點開始出現,那個小點就是現在所謂的奇點”” 

她說:那個點為什麼會出現呢?”
我回:真的沒有人知道那個點為什麼會出現。有人說是無中生有,但不符合科學質能守恆。也有人猜測說其實空間並不是空無一物,而是有細微的正負粒子不斷產生與湮滅,我們只是看不見,所以那個點就是這些正負粒子起伏碰撞一起造成的。不過,那個點的誕生是一個謎,目前也無法完全真正証明….” 

她說:但出現一個小點也不用叫做大爆炸?”
我回:因為依照這個模型,這個奇點必須是一個密度無限大、熱量/溫度無限大、體積卻無限小的「點」,你要想像這個點像爆竹般瞬間爆開,暴脹後創出/撐出廣大均勻的空間,然後膨脹速度才在一段時間後變慢,到達今天的狀態。

她說:像吹氣球一樣?! 剛開始怎麼用力,氣球都不動,然後要一直一直用力吹,用盡吃奶的力氣後,氣球裡面的某一個點才瞬間被撐開,那時候,氣球會一下子長大好多,接著才慢慢長大….”
我回     嗯,其實很像那樣哦 

我繼續說 哦,對了,在進入宇宙大爆炸模型的細節前,我來先讓你了解一下。 宇有多大? 宇是甚麼? 可不可再說一次?”
她說:宇就是空間的廣度。
我回:嗯,宇就是空間的廣度,宇就是93億光年。在這個我們看得到的宇宙裡面,大約住了1000億個星系(我們銀河系就是一個星系),每個星系又大約有1000億個恆星,太陽就是銀河系裡的一顆恆星。而且行星的數量也差不多。

她說:哇,那到底有多大啊? 宇的形狀是甚麼呢?”
我回:一光年相當於光行走一年的距離,所以一光年是3 x105 x60x60x24x365 km。而 93億光年就是93x108x3x105x60x60x24x365 km,這一個距離就是我們今天看得見(可視)的世界,大到無法想像吧!! 你先記得這個數字就好,反正對於我們這個小腦袋瓜而言,93億光年相當於無限了。至於是甚麼形狀? 沒有人知道,因為看不到邊邊,所以有人宣稱現在的宇是無限的。從看不到邊界的觀點來說,其意義確實很像無限,但也不能說看不見就是無限,是吧!”
她說:對啊,我們的世界對螞蟻來說,也相當於無限了吧!

她繼續說:那宙呢,這個時間的廣度,我們的歷史有多久?”
我回:有人認為這個世界是在137億年前誕生的,也有人說是誕生於156億年前,所以宙可以說是137156億年。順便告訴你,我們的太陽系和地球是在50億年前誕生的 ,38億年前地球出現了第一個生命,300萬年前,人類露西Lucy誕生了,我們現代人種則是要等到二十萬年前才出現的。 只是我們祖先一直待在非洲, 直到七萬年前才出走。
她說:我們真的好渺小喔
我回:對啊,所以了解我們的起源,可以教我們學會謙卑,學會去愛和珍惜這世界的種種哦。下一次我們再來談談大爆炸到底炸出了什麼東西,形成了現在的萬物日月星辰….”



描述宇宙膨脹的藝術構想圖,其中橫坐標表示宇宙演化的時間,而對應的空間尺寸(包括想像中的不可觀測部分)都用相應的圓橫截面表示。左端表示在暴漲時期發生的急速膨脹(注意不成實際比例),而當宇宙演化到中期時開始加速膨脹。而微波背景輻射的形成、恆星形成、星系形成以及WMAP的出現都在相應的時間上表示出來。

圖片來自2006年的WMAP新聞發布會

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