大爆炸系列(一)︰宇宙大爆炸有幾「爆」?(What is Big Bang theory?)

“ A whole universe was in a hot dense state. Then nearly fourteen billion years ago expansion started. Wait…”

大家知唔知上面歌詞嚟自邊套劇?唔知或者未睇過嘅強烈建議去搵嗰套劇睇下,絕對好睇同搞笑過CCTVB膠劇 [yeah]

好啦,入番正題,小弟既然提起套劇,今次當然係講宇宙大爆炸(Big Bang Theory)啦! 宇宙大爆炸大家可能聽得多,但對理論背後又有幾多認識呢?佢係話我地宇宙係創世紀(唔係CCTVB套神劇)咁無中生有咁「爆」出嚟?佢可以解答到所有關於宇宙嘅起源同演化問題?對於呢啲誤解同問題,小弟會嘗試喺呢個系列度解答一下

PS: 小弟貴為一介(廢柴)宇宙學家,同大家(不負責任地)講解過唔少物理學、宇宙學理論,但咁耐以嚟好似都冇詳細講過宇宙大爆炸 [sosad] 開始前先自膠 :O) :O) :O)

大爆炸其實一啲都唔「爆炸」(Big Bang is not an explosion)

首先從字面上講,宇宙大爆炸呢個名其實起得幾差,就好似「上帝粒子」、「天使粒子」、量子力學入面粒子固有嘅內在物理性質之一自旋(spin)咁,雖然係幾「吸晴」,但對一般冇相關背景知識嘅人嚟講其實幾誤導下…正所謂唔怕生壞命,最怕改壞名,美國軍艦都因為改壞名出事啦,好似係 [1] 睇嚟物理學家應該搵時間煲吓文學,學吓人地點改名 [sosad] 再唔係搵風水堪輿學家如麥xx/蘇xx大師請教吓? (曲)

(credit: Scientific American)

宇宙大爆炸呢個模型係建基於弗里德曼公式 (Friedmann equations),一組喺愛因斯坦(Albert Einstein)嘅廣義相對論(general relativity) — 一個顛覆人類以前一直對時間同空間固有觀念睇法嘅理論,框架下建立嘅宇宙學公式。宇宙大爆炸簡單概括講係指我地身處嘅宇宙其實同日常生活嘅體驗唔同,佢唔係靜止,反而係不斷膨脹o緊,而且宇宙嘅溫度係會隨膨脹下降,好似「爆炸」火球咁。不過有一點同爆炸好唔同,膨脹嘅係時空,冇所謂爆炸中心點;膨脹嘅係時空,冇所謂爆炸中心點;膨脹嘅係時空,冇所謂爆炸中心點 (好重要所以要講三次)。

時空膨脹?即係點呀?試想像你係一隻喺汽球表面上嘅螞蟻,而汽球表面就係你身處嘅「宇宙」,好似上圖咁(同樣比喻亦可以用喺收縮)。宇宙膨脹好似汽球膨脹咁,宇宙(即汽球表面)上任何點同點嘅距離都會隨時間增加,就算你靜止唔郁都好。

big_bang_1

對宇宙大爆炸錯誤嘅理解

big_bang_2

正確嘅宇宙大爆炸

而且宇宙亦冇任何特殊嘅所謂「爆炸中心點」嘅地方,好似下面條片講咁

https://www.youtube.com/watch?v=W4c-gX9MT1Q

不過呢個始終只係比喻,而比喻當然唔會完全100%準確啦。根據廣義相對論宇宙唔似汽球咁需要有額外空間或者維度比佢去膨脹,亦唔需要「吹氣」去做成膨脹。汽球比喻入面嘅額外空間同維度只係俾你可以具體啲理解同用肉眼觀察膨脹呢個現象。而且宇宙係無邊界嘅,所謂直徑140億光年只係我地嘅視界範圍,可觀察宇宙嘅大細。不過嚴格講邊界問題其實冇人知答案,不過至少現時宇宙學公認,喺大爆炸基礎上建立嘅標準理論模型ΛCDM係冇,宇宙係無限大。

大爆炸唔包宇宙開端,冇話宇宙係無中生有而嚟 (Big Bang theory does not apply in very early Universe)

另外大爆炸呢個名好似意指宇宙有一個開端,世界/時間有一個開始,暗指可能有造物者存在。不過事實係宇宙學家口中講嘅大爆炸從來都唔包宇宙開端同太初宇宙 (距「開端」少於約1分鐘),因為大爆炸同標準模型ΛCDM建基於嘅廣義相對論喺嗰時會失效,需要用到未知嘅量子重力去取代,用失效嘅理論去推測宇宙開端係點根本冇理據同意思。

大爆炸呢個模型其實係應該好似影片倒帶咁倒番轉去睇同理解先啱。基於1929年哈勃(Edwin Hubble)發現嘅星系紅移,包括之前一直堅信宇宙為靜止嘅愛因斯坦在內嘅宇宙學家知道宇宙其實係膨脹o緊。咁如果我地倒帶咁睇番轉頭,我地會發現星系嘅距離越來越細,佢地會越來越接近甚至融為一體變成一點。見到咁,可能受宗教信仰影響,之前一直有研究開弗里德曼公式嘅物理學家兼「耶撚」勒梅特(Georges Lemaître) 就提出話宇宙可能係起源於一粒「太初原子」,時空亦由嗰刻誕生,好似創世紀咁。由於太前衛而且有宗教色彩,呢個理論被天文學家海爾爵士(Sir Fred Hoyle) 戲稱為「大爆炸」,變成後嚟無可挽救嘅錯誤,好似係 [sosad] 雖然「大爆炸」當時唔係主流,好多爭論,但後嚟發現嘅宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave Background, CMB)太初核合成 (Big Bang nucleosynthesis) 等觀察證據*都證明宇宙的確係一直以嚟不斷以不同速度膨脹o緊。下圖簡單概括講解咗根據「宇宙大爆炸」呢條片現今物理學家知道嘅宇宙歷史係點 (英文)

*詳細關於大爆炸觀察證據嘅詳細講解下次再講

不過正如小弟之前講,大爆炸係唔包宇宙開端同太初宇宙架,上圖講嘅時間開端其實唔啱,而且嚴格講暴脹 (inflation)係唔包括喺大爆炸模型入面。最後總結係「大爆炸」正確啲講其實應該好似下面條片咁叫做「處處伸展」理論先啱,好似係 [slick] PS: 不過宇宙係唔係無限大呢點有爭論嘅地方,雖然現時公認標準理論模型ΛCDM係

https://www.youtube.com/watch?v=q3MWRvLndzs

最後送首「片尾曲」作結

https://www.youtube.com/watch?v=CMSYv_Z4SI8

今次講住咁多先,下次有時間再講 (Bazinga!)

 

引伸延讀︰

[1]https://www.thestandnews.com/cosmos/%E7%BE%8E%E5%9C%8B%E8%BB%8D%E8%89%A6%E6%94%B9%E5%A3%9E%E5%90%8D/

[2] 《Misconceptions about the Big Bang 》by Charles H. Lineweaver and Tamara M. Davis, Scientific American, March 2005 (英文) link: https://www.mso.anu.edu.au/~charley/papers/LineweaverDavisSciAm.pdf

[3] https://www.thestandnews.com/cosmos/%E7%A7%91%E5%AD%B8-%E7%B4%85%E7%A7%BB-%E5%BE%AE%E6%B3%A2-%E6%98%9F%E7%B3%BB-%E5%8E%9F%E5%AD%90%E5%92%8C%E5%A4%A7%E7%88%86%E7%82%B8/

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