大爆炸系列 [二] 我哋都係大「爆炸」下嘅產物 (We are all remnants of the Big Bang)

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(Credits: S.Harris, http://www.sciencecartoonsplus.com/gallery/astronomy/galastro2h.php#)

好耐冇講嘅宇宙大爆炸系列番嚟啦!今次繼續同大家講吓宇宙學中「家傳互曉」,人人都聽過嘅宇宙大「爆炸」理論(the Big Bang theory)。上回提要:宇宙大「爆炸」係空間膨脹唔係爆炸,冇所謂中心點。大「爆炸」正確嚟嘅應該叫「處處伸展」理論,理論本身亦唔包同冇說明宇宙起源同開端係點。再講多一次,「大爆炸」其實係一個改得好差嘅學術名稱,連漫畫家都笑物理學家幫個理論起個咁嘅名,見下圖 [banghead]

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(Credits: Calvin and Hobbes, 5 May 1991, http://i934.photobucket.com/albums/ad185/tannybogus/cea4a42f6e6a513764687b527da6a9b1.jpg)

大爆炸嘅證據 (the evidence of Big Bang)

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(Credits: Darrin Bell, http://www.thecomicstrips.com/store/add.php?iid=130664)

成日都聽啲物理學家講宇宙大爆炸,但佢哋又冇親眼見證過大爆炸發生,佢哋又憑乜嘢「9up」話宇宙曾經發生過「爆炸」呢?無錯,冇人喺大爆炸嗰刻已經出世,冇人親身見證過宇宙誕生嘅歷史,但唔一定要親眼睇到,經歷過先至算上係確切證據。唔通因為我哋未親眼見過活生生嘅恐龍,我哋就可以無視一堆堆骸骨、化石證據,否認牠們曾經存在同主宰住地球(聖經至上嘅極端耶撚除外)?

比喻嚟講,宇宙學家推論出大爆炸模型當中嘅過程就好似睇住一個細路或者一樖植物隨時間長大咁,我哋可以根據佢哋嘅成長情況從而推論出以前或者將來佢哋會變成點,進而建構一個能準確描述佢哋成長過程嘅模型。不過正如拙文開頭所講,大爆炸唔係完整理論,係唔可以無限倒帶回推番到無限久遠嘅過去。就好似一個細路仔,唔通單由佢身體不斷長大嘅過程你可以推論出佢出生嗰刻係一個「奇點」,係自己無中生有或者好似孫悟空咁由石頭咁「爆」出嚟?PS: 有關宇宙大爆炸模型嘅問題下一篇文再詳細講。

雖然哈勃(Edwin Hubble)喺上世紀初發現星系紅移(galaxy redshift)係最早支持宇宙唔係恆態而係膨脹中嘅觀察證據,但真正確立宇宙大爆炸模型係啱同佢地位嘅係小弟下面會詳細講嘅其他證據。

證據[一] 宇宙微波背景 (The Cosmic Microwave Background, CMB)

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(Credits: ESA, Planck mission)

宇宙大「爆炸」雖然唔係一次爆炸,但同「爆炸」類似,宇宙整體本身其實都好似一個「火球」,佢係有溫度同會釋放出黑體輻射(blackbody radiation)*。當宇宙大「爆炸」發生後冇幾耐,宇宙仲係好早好早期嘅時候,佢嘅能量密度同溫度非常之高,入面一切物質都處於離子化(plasma)狀態。喺呢個充滿高能量光子嘅環境下,所有物質都會被「分解」^成質子、中子和電子等嘅自由離子,而佢哋同高能量光子(輻射)間嘅強烈相互作用會令啲光(子)冇辦法喺宇宙空間入面自由穿梭,宇宙空間喺嗰時對光(子)嚟講係唔透明嘅。用比喻嘅話情況就好似身處番工或放工繁忙時間時嘅金鐘站,喺一窩蜂嘅人潮入面「逆流」而行時,無論你行得幾快點樣走都好難行得郁同避免同其他人冇身體碰撞。

*根據物理學其實任何有溫度嘅嘢都會釋放出(黑體)輻射

^呢度小弟括住「分解」係因為嚴格嚟講用呢個詞唔係幾啱,啲物質喺之前冇結合成原子過(除非循環宇宙模型cyclic universe被證實),所以用「分解」其實有啲唔係幾恰當 【自:O)】

之後隨著宇宙繼續膨脹,開始冷卻到某個溫度後,高能量嘅光子愈嚟愈少。呢個時候電子開始同質子結合成氫原子,而呢啲中性嘅氫原子同宇宙背景輻射嘅光子冇乜太強烈嘅相互作用。宇宙演化史中呢個紀元叫復合(recombination )#。由呢個時候開始宇宙溫度所衍生嘅背景黑體輻射先真正開始喺宇宙空間入面自由穿梭,由嗰刻開始你先會睇到呢啲嚟自四方八面嘅背景輻射。後嚟宇宙繼續膨脹,呢啲黑體輻射嘅光就會因為宇宙紅移佢哋嘅波長會被一直拉長,最終去到宜家變成微波,所以我哋嘅宇宙其實係一個巨大嘅微波爐,裡面充斥著「會煮熟人」嘅微波呀!(講笑咋,唔會煮熟人)

#又一個改得好差嘅學術名稱,明明之前就冇一齊過(除非循環宇宙得到證實),又何來「復合」?[sosad] 

宇宙微波背景呢樣嘢其實早喺被發現之前,物理及宇宙學家伽莫夫(George Gamow)已經喺上世紀40年代根據之前費德里曼(Alexander Friedmann)同耶撚(?)勒梅特(Georges Lemaître)等人提出嘅非恆態宇宙,大爆炸理論雛型預測到佢嘅存在。伽莫夫係最早將前人研究嘅非恆態嘅廣義相對論公式同解深入應用喺描述宇宙演化同膨脹,並最先提出宇宙早期能量以輻射形式為主,即輻射主控時代(radiation dominate era)嘅第一人,從而推論出宇宙本身係有溫度,而且會隨膨脹或收縮改變。之後佢嘅學生阿爾化(Ralph Asher Alpher) 同另一位物理學家赫爾文(Robert Herman)其後修正番佢原先嘅估算,推測宇宙背景輻射對應嘅溫度大概應該係5K(絕對溫度)左右。

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(Credits: https://thesciencegeek.org/2015/07/25/the-steady-state-theory/)

雖然大爆炸模型開始逐漸成形而且理論上亦有宇宙微波背景呢啲預測可以去做驗證,但嗰時物理學界對大爆炸仍然存疑,對宇宙究竟係穩態定非穩態仲爭論𡁵,始終星系紅移並唔係一個好有力支持大爆炸模型嘅證據。同時期以天文學家荷爾(Sir Fred Hoyle)$為首提出穩態理論(steady-state theory),認為如果星系間嘅空間不斷產生物質,即使宇宙係膨脹𡁵,宇宙嘅特性好似物質嘅分怖、能量密度、星系遠離速度同距離嘅關係等喺任何時候睇都一樣,唔會隨時間改變,好似上面幅圖咁。

$改「大爆炸」呢個名嘅罪魁禍首

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(Credits: NASA, https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Horn_Antenna-in_Holmdel,_New_Jersey.jpeg#mw-jump-to-license)

對大爆炸模型嘅爭論終於喺後嚟經由天文學家威爾遜(Robert Wilson)彭齊亞斯(Arno Penzias)喺60年代利用類似上面幅圖咁樣嘅喇叭型天線測量嚟自天空嘅無線電波時意外發現宇宙微波背景得到平息。其實起初佢哋嘅目的係做衛星通信實驗,冇諗過用嚟搵宇宙微波背景,只係咁啱佢哋發現就算儀器指向天空邊個方向都測到一啲額外睇落似嚟自外太空嘅微波雜訊。一開始佢哋仲以為啲雜訊係雀仔嘅雀屎引起,但經過一大輪驗證,以及同著手做𡁵相關宇宙微波背景研究嘅宇宙學家迪克(Robert Dicke)交流、討論後,終於確定哩啲雜訊其實係充斥住宇宙嘅背景輻射,佢哋亦因為呢個重大發現喺1978年獲得諾貝爾物理學獎。

證據[二] 太初核合成(Big Bang nucleosynthesis)

除左宇宙微波背景之外,另一個支持宇宙大爆炸模型理論嘅有力證據係太初核合成(Big Bang nucleosynthesis),而呢樣證據亦都關上面提到嘅伽莫夫事。除左從理論出發最先預測有宇宙微波背景存在之外,伽莫夫仲有發表聞名於後世嘅「αβγ」論文[1],詳細解述今日我哋宇宙中嘅主要化學成分嘅百分比點樣透過宇宙大爆炸而形成,呢個就係太初核合成嘅理論。

喺大爆炸同暴脹發生後冇幾耐,宇宙處於極高溫同高壓嘅離子狀態嗰種情況下,宇宙仲未有原子存在,所有物質都會被「分解」成中子、質子等嘅基本粒子。隨住宇宙膨脹,當宇宙降溫降到差唔多,高能量光子愈嚟愈少時,質子同中子開始因為強核力結合組成氘原子(H-2或D)@。呢啲氘原子之後又會因為相互間嘅強核力作用再結合成重啲氦同鋰同位素原子,詳細嘅化學反應公式可以睇下面幅圖。

@氘為氫原子嘅同位素

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(Credits: http://www.einstein-online.info/spotlights/BBN.html)

上述核聚變嘅過程宇宙學家可以根據大爆炸模型宇宙早期嘅溫度同密度推測光子同重子嘅比例,從而推測核聚變發生時嘅條件去估算最終氫、氘、鋰呢啲元素佔宇宙化學成分嘅百分比。現時觀察證據顯示嘅宇宙化學成分百分比都同大爆炸模型估算嘅非常吻合,由此我哋可以確定大爆炸模型係啱,氫、氘、鋰呢啲元素的確係經大爆炸而誕生嘅。

今次講到呢度,最後請記住真正確立大爆炸模型嘅證據唔係星系紅移,係宇宙微波背景同太初核合成先啱。喺最最後送首今屆世界盃主題曲為本拙文同今屆世界盃作結

https://youtu.be/WmZtW3c5mgo

引伸延讀:

[1] R. A. Alpher, H. A. Bethe, G. Gamow, The Origin ofChemical Elements, Physical Review 73 (1948), 803.

[2]《Q: What is the evidence for the Big Bang?》(英文)

http://www.askamathematician.com/2011/04/q-what-is-the-evidence-for-the-big-bang/

[3] 《早期宇宙的實驗室:宇宙微波背景》,郭兆林著,刊於《物理雙月刊》2005年12月

http://psroc.org.tw/bimonth/download.php?d=1&cpid=147&did=3

[4] https://zh.m.wikipedia.org/zh-hk/宇宙微波背景

[5] http://blog.sciencenet.cn/blog-677221-936807.html (殘體)

6 thoughts on “大爆炸系列 [二] 我哋都係大「爆炸」下嘅產物 (We are all remnants of the Big Bang)

  1. 其實創造論者都承認恐龍存在過,不過佢地唔信地球有咁耐,轉而聲稱恐龍曾經與人同行啫,然後話佢地喺挪亞大洪水中絕晒種。(延續左災變說將沉積岩化石證據全部用大洪水解釋既思路)

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