回到時間的源頭
人類出現在宇宙生命史的全盛期,因此錯過了宇宙演化中大多數的精采好戲。當我們凝視滿天星斗的夜空時,頂多只能看見數千顆恆星,它們大都分布在一條通稱為銀河(Milky Way或 Galaxy,學名為「銀河系)的巨大帶狀區域,這就是古人所知的整個宇宙。
隨著科技漸漸的進展,在望遠鏡造得愈來愈大、且其解析度愈來愈高之後,一個大到不可思議的宇宙圖像終於呈現在人們眼前。其中,眾多的星體聚集成宇宙間明亮的島嶼,那就是我們所謂的星系(galaxy),各個星系間則充斥著低溫的微波(microwave)──大約一百五十億年前「大霹靂」(big bang)所留下來的「回聲」。如今這個各處都在不斷擴張、逐漸冷卻並且愈來愈稀薄的宇宙,便是由大霹靂這樁爆炸事件所產生的;時間、空間與物質,也全是源於這個驚天動地的大霹靂。
科學的創世說!
在剛剛創生的那一刻,宇宙是一個充滿輻射的煉獄,沒有任何原子或分子能在那種高溫中存活。在最初的幾分鐘之內,宇宙的溫度便降低到了足以使最簡單元素的原子核形成的地步。經過了幾百萬年,由於宇宙的溫度不斷下降,所有各式各樣的原子才一個接一個出現,然後簡單分子也很快的跟著形成。可是還要再等幾十億年,一連串的複雜過程使宇宙物質凝聚成星系與恆星之後,才有可能出現穩定的行星。而在行星的環境中,一些至今仍不明的過程滋養了生化反應的複雜產物。然而,這些一連串的精密過程,到底是如何、為何開始的呢?關於宇宙創始的過程,
古人所流傳下來的各種創世故事,就現代的觀點而言,沒有任何一個能視為科學理論;因為它們並未試圖揭示宇宙結構的任何新象,它們只是專注於排除人類對想像中未知的恐懼。編故事的人將自己也融入故事之中,以為這樣就可以感覺到自我與宇宙之間的關聯,進而祛除對於未知與不可知的恐懼心理。然而,當代科學理論需要做的卻遠比這多得多︰新的科學理論必須導出比目前更深的推論,提供我們更多關於宇宙的知識;還要夠廣以便預測新的結果,也藉以當作「檢驗理論本身能否解釋這世界已知現象」的試金石。此外,一個成功的科學理論,還必須將許多
當代宇宙學家應用的方法其實很簡單,然而對於不屬這一行的人而言,就不是那麼顯而易見了。他們通常的出發點都是假設︰主宰我們地球上的、屬區域性現象的物理定律,一般而言也可以適用於整個宇宙,除非某些極端的情況出現時才必須修正。宇宙學(cosmology,舊譯「宇宙論」)的研究發現,在宇宙的某些地方,尤其是在過去的時空中,存在著一些密度與溫度極高的狀態,並不能根據地球上的一般經驗而理解。科學家相信,現在所使用的某些理論,在那些情況下仍然繼續成立,而事實上也的確如此;但是在其他的一些現象中,我們目前所使用的只是一?
建立彰顯特徵的模型!
宇宙學家常常會提到建立「宇宙(學)模型」(cosmological model),這指的是物理學家為了彰顯宇宙的歷史及其結構的主要特徵,而建立的一些簡單的數學描述。就像模型飛機只需要表現出真實飛機的某些、但絕非全部特徵,我們也不可能指望一個「模型宇宙」囊括真實宇宙結構的所有細節。
目前的宇宙模型其實還非常粗略與速成,這些模型的出發點,都是將宇宙視為一個完全均勻的物質海洋,而忽略了物質凝聚成星體與星系的現象。我們只有在探究如「宇宙中的星體或星系如何形成」等更為特殊的問題時,才會修正「物質均勻分布」這個假設。最令人訝異的是,事實證明這個策略相當不錯,對於我們可觀測的部分而言,「假設物質為均勻分布」這麼簡單的理想化描述,竟然就能非常成功地描述我們已知的宇宙現象。
我們所使用的宇宙模型還有另一個重要特徵,那就是其中描述宇宙主要性質的物理量,例如密度或溫度,其數值只能藉由觀測得出。而且在每一個模型中,對這些物理量的數值都有一定的限制;也就是說,僅有某些觀測值的特殊組合是被模型所允許的,而模型宇宙與真實宇宙之間的相容性,便可藉此加以檢驗。
串聯極大與極小的世界!
人類對於宇宙的探索,正在以幾種不同的方式積極展開。除了人造衛星、太空航具與望遠鏡之外,科學家還利用顯微鏡、加速器(accelerator)、電腦以及豐富的想像力,來拓展我們對於宇宙整體環境的認識。
在探究遙遠的外太空世界──星體、星系與宇宙等大尺度結構的同時,科學家也漸漸認識到內在宇宙錯綜複雜的微妙行為。所謂的「內在宇宙」,其實就是次原子(subatomic)的世界。在這個世界中,成員包括了原子核以及其組成的成分,也就是建構物質的基石──基本粒子(elementary particle,簡稱「粒子」)。這些基本粒子種類相當稀少,結構又非常單純,然而當它們組合起來之後,卻足以織成最複雜、最龐大的宇宙織錦,而我們自己也正是其中的一個特殊成員。
組成物質的基本粒子所構成的小小世界,與星體與星系構成的天文學世界,是我們目前所了解的兩種最尖端的知識領域。近年來,它們已經以一種意想不到的方式結合起來了。在過去,這兩個領域分別由不同陣營的科學家所統籌,他們各自以不同的方法解決不相干的兩類問題。
如今,這些科學家的興趣與方法卻不知不覺變得糾纏不清──星系誕生的祕密,也許要靠研究最基本粒子所使用的工具,也就是埋在地底深處的粒子偵測器(detector)來解答;因為根據望遠鏡對於遙遠星光的觀測,證明了那裡的物質是由完全相同的一些基本粒子組成的。而當科學家試圖尋找宇宙青少年時期的遺跡,以便重建宇宙過去的歷史時,才發現到分屬最大與最小的物理世界中,居然也有許多現象十分相似;我們對於宇宙本身的統一性,不禁萌發了更深刻、更徹底的感動。
為您述說宇宙之始!
這本小書是為一般人而寫的,目的是要提供一個宇宙起源的簡明解說。關於極早期宇宙的歷史,我們現在到底掌握了多少證據?對於「宇宙當初如何創生」這個問題,目前最新的理論又是什麼?我們是否能夠用觀測的方法來檢驗這些理論?人類自身的存在又與這些理論有何關聯?在我們探索時間源頭的旅程中,便會遇到諸如此類的問題。
在本書中,我將闡述一些關於時間本質的最尖端臆測,並且介紹「暴漲宇宙」(inflationaryuniverse)與「蛀孔」(wormhole)的理論,同時解釋「