穿越星空百億年

若從整個宇宙演化的宏觀角度，宇宙演化可分成以下幾個階段：大霹靂初啟的原生原子時代、星系時代、恆星時代、行星時代及生命時代。宇宙是如何由虛無之中誕生，又如何融合出現在看到的花花世界的基石-基本粒子，在接下來的演化中，星系結構是如何建構，各種不同類型的星系又是如何產生，乃至於閃爍耀眼的恆星如何從一團低溫低密度的分子雲，逐漸凝結成型，最後又如何在恆星的四周分化出行星，進而孕育出生命物質。這些都是現今天文學家對宇宙所提出來的天問。

本著歷代科學家所建立的各種科學理論，不論是物理還是化學，都可以用來了解宇宙在各個階段是如何運作以及如何變化，最後串接成一本宇宙大戲。本書則是遵循這樣的脈絡，依照宇宙學、星系、恆星以及太陽系的分類方式，挑選精彩的天文故事，希望讀者能從這些天文故事，一覽各個階段的宇宙演化，能對天文學以及我們的宇宙有更進一步的瞭解和認識。

書籍特色
★ 將過去四十年中《科學月刊》所刊載的各學科文章按編成專書。

曾耀寰

國立中央大學物理及天文研究所博士。曾任交通大學理學院、臺灣藝術大學通識中心兼任助理教授。現任中央研究院天文及天文物理研究所研究助技師、《科學月刊》副總編輯。
曾獲第八屆李國鼎通俗科學寫作獎第參獎。著作包括《企鵝雄兵──用Linux進行電腦叢集計算》以及《Linux萬萬歲》（與謝寶慶合著）；譯作包括《愛因斯坦的鏡子》（與邱家媛合譯）以及《下一波資訊革命──量子電腦》（與邱家媛合譯）；主編《當天文遇上其他科學》。

宇宙創始者的面孔 袁旂（任職於中研院天文所）

1992年4月23日，柏克萊加州大學COBE（Cosmic Background Explorer，宇宙背景探察者）研究隊伍的主持人史穆特（George Smoot），宣佈了一項新發現，他們終於在微波背景輻射中找到了皺紋，這個宣告次日就以頭條新聞的姿態出現在全球的大報上。
這是一個什麼發現呢？報紙上面都引述了史穆特的話，他說：「這個發現就好像我們看到了上帝的面孔。」史穆特所指的上帝就是我們宇宙的創始者，這些皺紋並不是衪面孔上的皺紋，而是衪在創造宇宙的那一剎那間留下的手印。這個手印的存在，天文物理學家及高能物理學家，都大大地鬆了一口氣。因為他們三十年辛辛苦苦的工作沒有白費。
我們要了解這個發現的重要性，就得從「大霹靂宇宙論」說起。

大霹靂宇宙論
人類對其生存的宇宙空間，存著無窮盡的猜想與好奇，在科學尚未昌明的時代，人們只能用哲學的觀點來揣測宇宙。哲學家認為我們的存在是沒有特殊性的，所以在空間上我們所在的地方與宇宙間其他地方是相同的，在時間上我們與遠古或未來也應是一樣的；兩個假設就成立了「完美宇宙論的原理」，一直到這個世紀初期，宇宙論都是在這個原理的支配下衍生的。愛因斯坦的「靜態宇宙」就是一個範例。
1930年左右哈柏（E.Hubble）發現了宇宙膨脹，使宇宙論起了革命性的改觀，但是「完美宇宙論的原理」的實力仍在，為了不與宇宙膨脹的觀測抵觸，就產生了物質在不斷創造的說法，創造出新的物質，正好彌補了因宇宙膨脹而減少的密度，因此宇宙的平均密度仍舊不隨時向或地點而改變，這就是有名的「穩態宇宙論」（Steady State Cosmology）。
另一個宇宙論的大學派就是「大霹靂宇宙論」（Big-Bang Cosmology）。主張這派學說的科學家，認為整個宇宙是由一個密度極高、溫度極高的極小空間區域急速膨脹開來，隨之溫度逐漸降低。霹靂後，宇宙仍不斷地在膨脹，這個膨脹就是哈柏所發現的膨脹。
這兩個學說是難分軒輊的，「穩態宇宙論」解釋宇宙膨脹固然有些勉強，但「完美宇宙論的原理」是非常令人折服的哲學觀點；「大霹靂宇宙論」固然符合哈柏的觀測，但是大霹靂是什麼並沒有交代，有點像厚黑學裡講的鋸箭法，什麼是大霹靂，那是「內科」的事了。
但是「大霹靂宇宙論」還有兩個優點是「穩態宇宙論」所沒有的。大霹靂成功地解釋了宇宙間氫與氦為什麼含有三比一的比例，它同時提出了微波黑體輻射的預測。這一個預測奠定了「大霹靂宇宙論」今日唯我獨尊的地位。
「大霹靂宇宙論」的開山祖師加莫夫（George Gamow），在創立這個學說後，就預測這個大霹靂的餘燼我們今日應仍可以看到。他當年的計算是說我們可以看到1K的背景輻射，這個數字後來雖被修正成3K，但其基本概念完全沒有改變，沒有人料到二十年後3K黑體微波背景輻射，無意地被發現。這個預測得到了證實，使「大霹靂宇宙論」凌駕於「穩態宇宙論」之上，成了宇宙學的主導力量。

3K微波背景輻射
什麼是3K微波背景輻射？霹靂說主張霹靂後宇宙開始冷卻，大約在300,000年後，溫度到達了3000K左右，空間的質子、氦核子與電子開始結合成氫原子與氦原子，這時空間開始清朗，可見光的光子不再受質子與電子之羈絆，可以在空間通行無阻。在這之前，所有的物理現象都被3000K的電漿（plasma）給遮住了，所以我們能夠看到的極限就是3000K電漿的輻射，這個輻射是黑體輻射，但是因為有宇宙的膨脹，這些輻射的波長都因重力紅向移位而變長了，紅向移位使3000K的黑體輻射變成3K的黑體輻射。
3000K的黑體輻射主要的光是紅光，波長5*10-5厘米，但是3K的黑體輻射，主要的輻射來自微波，波長是0.3厘米左右，這個波長是眼睛看不到的，而且不易通過大氣，一定要用大型的電波望遠鏡才可以在地面上收到部分的訊號。
這個訊號，就給彭齊亞斯（ArnoPenzias）與威爾遜（Robert Wilson）在1965年無意間發現了。原來彭齊亞斯與威爾遜的工作是在測試空中的雜訊對通訊衛星的影響，這是美國貝爾電話公司的研發計畫。彭齊亞斯與威爾遜製造了一個大型號角狀的天線，設在美國新澤西州的貝爾公司總部所在地，是一個具有高敏感度的天線。結果他們在厘米波波段中上發現了有3K黑體輻射的訊號，這個訊號來自四面八方，不受方向的影響，他們不知道他們尋獲了一個特大訊號，一個大得可以得諾貝爾獎的訊號！當時還以為是天線表面為鴿糞污染所造成的。
他們這個消息，就傳到附近的普林斯頓大學，普大是「大霹靂宇宙論」的大本營，這時加莫夫已經去世，普大物理系的物理學家正在研究怎樣觀測3K黑體輻射問題；消息傳來時，只有跌足長嘆：「我們晚了一步」。馬上把彭齊亞斯與威爾遜找來，告訴他們找到了大霹靂留下的餘燼，兩人終於將信將疑地把結果發表出來，普大物理系也將解釋他們觀測結果的論文同時發表出來，這就是馳名於世的「3K黑體宇宙背景輻射」。（見圖二，封底裡）
3K黑體輻射的主要波段，如前所述在微波範圍之內，而彭齊亞斯與威爾遜所看到的只是厘米波的部位。微波的波段波長是毫米、次毫米，不僅在海平面上不易看到，而且能夠接收它的接收機技術那時還沒有，所以3K黑體輻射所缺少的波段，是慢慢地補起來的。這些後來的觀測也都證實了彭齊亞斯與威爾遜的結果，也鞏固了「大霹靂宇宙論」唯我獨尊的地位，彭齊亞斯與威爾遜就因此在1981年得到諾貝爾物理獎。
暴脹宇宙說
「大霹靂宇宙論」固然解釋了哈柏的宇宙膨脹，宇宙間氫與氦3：1的比例，而且戲劇化地預測了微波宇宙背景輻射。樹立了它至高的學術地位，這並不表示它解決了宇宙學所有的問題，實際比較其他的科學，宇宙學還在襁褓期呢，我們對宇宙的觀測非常有限，理論還在半哲學的狀態中。
「大霹靂宇宙論」正是趾高氣揚地預測了宇宙微波背景輻射，擊敗了「穩態宇宙論」，馬上就面臨了一些挑戰問題，這些問題綜括起來，共有三項。（一）為什麼會有大霹靂？（二）為什麼觀測到的宇宙是這樣的均勻？（三）為什麼宇宙的空間會這樣的「平」？
我們從「平」講起，天文物理學講「平」是指宇宙空間的曲率，這個曲率是用一個希臘字母Ω來表示，基本上它是一個動能與位能的比值（也可以說是宇宙物質密度與臨界密度的比值）。我們以發射火箭為例，當火箭的動能超過位能，火箭的速率可以脫離地球的引力，Ω＞1，火箭的軌道是開放的。相反，當動能小於位能，Ω＜1，火箭終將被地球引拉回來，火箭的軌道是封閉的。當Ω=0，火箭就也跑不出去，也回不來。這時我們說火箭的軌道是「平」的。火箭的Ω開始大於1時，它將永遠大於1，而且它離地面愈遠，位能就愈小，Ω就愈大，所以Ω愈來愈大。相反，Ω開始小於1，將永遠小於1，當它到達最高點時，Ω=O，在過程中我們只要知道發射了多久及現在的Ω值，就可以反推它開始的Ω值。用曲率來解釋Ω也是一樣的，Ω代表一個曲率。以氣球表面來說，當氣球小的時候，它的表面曲率很大；但氣球吹大後，表面曲率就變小，球變成無窮大時，曲率趨近於1。
宇宙的情形也是相似，我們從觀測中得到宇宙空間的平均密度，然後再從星系的速率，求得它的臨界密度，算出它現在的Ω，天文學家得到的這個數值是在0.01到0.1之間，然後我們再反推大霹靂開始時的Ω。由上所述，我們知道這個值應該小於1，但是宇宙的壽命已有150億年，經過了150億年，它的數字仍是0.01到0.1間，那它開始的Ω將是0.999999……，一個非常接近於1而非1的數字。宇宙的創造者為什麼會選這樣一個「平」的Ω，難道也是巧合嗎？
其次，我們再看均勻的問題，這裡所謂的均勻是指微波背景輻射之均勻。我們無論往那一方面去看，背景輻射的溫度都是相同的。乍聽起來似乎沒有什麼不對，但仔細分析起來，就有問題了。因為大霹靂發生得太快，在這個一剎那之間，是不是可能有時間把宇宙的溫度調得這樣均勻？物理學家告訴我們這是不可能的，所有我們知道的熱傳遞都不可能在宇宙形成之剎那間把溫度調勻。大霹靂預測了微波背景輻射，但又惹出了一個不好纏的均勻問題。