宇宙起源

☆★☆美國NASA太空任務專家李傑信博士最新科普作品
★☆★臺大物理系高涌泉教授、作家劉大任專文推薦

我來自何處？走向何方？宇宙緣何而起？
宇宙的起源，自古以來便是人類不斷追尋的問題，
讓我們一起循著科學的軌跡在點點繁星中探索宇宙的奧妙。

宇宙是一切事物的起始點，那麼關於開始之前的開始又是什麼？
20世紀初，哈伯發現宇宙是膨脹的。從膨脹的宇宙往回看，體積一路變小，最終一定會縮到小得不能再小。那一天就該是宇宙的生日，宇宙的起始點。
這麼大塊頭的宇宙，縮到一小丁點的體積，溫度和壓力都應朝無窮大方向攀升。在這樣一個難以想像的高溫高壓狀態，合理推測，宇宙生日那天，就該有個大爆炸，即大霹靂。

1965年，天文學家們竟然聽到了宇宙在137億年前爆炸時殘留下來的微弱迴音。這個纖細的宇宙嬰啼以電磁微波現形，性質詭異，人類竟半世紀之功，前後送了三個昂貴的科學衛星上天，蒐集了大量宇宙在大霹靂時遺存下來的第一手證據。
在本書中，李傑信博士抽絲剝繭，以易懂的科普語言，帶領讀者解讀這份最古老的宇宙起源秘笈，進而和讀者一起欣賞，在量子力學的操控下，深植在宇宙演化基因中麗質天生的缺陷美。

李傑信（Mark Lee）

臺灣大學物理系畢業，洛杉磯加州大學物理博士、麻省理工學院科技管理碩士。先入加州理工學院噴射推進實驗室，後進美國航空暨太空總署（NASA）總部，擔任太空任務科學家和資深技術顧問，管理太空基礎物理科學飛行實驗任務。

李博士發表過60餘篇科學及科技管理論文，曾獲頒NASA「傑出成就獎章」、「傑出服務獎章」和太空人辦公室「銀斯努匹獎」；又獲太平洋國際太空學會頒發「國際太空年松長紀念獎」。在臺灣，曾獲「李國鼎通俗科學寫作第一獎」、行政院新聞局「優良圖書金鼎獎」和臺南第一中學「傑出校友獎」等。

此外，李博士熱心投身科普教育，成立「美國促進中國科普協會」，並擔任會長；舉辦過兩屆「中國青少年太空梭科學實驗活動」。著有中文科普書籍《追尋藍色星球》、《我們是火星人？》、《生命的起始點》、《別讓地球再挨撞》。曾任《中國時報》「浮士繪版」和中國《中國科技財富雜誌》的專欄作家。

推薦序

人人好奇的宇宙起源
高涌泉（國立臺灣大學物理學系教授）

在當今各式各樣的科學之中，宇宙學是一門相當奇特的學問──它既是人類對於自然最古老的探索，卻同時也是最嶄新的科學。它的古早性從以下的一個例子即可知：在西藏傳承的古代印度佛典裡，有十四個沒有答案的問題，稱為「十四無記」，這些問題包括了「自我和宇宙是永恆的嗎？」、「自我和宇宙是變易的嗎？」、「自我和宇宙既是永恆又是變易的嗎？」、「自我和宇宙有起點嗎？」、「自我和宇宙沒有起點嗎？」、「自我和宇宙既有起點，又沒有起點嗎？」等，每個大問題都牽涉宇宙，所以自古以來，人類對於宇宙究竟怎麼一回事即充滿好奇。

但是古人萬萬沒想到的是，在這些他們認定永遠找不到答案的問題當中，居然有一部分在二十世紀出現了解答。例如，我們已經知道宇宙誕生於約137億年前，所以宇宙的確有個起點，而且是變易的！古人其實有非常好的理由相信我們回答不了「十四無記」──起碼在涉及宇宙的部分，這理由就是我們不可能讓時間倒流而回到過去，因此便不可能了解宇宙最初是怎麼開始的。既然科學家宣稱找到了答案，那麼他們一定尋到了不可思議的方法，讓他們即使在沒有時光機的情況下，也能夠有信心地推論出137億年前──那個連銀河系還都不存在的時候──所發生的事。

我相信沒有人不好奇科學家到底怎麼能夠回答宇宙有無起點的問題，大家必定想知道究竟是那些人、在什麼時候、發現了什麼現象，使得科學福爾摩斯們得以拼湊出宇宙完整的圖像。這趟尋求宇宙起源的科學之旅其實高潮迭起，有很多出人意料之外的轉折，有各式各樣有趣的人物參與，其中有無名的英雄，也有無意遇上寶藏的幸運兒，他們的故事一般大眾會感興趣也聽得懂，講述這些故事就是本書的主旨。

作者李傑信博士任職於美國航太總署（NASA），這個機構資助了許多關鍵的宇宙探索活動，著名的例子之一就是「宇宙背景探測器」（COBE）太空實驗計畫，這個探測器（衛星）所蒐集到關於宇宙微波背景輻射的數據，讓其兩位計畫主持人斯穆特（George Smoot）與馬瑟（John Mather）獲得2006年諾貝爾物理獎。李博士因為工作關係，對於斯穆特與馬瑟兩人的研究歷程，有第一手的了解，他將不少外人所不知的故事（例如第七章「黑臉白臉」一節）寫進書中，成了這本《宇宙起源》最重要的特色。

當然，除了第一手的故事與歷史敘事之外，本書對於相關的天文與物理知識也有生動的說明，所以適合作為宇宙學入門書。一本很棒的科普書會讓讀者在閱讀之後，對於主題產生更高的興趣，進而想去尋找更詳細、更清楚精確的相關科學書籍來閱讀，李傑信博士的《宇宙起源》有成為這樣一本書的潛力。

終極關懷
劉大任（作家）

傑信傳來他的新著《宇宙起源》，要我寫篇序。坦白說，我覺得很惶恐。雖然一直關心他多年努力不懈的科普工作，但我對他的專業，基本是個門外漢，能說什麼呢？

但傑信，就是希望見到非物理專業的觀點！

那就勉為其難吧。

忽然想到三年前寫過一篇文章《兩種文化觀》，也許從這裡切入。

1959年5月，英國小說家斯諾（C. P. Snow，不是寫《西行漫記》的那位斯諾）在劍橋大學演講，提出了一個新觀點，發人深省，題目是〈兩種文化觀和科學革命〉。他認為，西方知識界嚴重兩極分化，一個集團叫做「科學家」，另一個集團，他稱為「文學學者」。兩個集團相互排斥，你瞧不起我，我看你也不是東西。

「兩種文化觀」在過去半個世紀成為針對西方知識界提出的的嚴重警告，顯然涉及教育上過分強調「專業化」。大學教育分工過細，物理博士不讀莎士比亞，文學博士連基本物理觀念都搞不清楚。一個社會，出現這種文化現象，有什麼危險？小自個人生活態度，家庭和人際關係，大至公眾價值和國家理想，都可能出現僵硬和偏枯。

歐美先進國家，早在四、五十年前開始自覺審查，檢討得失，至今仍未妥善解決，而我們所屬的東亞，包括近三十年勇猛崛起的大陸，自從跳上經濟發展的快車，幾乎完全沒有任何懷疑，除了創造財富，其他多不考慮。主政者滿腦子都是「建設」，社會風氣崇尚「務實」，年輕的，一代又一代，當然只能相信「掌握數理化，走遍天下都不怕！」

經濟快車有沒有翻車的危險？這個問題，考慮的人不多。

傑信和我，都是在「快車」出發前後那段時間， 接受臺灣的制式教育，培養出來的「產品」。出國後，眼界開闊，才有自修成才的機會。現在，他的專業水平已經是世界一流，成為美國太空總署的「主要科學家」。我有幸通過自覺努力，避開了文學學院式教育，摸索出一條生路。這些年來，我們經常見面，不但「言不及義」，而且通過交流，逐漸形成一種「互補式」的友誼。我聽他講天文物理，他也常問我有關文學藝術的問題。終於，彼此都養成習慣，我開始讀些科學，他做得更澈底，每次開長途，必聽語音書，往往一大本一大本的文學經典，華盛頓、紐約跑上幾次，《白鯨記》、《戰爭與和平》……，都收入囊中。

本來都是標準的「兩種文化觀」產品，即所謂的「單面人」，幸好「心有不甘」，才有自救機會。

天文物理也好，文學藝術也好，表面看來，南轅北轍，但卻在某個地方相通。什麼地方呢？簡單說，就是「人類的終極關懷」。

我來自何處？走向何方？宇宙緣何而起？它有沒有目的？這一類看似無解的問題，其實是最終溝通不同專業的秘密渠道。

1976 年，我在聯合國環境規劃署服務。這是龐大的聯合國系統中，總部設在黑非洲的第一個機構。赤道附近待了三年，交過一些非洲朋友。基本上，可以這麼說，不論出身哪個部族，都各有一套盤古開天闢地的神話傳說。篇幅所限，我只介紹一個康巴族的故事。

人類的第一對夫妻是恩蓋‧穆隆古（Ngai Mulungu，即「全能神」）和恩蓋‧姆瓦團吉‧瓦‧恩扎（Ngai Mwatuangi wa nzaa，即「分指神」）合力從地洞中拉出來的。人本來是不死的，穆隆古神派變色龍送信，變色龍慢吞吞一路鬼混，等牠到達，另一名信差織布鳥早已飛到，傳達了死亡訊息。人從此有了死亡。但康巴族相信，死亡不代表完全消失，因為人的生殖繁衍抵消了一部分死亡，此外，人死並非絕滅，他進入「艾姆」（aimu）精神世界，持續死生相續。那個持續死生相續的世界，叫做「亞亞亞尼」（yayayani）。
這個神話故事，我們很容易理解，它對現實世界和人類前途最關心卻無解的重大事件，通過想像，做出了符合人類思維邏輯的解釋。最讓我們感到特別的是「分指神」，這是其他部族原始神話中少見的，突出了康巴族對人之所以異於其他生物的敏銳觀察。手指分開才有可能完美掌握工具。

康巴族和其他民族有關人類和宇宙起源的神話故事告訴我們兩個事實。

第一，世界上，不論哪個民族，不論地域，不論文明發展程度，終極關懷是共同的。

第二，在有關「終極關懷」的知識追求中，有一個從無到有，從簡單到複雜，從玄想到可驗證的明顯發展軌跡。簡單說，就是人類知識從神話傳說、巫術、宗教、哲學到科學的發展過程。

傑信費盡心血給我們寫的這本《宇宙起源》，可以說，就是當代最尖端科學研究對人類原始終極關懷的概要圖說，而且是運用最平常的科普語言提供給我們這些門外漢的最新《福音書》。

我知道，真正深入堂奧的天文物理宇宙理論，根本就是數學，是我們無法企及的天書。傑信這本書，不但嘉惠像我這樣「心有不甘」的門外漢，對於有志於天文物理的初高中和大學青年，更是掌握當代最新信息的系統學習材料。

我早就談過，中文文化環境裏，非常需要像卡爾‧ 塞根（Carl Sagan，1934-1996）這樣既通達尖端又能以通俗語言著書立說的科普家。這個夢想，看來將印證在傑信身上，他至今已推出六本書，還在整理更多資料。

我們繼續期待。

作者序

起源類的知識，我最喜愛。

1999年，寫完《追尋藍色星球》，地球生命的起源，引起了我強烈的好奇。火星個頭小、散熱快，極可能比地球搶先達到生命起源條件；生命在火星成形後，乘坐頻繁出發的隕石列車，抵達地球，播種生命，這是目前無法排除的可能模式。《我們是火星人？》寫出我的看法：地球生命的起源，可能和火星有密切關連。再往深層追究下去，火星肯定也不是宇宙生命的發源地。《生命的起始點》一書，將寶押在生命可能起源於一條單股的核糖核酸RNA分子上。只要條件湊齊了，RNA 分子在宇宙中任何時間任何地點都可能發生。如果發生的地點在地球，那可能是42億年前的事。

生命起源的來龍去脈當然無比重要，但它只是宇宙在萬事俱備、只欠東風情況下的一個錦上添花的現象。想想看，不管是RNA也好，DNA也罷，它的分子中肯定要有質子、中子（甚或夸克）和電子等基本材料。問完了生命化學分子怎麼來的這個問題後，我們還得追問下去，宇宙中這些基本建材質子、中子和電子等是怎麼來的呢？

追尋質子、中子和電子等物質的起源，在概念上，就是追尋宇宙的起源。

其實我們仰望星空，看到的都是物質的宇宙。幾千年來，人類看著這本深邃的天書，天問不息，辛勤探究。

但人類恆久看到的卻是一個靜止的宇宙。天穹中點點繁星，都似乎堅固不動，人類只好接受宇宙是永恆存在的，它就是已經連續在那，如今如往昔，不需出生地，更不需出生日（no where, no when）。

20世紀初期，人類終於看到了，宇宙竟然是膨脹的。膨脹的宇宙往回看，它的體積應是一路縮回去。縮到最後，體積就小到不能再小，那一天就該是宇宙的生日、宇宙的起始點。

膨脹的宇宙，石破天驚，給人類帶來了對宇宙起源的追尋。

宇宙雖然浩瀚無邊，但內涵並不複雜，遠比一個小螢火蟲簡單得多。所以，追尋宇宙起源，人類目前所掌握的物理知識，還能挺一陣子。

從物質來追尋宇宙的起源，是正面仰攻，本是最自然不過的線索，就像用人類骨骼化石去追尋人類起源一樣直接。阿爾佛1948年的論文就是以這個思維出發，去追尋週期表上化學元素的起源。1977年，溫伯格寫出了膾炙人口的《最初三分鐘》，為宇宙物質起源定下了精確的時間表。

但人類很難預料得到，在這條路上追到底，竟然只找到了宇宙的4%，其他96%竟然深藏在重重的黑幕之後，不在我們能看得到的線索之內。

這是一個令人類震憾的迷惑。

看來沿物質線索追尋宇宙起源的這條路，走起來並不順暢。1965年，宇宙電磁微波首次在人類文明的舞臺上出現。不錯，這個電磁微波紀錄的是宇宙在大霹靂後37.6萬年時的天空影像，在時間上，的確比溫伯格的最初三分鐘要晚了許多。但電磁微波出身於宇宙原始電漿火球，是大霹靂宇宙從第一時間就配備的紀錄儀器，如影隨形，同步實況錄下了宇宙大霹靂中每個動作，可追溯到宇宙起源時間到一千億億億億分之一秒，即10-35秒。

宇宙電磁微波中含有宇宙的超均勻、不均勻、平直和更多的訊息在內。尤其是微波的不均勻和平直特性，竟然呼喚出了宇宙暗能量部分和宇宙組成物質的成分比例。

所以，追尋宇宙起源，如果只以我們能看到的一般物質為主要線索，所得到的訊息只能在宇宙4% 的成分中打轉，和以宇宙電磁微波為線索比較，訊息量的落差有如天上地下。

知道宇宙中含有23% 的暗物質和73% 的暗能量後，人類不但沒變得比以前聰明，反而更加迷惑了。

但至少現代人類已經能夠肯定，我們能看得到的僅僅是宇宙的4%，這是20世紀人類一項偉大的成就。

這本書寫的，就是現代人類先找到宇宙的4%，再又深深跌入那96%未知的黑暗宇宙深淵的故事。

宇宙在137億年前的那個生日，太難理解。137億年的宇宙太年輕，在那之前，宇宙藏到哪裡去了？

「生也有涯，知也無涯」，莊子二千多年前的名言，至今仍然好用。老子更上一層樓，點出「絕學無憂」。兩位先聖可能怕人類對知識追求到走火入魔，良莠不齊，小則造成自身精勞神疲，大則導致禍國殃民。

近些年來，一些在靈修上有突破的朋友，對知識的追求，已適可而止。他們指出，在靈修的道路上，愛因斯坦和佛洛伊德，只得499分。相比起來，甘地和特雷莎修女，700分。耶穌和佛祖，1,000分。

分數多少，是估計個體對其他生靈影響的能量。每增加1分，能量增加10倍。芸芸眾生，一輩子能增加5分，已不枉過客匆匆的一生。

從靈修的角度來看，偉大的科學家們被擋在500分以下，對人類影響能量望塵莫及於特雷莎修女，是因為他們對邏輯推理能力的「自戀的虛榮」（vanity of self-admiration）。

我相信靈修的程度，只達到人是有靈性的地步，但自己認為靈性是隨著肉身生，跟著肉身亡，沒有前生來世，更無輪迴。

不知道會不會有那麼一天，我也選擇了關上知識的大門，開始追求靈性上的進修。但在現在這一刻，我清楚地知道，我和知識的塵緣未了，仍然和它魂魄相依。

感謝我的同窗至友――哈佛大學的電磁物理專家蔡武陽（1942-）博士，在百忙之中，為本書做了一次關鍵性的技術校閱。

還有許多朋友為本書校讀潤色，在此不克一一致謝。

推薦序──人人好奇的宇宙起源／高涌泉
推薦序──終極關懷／劉大任
自　序
導　讀
第一章　靜止的宇宙
第二章　宇宙膨脹了
第三章　宇宙有多大？
第四章　超均勻
第五章　宇宙電磁微波
第六章　黑體輻射
第七章　不均勻
第八章　平直
第九章　黑暗的宇宙
第十章　暴脹
第十一章　何去何從
後　記──神話國
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