DDS007-「大爆炸理論（II）」

前文就科學家們，用來解釋「宇宙起源」的「大爆炸理論」，做了一個概括的簡介，本文續將其由「無」到「有」的過程，做一更完整和詳細的整理，以餉讀者。下圖（source: http://www.dailygalaxy.com/）是把宇宙歷經長達 138.2 億年來的漫長演化過程，由「大爆炸」開始，從原本只有次原子大小（sub-atomic sized）的體積，膨脹到今日所見的浩瀚無際的宇宙，做一圖解式的說明，有興趣的讀者，可以對照前一篇部落格文中的兩圖，進一步掌握宇宙在形成過程中，其時間尺度和溫度變化的情形。

 

事實上，「好奇（curiosity）」是人類的基本天性之一，世界上所有的古文明（包括埃及、希臘、羅馬、印度、中國），對「宇宙的起源」，都有著各種相關的神話或傳說。以中國為例，當以「盤古開天地」的傳說（見下圖；source: http://imgsrc.baidu.com/baike/pic/item/3801213fb80e7bec239a3e0c2f2eb9389a506b9e.jpg），流傳最為久遠，也最為人知。這個傳說有多種不同的版本〔註：主要有最早見於三國時期徐整著的《三五歷紀》、《五運歷年紀》及《古小說鉤沉》輯中的《玄中記》和南朝蕭梁及任昉所著的《述異記》〕，主要是說：宇宙初始時，只是一片黑暗和混沌（dark and chaos），外觀有如蛋形，蛋中孕育著「盤古」，「盤古」在蛋中孕育了一萬八千年，最终拿著巨斧擊破殼而出，這時那些輕而清的東西向上飄升，形成了「天（sky）」，另一些重而濁的東西，下沉積澱成了「地（earth）」。這時「盤古」就頭頂著天，腳踏著地，日漸茁長，又歷經了一萬八千年，「盤古」終於成了，家戶諭䁱的「頂天立地」大英雄。據說「盤古」死後，他的軀體也物化為，今天我們所習見的日月星辰、風雨雷電、山川湖泊、花草樹木和土壤，至此「宇宙萬物」也就於焉形成了。

話說回頭，依「大爆炸理論（the Big Bang theory）」，宇宙在 138.2 億年前最初形成時，僅為一個比原子還小的能量點源（sub-atomic sized point of energy source），然後就在那最早的10^34 分之一秒瞬間，以超過光速的速率，急遽爆發膨脹到約高爾夫球大小〔註：此過程在宇宙學上稱之為 「膨脹說（inflation）〕。之後，「宇宙」持續不斷地膨脹擴張，溫度也逐漸下降，不同的「物質（matter）」也就逐漸依序形成。

 

例如，就在「大爆炸」發生後的一秒時，各種宇宙中的基本粒子〔註：如質子、中子、電子、反電子（anti-electrons）、光子和微中子（neutrinos）〕就已形成了。到了「大爆炸」後的三分鐘時，此時溫度也由原來的10^32度（絕對溫度，下同），降為約10^9度，這時，所有原子量輕的「元素（elements）」即陸續形成，例如質子和中子相互碰撞形成了重氫（deuterium），而大多的重氫，又結合形成了氦（helium ）以及微量的鋰（lithium）。直到「大爆炸」後的 38 萬年時，由於「宇宙」仍處在約 6000 度的高溫下，所有這些最早形成的原子，只能以「等離子體（plasma）」存在，此時由於質子、中子及電子的散射效應，整個「宇宙」因而顯得如雲霧狀般的混沌不清（opaque）。下圖（Credit: European Southern Observatory）即是以現今距地球7200光年遠，含有為數約 40 萬顆恆星，代號為 NGC 6397 的銀河聚落（cluster）為例，由於其年齡約為 135 億年，咸被認為是「大爆炸」後，宇宙最早形成時之景象（混沌不明的雲霧狀）。



就在這大約 38 萬年前後，溫度持續下降，所有各種荷電粒子，又重新結合形成不荷電的原子，由於這些不荷電的原子，不再散射或吸收光線，整個宇宙因而顯得清澈透明（transparent）。接下來，由於所有恆星或能發光的物體，在此時尚未形成，整個宇宙進入一所謂的「晦暗期（cosmic dark age）」。直到「大爆炸」後約 4 億年時，宇宙才脫離了「晦暗期」，進入了持續約 5 億年之久的「再離子化世紀（epoch of re-ionization）」，這時瀰漫在宇宙間的氣體，便逐漸聚結，逐步形成了最早的恆星和銀河等不同星體。

要注意的是，雖然「大爆炸」後的宇宙，此時還在持續不斷的膨脹，但是由於各種不同星體的陸續形成，在其等相互「引力（gravity）」的牽引下，宇宙的膨脹速率也因而趨緩下來。直到「大爆炸」後約五、六十億年時，一種所謂的「暗能量（dark energy）」〔註：目前科學家們還無法充分了解其生成機制，也是目前該領域的重點研究主題之一，往後我當再為讀者，加以整理說明〕，開始瀰漫充斥在宇宙之中，受此能量之影響，宇宙的膨脹速率又重新加快了起來，這種來自「暗能量」的加速膨脹，迄今仍在持續進行中。到了差不多「大爆炸」後的90 億年（即距今約 46 億年前），今天我們熟知的「太陽系（our solar system）」（包括我們賴以生存的地球），就在此時形成了。