DDS006-「大爆炸理論 (I)」

     「大爆炸理論（the Big Bang theory）」是物理和宇宙學家們，用來解釋「宇宙來源（the origin of universe）」的基本理論。其要義是說：宇宙由「無」到「有」（from nothing to everything），在距今138.2 億年前〔註一：此為這個月才剛剛被確認的宇宙最新年齡，較以前的估計（137.2 億年）老了約一億年；註二：別小看這個小小的變動，它改寫了許多我們過去對宇宙舊有的認知，例如，宇宙膨脹的速率沒我們以前想像的那麼快，而且組成宇宙的「物質（matter）」、「暗物質（dark matter）」、「暗能量（dark energy）」三者比例也因而大為不同〕，宇宙只是一個單獨的「能量點源（a point of energy source）」，其大小比一個原子還小，自「大爆炸」後，所有宇宙中的各種「粒子（particles；請參閱我部落格前文 DDS003-「2013 年的 Pi Day」）」相互遠離而去，最終形成了我們今天所知的宇宙。因此，「大爆炸理論（the Big Bang theory）」中的「大爆炸（Big Bang）」指的并不是一個「爆炸事件（explosive event）」，而是一種「猛烈的急速膨脹（violent expansion）」現象。

     依照「大爆炸理論」的說法，宇宙在「大爆炸」之前，應是處在極高能量、極高密度又極高溫度的狀態，當它開始瞬間膨脹時，溫度遀之急速下降，在短短三分鍾內〔參閱上圖，請注意圖中上下軸時間和溫度的變化，你要是用 iPad 的話，可以點一下該圖放大來看；credit：grandunificationtheory.com〕，溫度由10^32度（絶對溫度，以下同）劇降到10^9度，這時能量被壓縮（condense ）形成質子（proton）、中子（neutron）和電子（electron），當溫度繼續下降，這些「質子」和「中子」，結合形成了「重氫（deuterium ；為氫的同位素）」，這也是為什麼，整個宇宙在各類星球未形成前，充滿著「氫等離子體（hydrogen plasma）」。接下來，當溫度再趨下降，一些不帶電荷的電子（electronically neutral electrons）於焉形成。這時的宇宙也開始變的「清澈透明（transparent）」〔註：在這之前，由於電子把光能（包括光子）散射掉了，而且又吸收了所有熱輻射，宇宙是混沌不透明的〕，到這時，因「光子」不再被散射掉，而開始能在宇宙間自由的穿梭。這種過程稱之為「光子的去耦作用（photon decoupling）」，也就是因為有了這種過程，今天科學家們才能觀測到，在「大爆炸」瞬間後所殘留下的輻射，即所謂的「宇宙背景輻射（Cosmic Background radiation）」（我在下一篇部落格裡當再為你詳細說明）。

     上文及上圖主要是強調「大爆炸」後，那極短三分鐘內的過程，之後隨著宇宙的繼續膨脹，溫度也持續下滑（見下圖及其上方之橫軸；credit: ESA and the Planck collaboration），直到溫度降到差不多6000 度時（大約在「大爆炸」後的38 萬年時），所有我們今天看得見的不同元素（elements）、物質（matter）、銀河（galaxies），甚至我們人類自身也就陸續形成或出現了，自此我們習稱的「宇宙（universe）」也就完全形成了，此時外太空的溫度，也降到了只有絶對溫度 3 度而已。

     另外，要釐清的是，雖然「大爆炸理論（the Big Bang theory）」中，「Bang」 這個字在英文字意上確是指「碰」的一聲，但是讀者千萬不要被這個名稱誤導，以為這個「大爆炸（Big Bang）」就是我們日常生活中，聽到任何東西爆炸（或爆裂）時的「轟隆」一聲巨響，或是像爆米花時的「碰」的一聲。其實，這個「大爆炸」只是用來形容宇宙最初形成時的那一「剎那」或「瞬間」，是一個「時間」上的概念和「爆炸」的聲音大小，一點也扯不上闗係。你要是還是沒搞懂，那沒闗係，我就換個方式解釋給你聽，你總該知道聲音是靠空氣中的氣體分子來傳遞的吧？！也就是說，在真空中，聲音是無法傳送的。例如在外太空，你要是出了意外，大聲呼救，鐡定是沒人會趕來救你的，因為沒有人能聽得到你的呼叫吶喊。而由上文的解釋，你已知道在宇宙形成的那一瞬間（即大爆炸的那一瞬），整個宇宙充滿著的只是各種「粒子」，其他所有元素（包括空氣中的各種分子）都還不存在，怎麼可能有任何媒介傳送，「大爆炸」當時的「轟隆一聲」讓你聽到呢？

     雖然如此，要注意的是，以上所說的沒有「轟隆一聲」，指的只是因為我們耳朵「聽」不到，並不表示真的就沒有「任何聲音」。因此，假如還是難免「有聲音」的話，那到底是什麼「聲音」？或是說這「聲音」聽起來像什麼？要回答這個問題，可還真是不容易。這裡要感謝美國華盛頓大學（University of Washington, USA）的物理學教授 John Cramer ，最近（今年四月）利用「宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background （CMB）radiation）」的數據，模擬了「宇宙大爆炸」發生後的 38 到 76 萬年間，你可能聽到的聲音（http://soundcloud.com/michael-bolen/sound-of-the-big-bang，你登入該網頁後，即點選最上方的音頻圖譜或箭頭即可；credit: John G. Cramer: sound of the big bang） 我懇請你一定要上此網站聽聽，因為設想一下，我們活在今天當下，居然還能聴到 138 億多年前，宇宙中最古老的聲音，是何其有幸的事啊！套句中國成語，那就是「萬籟無聲」中的「有聲」。由於該聲音的頻率（frequency）非常的低（人耳是無法聽到的），因此該模擬聲音已把原音放大了 100 x 10^24（100 septillion）倍。其次，在該模擬聲音中，其由低（弱）逐漸變高（強），然後又逐漸變低（弱），主要是因受「多卜勒效應（Doppler Effect）」的影響，以及由於宇宙的持續膨脹，把聲音的波長（wavelength）拉的愈來愈長（因此頻率變得愈來愈低）的緣故。