2013年8月22日 星期四

DDS023-「宇宙有多大?」

在月白風清的夜晚,偶爾抬頭仰望天空,只見滿天星斗,一望無際,所謂「宇宙浩瀚,星海無涯」,這大概是每個人,從小到大,都曾或有過的經驗。長大後,進了學堂,才知道我們生存的地球,只不過是繞行太陽的八大行星中的一顆行星而已(下圖所示,即是我們太陽系(solar system)的真實形貎,它包括了太陽、八大行星及其衛星、介於火星和木星之間的小行星帶(asteroid beltcredit: http://verelcielonews.files.wordpress.com/2012/09/estructuraa.png ),而我們的太陽,也不過只是我們銀河系(galaxy,又稱為 Milky Way)數十億個恆星中的一顆恆星而已,尤有甚者,我們所在的銀河系,又只是「宇宙(universe)」中,近兆個銀河系之一。依此,簡單的數學就告訴你,我們習稱的「宇宙」,大約有 1021 個大小不同的星球。換句話說,「宇宙」之大,是完全超乎你我所能想像的。




另外,不要忘了,再怎麼大,指的也還只是我們所能觀測到的部分(observable universe)而已,至於那些遠遠超過,我們目前所能觀測到的更遙遠的星系,還真的不知道有多少?〔註一:我們所能觀測到的星系,是因為其所熾射出來的光線,已經傳到了地球,至於那些來自其他更遙遠的星體,若其光線還沒到達地球,我們當然還「看」不到它們,這就是為什麼,當我們在討論「宇宙」大小的問題時,關鍵不在「空間(space)」,而是「時間(time)」。註二:此外,我們的「宇宙」目前還在不斷的持續膨脹中,而且其「膨脹速率(expanding rate)」,還在持續加速中。有關這「宇宙膨脹(cosmic expansion)」的理論,我在下一篇部落格文中(DDS027-「宇宙膨脹說」),再為你做詳盡的解說。〕

有了以上的理解,讀者就知道,要回答「宇宙有多大?」這個看似平易的問題,還真的是不容易,依目前天文學家的推估,我們所能觀測到的「宇宙」,其長度約為 460 億光年(light year;指的是光行進一年的距離,是長度單位,每一光年約等於 9.46 兆公里),而「整個宇宙(entire universe)」大約橫跨 14 兆光年。依此數據,我們「所能觀測到的宇宙」,其實僅約佔「整個宇宙」的3% 而已。

有了以上有關「宇宙」大小的基本概念後,接下來,你肯定想問的是:「宇宙到底長的像什麼樣子?是圓?是扁?是方?還是其他你想得到的形狀?」。同樣的,要回答你這個問題,也不是那麼容易的,因為日常生活經驗告訴我們,要描述一個物體的外貌形態,你非得身處在這物體的外面才行,所謂「不識廬山真面目,只緣身在此山中」,同樣道理,由於目前我們人類還是無法,飛越脫離出我們身處的「宇宙」之外,又如何能看得到,我們的「宇宙」到底長的是什麼樣子(即形狀)呢?這個時候,你就不得不「佩服」(假如你夠謙遜的話,我的正確用辭是「敬畏」),那些偉大科學家們的智慧,他們只稍利用簡單的「光」學和「幾何」學原理,加上現代的天文科技,就能回答這個千古以來,一直引發我們人類好奇的問題。

為了有助於你能徹底了解,科學家們是怎麼做到的,讓我們先來了解下,天文學家們,用來描繪「宇宙」形狀的術語。就天文學而言,「宇宙」的形狀,不外有三種:開放形(open)、封閉形(close)和平面形(flat)。以幾何三角形為例,在平面上,此三角形的內角總合為180oΩo=1),若在球面上,此三角形的內角總合則變成大於 180o Ωo>1),反之,若將此三角形,投射在一如馬鞍狀的曲面上,其三內角的總就小於 180o Ωo<1)了(見下圖; credit: NASA / WMAP science team / Gary Hinshaw)。〔註:在愛因斯坦「廣義相對論」的概念範疇裡,「宇宙」時空之所以有不同的形態(即時空的扭曲變形),主要是因為其「能量密度(energy density;此能量指的是所有質量和各種不同形式能量的總合)」之不同所造成。〕



依此原理,假如我們能拍攝到,「宇宙」中各星體,其炙射出來光芒的圖像,我們就可以依其圖像,是否變形(即影像是否變大、變小或不變)來判別「宇宙」的外貌形狀。下圖(Image credit: Smoot Cosmology Group / Lawrence Berkeley Labs.)所示,即是此種判圖方法的解說:假如「宇宙」是封閉形(close;下圖左),則光線傳達到觀測者時,其路徑就會向內彎曲,使得觀測者看到的圖像,較其實際的大小為大,反之,若「宇宙」是開放形(open;下圖右),則會造成觀測者,誤以為該物體較原物為小,(下圖中)指的則是,當「宇宙」為平面形(flat)時,則觀測者所看到的圖像,應和其原大小一樣。



其實,早在 1990 年代(即「布莫實驗(BOOMERanG experiment)」),天文學家早已觀測到,「宇宙」呈現的圖像屬下圖(中)之情形,也就是說,「宇宙」是平面(flat)的(見下圖;creditA.E. Lange and P. de Bernardis et al. for the Boomerang collaboration)。無奈當時的偵測儀器工具,其精準度無法達到,解析此「彎曲孤度(curvature)」的要求,因此科學界對「宇宙是平的(flat)」這樣的看法,持著相當保留的態度。



直到近來,特別是今年三月間,人類有史以來,最精密的「宇宙微波背景(cosmic microwave background)」圖問世後,科學家們終於可以,據此精密的「宇宙」光影圖像,依前述的原理和方法,再對「宇宙」的確切形貌,做進一步的觀察。結果證實,「宇宙」不但是「平(flat)」的,而且是非常、非常、非常的「平(flat)」! 〔註一:有關「宇宙微波背景(cosmic microwave background)」圖的詳盡說明,請參考我之前部落格文(DDS008);註二:請注意,我一直重覆在中文「平」這個字後面加註英文(flat),是有其深意的,讀者們請稍有耐心,繼續看完下一段說明,這樣你才不致於被人譏為「半吊子」,讀科學、做科研,最忌諱的就是,「說不懂,似乎又懂;說懂,又似乎不是真懂」,我可是不願「陷你於不義」的啊!〕

所以,回到你最早問的問題:「宇宙到底有多大?又長的像什麼樣子?」我只能說:「宇宙很可能是無盡的,它即沒有中心,也沒有邊,而且一直向外無限的延伸。」既使如此,讀者還是要警惕到,這樣的見解,嚴格說來,還是僅限於我們「所能觀測到的宇宙」 而已,也就是說,對長度只有 460 億光年的距離(「所能觀測到宇宙」的長度)而言,它確確實實是「平」的,但對「整個宇宙」的長度( 14 兆光年)而言,是否還是「平」的,至少在目前科學的能耐下,還是無法證實(或否定)的。

下圖(credit: Ned Wright's cosmology tutorial)即是以一球體「大小」和其表面「弧度(curvature)」的關係,來說明目前認為「宇宙」是「平」的,並不一定表示「整個宇宙」是「平」的,因為,以同樣在球體表面的距離而言,若球體很小,你看到的是一有弧度的曲線,但當該球體變得愈來愈大時,該曲線的弧度,就變得愈來愈小,當該球體大到非常非常大時,該曲線看起來,就像一條直線了,同樣道理,以上所說的「宇宙」,「平」或不「平」,端看「宇宙」有多大?若夠大的話,對有限距離而言,看起就是「平」的了,換句話說,這也間接印證了,我們的「宇宙」,要嘛就是「平」的,要嘛就是大到你無法想像。


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