宇宙起源 by National Taiwan University Press

宇宙起源

李傑信/著

On the Origin of the Universe

推薦序──人人好奇的宇宙起源高涌泉

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推薦序──終極關懷劉大任

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自序

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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

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第八章平直

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第九章黑暗的宇宙

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第十章暴脹

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第十一章何去何從

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後記──神話國

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中文索引

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英文索引

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宇宙起源

導讀五百年前，人類還為地球是不是宇宙的中心爭論不休。通過對火星軌道的觀測，尤其開始使用犀利的望遠鏡後，太陽是我們宇宙中心的事實，終於塵埃落定。望遠鏡也像魔鏡一樣，打開人類的視野，直直伸向幾近無窮的蒼穹。人類看到的滿天繁星，都是靜止不動的，但萬有引力卻是無遠弗屆，本應造成天體互動連連，甚或互撞崩盤。而天庭，看起來則是萬古靜止堅固，紋絲不動，真是令人費解。即使相對論下的宇宙，本質上是運動不息，但在靜止宇宙的緊箍咒下，仍得使用數學手段，把運動下的天體緊緊按住，以期達到在表面上看來，還是靜止宇宙的假象。 20 世紀初，人類發現宇宙竟然是膨脹的。膨脹的宇宙，解決了靜止宇宙的迷惑。宇宙在膨脹，就不會馬上崩盤，令人類安心了。但是，膨脹宇宙牽引出來的，卻是一個更大的迷惑。膨脹的宇宙，朝昨天的方向往回看，宇宙的體積應是愈來愈小，終有一天回至小到不能再小的地步，那天就該是宇宙的生日，宇宙起源的時刻。先不談有生日的宇宙有多難理解，尤其是宇宙生日的前一天，宇宙躲到哪裡的大問題。就先想像目前這麼一個大塊頭的宇宙，被壓縮到體積小到不能再小的地步，它所處的溫度環境，應是在一個極高能量的狀態。在

導讀

這樣一個難以想像的高能環境，宇宙在生日那天，應會來個大爆炸，或一般稱為的大霹靂。高能物理學家推論，宇宙大霹靂的過程中，宇宙中的物質，應遵從物理定律，依序出現。更重要的，宇宙大霹靂一定會留下一些電磁波的蛛絲馬跡。人類在 1965 年，終於聽到了宇宙大霹靂後殘留下來的微弱的宇宙嬰啼。嬰啼在微波頻道範圍，以漫山遍野架勢，覆蓋了我們 930 億光年大小的宇宙。更多的仔細觀測，發現這個宇宙電磁微波，以強度變化比萬分之一還小的超均勻分布，遍布於我們宇宙的每個角落。這個超均勻分布，給人類帶來深沉的困惑。以現在宇宙年齡約一百多億年估計，在目前 930 億光年大小的宇宙，這些電磁微波已無可能在過去接觸溝通過。過去沒有接觸溝通，就不可能有今天的超均勻，這是人類熟悉的因果邏輯關係。暫時把困惑放在一旁，且說依理推論。這個超均勻分布的宇宙電磁微波，肯定攜帶著宇宙起源時的一份極機密文件。從表面現象看來，這個超均勻分布的電磁微波像是黑體輻射。人類對黑體輻射知之甚詳。如果宇宙電磁微波果真是黑體輻射，那人類至少可以開始和這個既陌生但又似曾相識的超均勻宇宙微波打交道。科學家經由衛星觀測，確定了宇宙電磁微波是由黑體輻射而來。這份資訊向人類提供了一幅珍貴的尋寶圖。黑體輻射的電磁微波數據肯定了宇宙出身於一個原始電漿球的解說。物理學家對電漿物理也知之甚詳，原始電漿球的豐富物理內涵，也應在超勻均的宇

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宇宙起源

宙微波中留下雪泥鴻爪。這些物理內涵，能向人類提供更多的宇宙起源訊息，如超均勻中的不均勻部分，還有宇宙平直的幾何特性等。這些在宇宙起源時就烙下的胎記，甚至還可能存在於凝聚以後的宇宙之中。當然，以人類在宇宙中已經安全地、快樂地生存著的事實出發，人類也幾乎可以向宇宙直接索取電磁微波要有不均勻和平直的特質。和電磁微波超均勻分布一樣，不均勻和平直的特性，也該是宇宙在起源時的大動作下，留下的無法湮沒的現場證據。宇宙本身的確也想以超均勻的假相，企圖湮沒這兩份證據，但人類鍥而不捨地追尋，終於將它們挖掘出來。為了理解這些宇宙電磁微波的超均勻、不均勻和平直的詭異現象，人類發明了理論，深深探入宇宙起源後的一千億億億億分之一秒（10-35 秒）內，幾近目前物理的極限，才能獲得這些新觀測資料的合理解釋。解釋好像是相當合理了，但又衍生出來了另一個更大的困惑：宇宙需要一般物質、暗物質和暗能量，各盡所能、同心協力，為平直的宇宙打拚。打拚不是壞事，但宇宙這個撲克老千，又發出了暗物質和暗能量兩張蓋住的黑色王牌，把人類又帶進了另一個更深的迷宮。換句話說，以熟悉的物理定律，人類只能解釋 4% 的物質宇宙，其他 23% 的暗物質和 73% 的暗能量，不在人類所知的物理範

導讀

圍之內。所以，目前的情況是，人類發掘出愈多的宇宙知識，但對宇宙卻知道的愈少。本書以〈靜止的宇宙〉為切入點，利用〈宇宙膨脹了〉一章，先將現代人類對宇宙起源的追尋，從頭到尾簡略地敘述一遍。從〈宇宙有多大？〉章起，開始細述宇宙起源的故事。人類的確被宇宙電磁微波〈超均勻〉的詭異現象震懾了。理解了〈宇宙電磁微波〉的來龍去脈後，人類先行以衛星觀測數據，驗證了宇宙電磁微波是從〈黑體輻射〉而來，的確出身於原始電漿火球。人類信心大增之餘，接著就認準了宇宙在大霹靂起源時製造出來的超均勻電磁微波中，應有〈不均勻〉和〈平直〉的特性。這兩個預測，終能如黑體輻射一樣，以衛星觀測數據證實。但這些嶄新的宇宙知識，也牽引出了一個以暗能量和暗物質為主要成分的〈黑暗的宇宙〉，再次把人類圈入一個更深沉的困惑之中。書中簡單介紹了目前占主導地位的宇宙起源〈暴脹〉理論，並用它來解釋宇宙電磁微波的超均勻、不均勻和平直的觀測現象。暴脹理論解釋這些宇宙中詭異的現象，易如反掌。但超高能量的暴脹理論，完美地解釋了我們 930 億光年大小宇宙中的詭異現象後，也順手帶出了一大片我們宇宙外的天外天宇宙。理論估計，這些天外天的宇宙數目幾近無窮，我們應可通過在理論上無所不在的宇宙重力波，和那些天外天的宇宙溝通。這些觀測數據加上理論推測對宇宙起源的敘述，只能回溯到宇宙大霹靂起動後的一千億億億億分之一秒（10-35 秒）。宇宙起源的

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宇宙起源

零時，人類物理目前無能力處理，筆者僅以〈何去何從〉章，略表看法。內文也描述了科學大師們的排除萬難，鍥而不捨的治學精神。天下成就無不勞而獲，除了聰明才智之外，還須經歷生命中的背水戰役、絕地反攻、死而後生的拚搏，才能摘得人類智慧瑰寶的桂冠。為了使讀者能放鬆心情閱讀，本書沒有列出繁瑣的延伸閱讀參考資料，但提供了足夠的關鍵辭句，有心讀者可輕易上網爬文深究。

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直平

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宇宙起源

「達版城的石路硬又平啊，西瓜大又甜啊。那裡住的姑娘，辮子長啊，兩隻眼睛真漂亮……」新疆維吾爾族小伙子為漂亮的姑娘，鋪出了一條溫柔平直的石路，迎接未來的媳婦回家。大漠中平直的石路，含有說不盡的情意和體貼。狄基認為，宇宙也早已為人類鋪出了一條平直的路。要不，人類無法出現。狄基宇宙平直的推論，主要來自對宇宙質量密度的估計，不需借助 1965 年後的電磁微波知識，比黑體輻射的推論更早出現。

宇宙原理要理解如何估計宇宙的質量密度，我們得先知道一些專家使用的簡單計算方法。第一，專家把宇宙看成一個質量分布均勻（homogeneous）的球體，球體的體積要多大有多大，但離無窮大還差一點；第二，在均勻質量分布的空間裡，不管從宇宙哪一點 360 度看出去，周遭環境都一樣，即等向（isotropic）。這個質量分布均勻和等向的兩個性質，就是一般稱之為愛因斯坦的宇宙原理（cosmological principle）。（遵從宇宙原理運行的宇宙不得旋轉，因為宇宙一旋轉，就得有旋轉軸。每個星系，因離旋轉軸距離不同，速度不一，周遭環境就各有不同，等向性質不成立。）

第八章静平直

問題接踵而至。晚上看星星，獵戶座英武，冬季大三角湛亮。顆顆星星燦爛而有個性，哪看得出均勻和等向性質？冬季大三角中的參宿四和天狼星等都在銀河系內，距離太近，不在宇宙原理適用範圍之內。打個比喻，在森林裡散步，每棵樹都看得一清二楚，互不相同。而從民航機巡航的高度下望，每棵樹個體的形狀就消失了，看到的只是一大片森林。從更高的太空俯視，連森林都消失了，只剩下陸地輪廓及平如鏡面的海洋。把距離再加大，從現在已脫離太陽系的「航海者號」回眸，地球只是鑲在小行星帶中一粒模糊的小藍點。如果再做個大距離跳躍，從哈伯望遠鏡往外看到 100 萬光年，群星已使視覺開始出現前後重疊的現象。假如再看出到 1‚000 萬光年，星星和星系呈密密麻麻分布局面，幾乎已堆在一起。1 億光年，星星和星系就如濃霧般，均勻朦朧地連成一片。所以，宇宙原理適用範圍至少得 1 億光年。在這個尺度內，所有天體的總質量以平均密度乘以體積代替，誤差極小。我們的宇宙直徑是 930 億光年，比 1 億光年大得多。用宇宙平均密度來估計 930 億光年大小宇宙的宏觀運動性質，離譜不遠。 1929 年從哈伯開始，人類就努力收集宇宙膨脹速度的數據。因為我們是住在地球上的人類，當然只能以地球為中心，向外測量宇宙膨脹的速度。還好，這麼測量並不犯規，因為宇宙原理第二條的等向性質說，地球位置和其他宇宙的所有地段一樣，都享有以自我為中心的權利。

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宇宙起源

目前估計，以地球為中心量出去，宇宙膨脹速度每隔 100 萬光年的距離，就增加每秒 20 公里的速度。換言之，距離地球 100 萬光年的球面，正以每秒 20 公里的速度，飛離地球而去。離地球 200 萬光年的球面，正以每秒 40 公里的速度，飛離地球。300 萬光年，每秒 60 公里；1‚000 萬光年，每秒 200 公里；1 億光年，每秒 2,000 公里等，依此類推。每 100 萬光年增加約每秒 20 公里這個數目字，就被稱為「哈伯常數」（Hubble constant）。［專家用的「哈伯常數」比此數大 3.26 倍，原因與視差（parallax）的三角幾何性質有關，在此略去不談。］宇宙膨脹時，也帶著物質一起移動。物質一動，就有了動能，動能是正能量。宇宙是個均勻密度的球體，像牛頓的宇宙一樣，內層物質以萬有引力吸引外層物質，層層相吸，造成了牛頓宇宙向內隕落的位能。位能是負能量，只有在宇宙最外層無窮遠的地段位能才接近零；落井下石，那塊石頭往下墜的能量就是由位能那裡借出來的；爬得高跌得重，跌的能量也由位能而來。還好，現在向內隕落的負位能被向外跑的正動能撐著，宇宙就不會即刻塌陷，人類也能苟延殘喘地活下去。但人類不甘心只苟延殘喘地活著。我們要在宇宙中活得安全，活得平穩，活得快樂。於是人類就要宇宙中的位能要和動能抵消，最好是完全抵消。也就是說，我們宇宙由膨脹速度產生的正動能，剛好不多也不少，恰巧就等於宇宙因萬有引力向內塌陷的負位能。

第八章静平直

要達到這個境界，就得要求宇宙的總質量不能太大，否則負位能負得太大，宇宙雖然會向外膨脹一陣子，但力道不夠，最終會被物質的重力場（即負位能）拉回來，膨脹轉向會變成塌陷。也得要求宇宙的總質量不能太小，否則重力場的負位能拚不過向外膨脹的正動能，宇宙就會永遠膨脹下去。一條道走到黑，直到散花玩完為止。

臨界密度這個使宇宙不塌陷也不散花的特殊密度，就被稱為「臨界密度」。以目前哈伯常數（即宇宙往外飛的速度）估計，使用前面形容的宇宙原理計算出負位能和正動能，強迫它們數值相等後抵消，就可以得到宇宙的臨界密度，約為每 cc 含質量十萬億億億分之一公克，或 10-29 g/cm3。換句話說，我們的宇宙每立方公尺內，僅含約 6 個中子和質子類的粒子的質量。專家最喜歡兩個數字，一個是 0，一個是 1，因為 0 和 1 看起來簡單莊嚴又美麗。宇宙間最重要的數字，專家總是想方設法把它和 0 或 1 掛鉤。宇宙的「臨界密度」無疑為重量級數值，夠資格被轉化成 1。於是，專家先將宇宙的一般密度以 ρ 代表，再將臨界密度值 10-29 g/cm3 以 ρ0 命名。於是宇宙的一般密度就以 Ω0 = ρ / ρ0 的「相對」密度比值表示，而當 ρ = ρ0 臨界密度時，就變成 Ω0 = ρ0 / ρ0 = 1 的相對密度。脫胎換骨向 1 靠攏成功。

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宇宙起源

在〈宇宙電磁微波〉一章中提到，1922 年遠在蘇俄的傅里德曼使用宇宙原理，以現世不久的廣義相對論導衍出宇宙有收縮、平直和膨脹三種模式。當時傅里德曼只想以理論表示，如果宇宙的膨脹速度是如此這般，而宇宙的密度又是如此那般，他就能得到這三種模式的宇宙。至於宇宙究竟以何種模式出現，他並不關心。當然，其中不收縮也不散花的宇宙，即平直的宇宙，就是傅里德曼在宇宙三維空間以曲率為 0 來表示的宇宙。所以，不大起大落、溫柔平直的宇宙，是相對密度為 1 的宇宙，也就是曲率為 0 的宇宙。0 和 1 兩個數字，平直宇宙全用上了。以這個新的尺標估量，相對密度大於 1 的宇宙，最終會塌陷；相對密度小於 1 的宇宙，最終會散花。相對密度剛好等於 1 的臨界密度宇宙，不塌陷也不散花，只在塌陷和散花兩個狀態的中間狀態存在，直到永恆。不塌陷也不散花，就是不大起大落的宇宙，也就是狄基所說的，平直的宇宙。擁有臨界密度的宇宙有一個特性，就是它的總負位能加上總正動能的數值為 0。在這類宇宙中，負位能像是一個財力永不枯竭的銀行，可以向宇宙提供幾近無限的正能量貸款，要多少給多少，絕不吝嗇。星系組成的物質，如星系、太陽系、地球，還有你和我，都屬於正能量，都是從銀行借出來的，借出的正能量愈多，銀行挖出的負能量的井也愈深。黑洞是宇宙在局部空間討債的結果，宇宙最終會把放出去的債全討回去，釋放出所有負能量，中和掉所有的

第八章静平直

正能量，再由幾近於零的體積開始，開放貸款申請。從表面看來，宇宙正能量像是終極的免費午餐。其實，我們宇宙現在享用的午餐並非免費，只是買單時間尚未來臨而已。我們宇宙的臨界密度每立方公尺內，僅含約 6 個粒子的質量，這個密度是水密度的十萬億億億分之一，有如把一片雪花均勻地分布在地球大小的體積之中，比在地球上用人工能產生的最高真空還要真空上近億億倍。在 1 立方公尺內只有這麼 6 個粒子，一眼看去，好像微不足道，其實不然。我們的宇宙經高能物理學家計算，約有 1080 個中子和質子類的粒子（質子比中子多 7 倍，見圖 5-1）、等量的電子和一些別類少數粒子，還有 1089 個光子等。這些粒子組成了我們熟悉的物質，也就是元素週期表上所有的物質。但這些所謂的一般物質，包括了發光的星星、星系、昏暗的白矮星（white dwarf star）、褐矮星、無所不在的星塵，還有中子星和黑洞等。把它們全加起來，僅只及臨界密度的 0.05（或 5%）不到。所以，如果我們宇宙只含這些物質，肯定達不到臨界密度所需。只靠這麼一點物質的重力場，抓不住目前以哈伯速度往外飛奔的宇宙，最終必以散花收場無疑。我們能看得到的宇宙，離狄基想要的平直宇宙，還差上一大截。

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宇宙起源

暗物質 1933 年瑞士天文物理學家茲維奇（Fritz Zwicky，18981974），觀察到宇宙中一些超大星系團中個別星系的速度，已遠遠超出星系團脫離速度。茲維奇是加州理工學院教授，一生是個不按牌理出牌的學者，我行我素，想法天馬行空，不在乎世俗看法。這個觀測結果當代天文學家難以接受，但茲維奇堅持，宇宙中一定有看不見的暗物質，以它的額外重力場，才能把高速運行的星系拉住。天文界的反應並不熱烈，僅以「失蹤物質」（missing mass）等閒視之。 1960 年代，一位 30 歲剛出頭的年輕女性天文學家魯賓（Vera Rubin，1928-），開始專心測量許多螺旋狀星系的轉速（圖 8-1），很快就發現：星系的轉速跟我們所知的物理定律不符合。面對這類精確的觀測數據，當代的天文學家只有兩個選擇：一、宣判牛頓的力學錯了；二、接受暗物質的存在。年輕的魯賓，緊抱著嚴謹的科學證據，沒被排山倒海的質疑擊敗，挺下來了。天文界終於接受了暗物質的存在。愛因斯坦預測宇宙應有重力透鏡（gravitational lens）的存在，但他認為這只是紙上談兵的理論遊戲，在實際的觀測中，人類肯定永遠看不見這類需要上百億光年距離的重力聚焦現象。他沒想到，哈伯望遠鏡上天後，人類竟然觀測到了重力透鏡現象。剛開始看到重力透鏡現象時，「尋常看不見，偶爾露崢嶸」，覺得好珍貴，但隔了一陣子，哈伯不只看到一、兩個的重力透鏡，而是多處開花，

第八章静平直

愈來愈多（圖 8-2）。有些重力透鏡是由強勢暗物質提供重力場，才能將宇宙遙遠的星系，在哈伯望遠鏡的焦點成像。重力透鏡的物理現象，又給暗物質的存在提供了一個堅實的佐證。所以，現代天文學家達成共識，皆認為暗物質的確存在，但麻煩的是這類物質深藏暗處，神龍首尾皆不見，到目前還偵測不到。以魯賓的數據估計，宇宙暗物質的總質量約為一般質量的 6 倍。所以到了 1960 年代，一般物質加上暗物質後，宇宙的密度已接近臨界密度的 30%。圖 8-1 在大熊星座方向的螺旋星系 M101，距地球 2,700 萬光年，直徑近銀河系的 2 倍，含上萬億顆恆星。從對這類螺旋星系周邊暈部位轉速的測量，暗物質的存在終於被天文界接受認可。(Credit: NASA/HST Science Team)

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宇宙起源

狄基發話了。他認為宇宙不應只放出殘缺的愛，它既然已給出了平直宇宙所需密度的三分之一，就應該放手全給出來，到達臨界密度地步。宇宙也應像達版城的石路一樣，是平直的。但是，即使宇宙有了暗物質，密度仍然還差百分之七十多，到不了平直地步。這不夠的 70% 密度，要到哪裡去找啊？所以，從 1960 年代起，以宇宙平均物質密度為出發點，去追圖 8-2 Abell 1689 星系團距地球 22 億光年，以它為重力透鏡，將 128 億光年外的 A1689-zD1 星系在哈伯望遠鏡的焦點上，以圓弧形狀成像。這類物理現象為暗物質存在提供了另一個堅實的佐證。(Credit: NASA/HST Science Team)

第八章静平直

尋平直宇宙的路障礙重重，至「宇宙背景探測器」上天時，已到喊卡的地步。除了靠宇宙平均物質密度外，還有別的可用來估計宇宙平直度的方法嗎？斯穆特的宇宙微波不均勻面貌現世後，專家即刻提問，那東一塊西一片支離破碎的微波圖形是怎麼來的呢？專家們相當肯定，這幅微波圖像是宇宙天空在 37.6 萬年時的一張古老照片。當時的宇宙天空，因暴脹時量子起伏埋下的不均勻種子，帶電的物質已經開始凝聚，分布零亂，不在話下。在這團混沌帶電的宇宙中，電磁波碰到了帶電的凝聚物質，就產生散射（scattering）、折射、反射，來回折騰，直到宇宙降到了 3,000 K，電子被質子牢牢抓住，形成了不帶電的氫原子。正電和負電在中性的氫原子中抵消後，整個宇宙就沒電了。電磁波從此就不再受中性凝聚物質干擾，與其乾淨切割（decouple），從此各奔前程。但在宇宙失去電性的一剎那間，電磁波快門一閃，照下了宇宙天空最後一張照片，然後電磁微波就跟隨膨脹的宇宙同步起舞， 137 億年後，這張照片被斯穆特拿到，在他的暗房中被沖洗出來。這張照片，一定含有很多宇宙的祕密。先問，其中含有宇宙平直的訊息嗎？不均勻的微波中，如果真的攜帶了宇宙平直的訊息，訊息一定來自與宇宙平均密度不同的基因。基因不同，就得以不同的思維方式考慮。

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宇宙起源

聲波振盪和黑體輻射一樣，人類對電漿物理，也知之甚詳。以現在的理解，宇宙在「大霹靂」超高速膨脹階段，遵循愛因斯坦能量和物質轉換定律，形成了中子及帶電粒子和光子的混合原始電漿，並同時肯定引起了一些局部的量子起伏，在萌芽的宇宙電漿中留下了永恆的胎記。隨著宇宙的成長，這個胎記就轉移到混沌初開時的電漿之中。因量子起伏作用，在原始電漿造成局部濃度變化，濃度略高部位，重力場增大，中子、質子和電子就向其擠過來，擠呀擠的溫度就上升了。擠到極點，光子開始反抗外推，溫度隨之下降。擠和推就這樣反覆進行，像空氣分子被聲波擠推一樣，在混沌初開的電漿中就產生了聲波振盪。混沌的電漿就這樣振盪不止。在電漿中的光子，左碰電子右撞質子，不但寸步難行，也跟著振盪不止。轉眼間宇宙的大環境降到了絕對溫度 3,000 K，時為大霹靂後的 37.6 萬年，電子速度慢到可以讓質子抓住，形成了氫原子。電漿瞬時沒電了，變成中性，反彈力量消失，聲波振盪停止。光子一看，機不可失，快門一閃，照下一張當時宇宙天空的留念相片，137 億年後，被人類天上地下無所不在的無線電大耳朵聽到。以電漿物理來理解，微波不均勻現象，是聲波振盪時留下的胎記。在電子、質子往內堆擠時產生熱，形成高溫區；光子將電子、質子往外推時冷，形成低溫區。現在觀測到的宇宙微波，分布圖形

第八章静平直

不均勻，溫度高、低區域有別。應該問的重要的問題是，熱區有多大？冷區有多大？熱、冷區的大小形成原因，不難理解。上文提到，電子和質子往內擠的最長時間，不能超過 37.6 萬年。同樣思維，光子往外推開電子和質子的最長時間，也不能超過 37.6 萬年。換言之，宇宙原始電漿的壽命只有 37.6 萬年。原始電漿存在時，內含高能，電子和質子等，都以接近光的速度擠和被推，熱、冷區的振盪範圍從大到小都有，但最大振盪幅度都不應超過 37.6 萬光年。還有一個該問的問題，就是：暗物質參與了聲波振盪的壯舉了嗎？目前理解，因為暗物質只和重力場來往，和具電磁性的光子無互動關係。所以，原始電漿中的聲波振盪，和暗物質掛不上鉤。最可能的情況是，暗物質在一般物質擠和推的過程中，以重力場助陣過，但沒有直接參與光子、電子和質子的互動反應。熱、冷區最大振盪幅度為 37.6 萬光年，是電漿理論一個重大的發現。宇宙的大小，在 37.6 萬年時約為直徑 8,500 萬光年，從那時的宇宙中心望過去，37.6 萬光年大小分布的冷、熱微波區，以「球面調和函數」來分析，張角約為 1 度。這個約為 1 度的微波冷、熱區的張角，至為關鍵。換句話說，如果宇宙在 37.6 萬年時是平直的，含有這個 1 度張角的三角形，三內角總和應為 180 度。如果宇宙一直是在平面上膨脹，經過 137 億年後，不管這個三角形變成多麼巨大，從地球望過去，張角仍應為 1 度，三內角總和仍應為 180 度。

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和低能量拖拖拉拉的生命起源繁雜不定的過程相比，宇宙起

On the Origin of the Universe

源時的能量高、時間短，過程俐落，一步到位，看似簡單得多。但其實不然。人類對宇宙起源的物理理論，在大霹靂起動一秒鐘後，已知之甚詳。比一秒鐘短的宇宙，以「暴脹」理論，勉強可回推到 10-35 秒，即一千億億億億分之一秒。再往回推，就踢到普朗

20 世紀初，哈伯發現宇宙是膨脹的。從膨脹的宇

克時間鐵板的 10-43 秒，即一千億億億億億分之一秒。

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。

但追尋宇宙起源的困難，並不在於人類的物理理論，是否能一路回推到宇宙起源的零秒，而在於人類的物理理論，可能無

這麼大塊頭的宇宙，縮到一小丁點的體積，溫度和

法超越宇宙零時的關卡，以至永遠不能回答宇宙生日那天，有

壓力都應朝無窮大方向攀升。在這樣一個難以想像的

沒有「昨天」的問題。

高溫高壓狀態，合理推測，宇宙生日那天，就該有個

現在人類測量到的宇宙，正在加速膨脹。如無新的外力介

宇宙起源

前爆炸時殘留下來的微弱迴音。這個纖細的宇宙嬰啼

歸於無限膨脹的空間。宇宙將是空泠寂無，直到永遠。

以電磁微波現形，性質詭異，人類竟半世紀之功，前

而生命在宇宙演化的過程中，已在某時間起源，而後一定會

後送了三個昂貴的科學衛星上天，蒐集了大量宇宙在

在某時間滅絕。有始有終，不留懸念。

大霹靂時遺存下來的第一手證據。

宇宙起源、演化，反而變成拖泥帶水，沒有真正的開始，更

在本書中，李傑信抽絲剝繭，以易懂的科普語言，

沒有結束的時候。

帶領讀者解讀這份最古老的宇宙起源祕笈，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

宇宙起源

李傑信/著

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。李博士發表過六十餘篇科學及科技管理論文，擁有八項美國專利，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，他熱心投身科普教育，成立「美國促進中國科普協會」，並擔任會

著

陷成一個龐大的黑洞，假以永恆時間，黑洞終將蒸發殆盡，回

州大學物理博士、麻省理工學院科技

On the Origin of the Universe 李傑信

1965 年，天文學家們竟然聽到了宇宙在 137 億年

我寫的，就是這個有趣但無奈，無始又無終的宇宙故事。

臺灣大學物理系畢業，洛杉磯加

大爆炸，即大霹靂。

入，目前的宇宙空間將永遠膨脹下去。而星系中的物質將先塌

李傑信（Mark Lee）

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》、《天外天》。曾任《中國時報》「浮世繪版」與中國《中國科學財富雜誌》的專欄作家。

封面照片：哈伯太空望遠鏡所拍攝的哈伯超深領域（Hubble Ultra Deep Field）紀錄了宇宙大霹靂後約 4-8 億年的圖像。 (Credit: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team)

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2013/7/19 下午 03:54:30