【中華百科全書●科學●宇宙論】

楊籍富

【中華百科全書●科學●宇宙論】

 

宇宙論以探討宇宙整體之過去、現在、未來為主題。

 

古人之宇宙觀，皆以地球為中心，而太陽系及其他星球則環繞地球形成一天球，此節所謂渾天說。

 

史稱東漢張衡製渾天儀以研天象，可見我國古代之宇宙觀，亦係渾天說。

 

自望遠鏡發明以後，發現天上星球有遠近之不同，遂產生星球乃均勻散布於空間之概念。

 

如星球係均勻散布於廣大無涯之宇宙，則與觀測點等距離球面上所有星球之數目必與半徑之平方成正比，惟星光強度與距離平方成反比，是以與觀測點不同距離球面上所有星球所發之光，其強度均相同。

 

由此可知，宇宙中所有星球所發之光，其強度之總和當足以照亮夜空，使夜晚如同白晝，然則何以夜空卻一片漆黑？

 

黑夜之產生，係因宇宙膨脹而使遠處星光幾無法到達地球所致。

 

在詳述此問題之前，先扼要闡明宇宙之構造與組成於次。

 

宇宙約由百億星雲所構成，而星雲常三兩成群，甚而數千翼聚。

 

每一星雲中約合千億星球，同一星雲中之星球，因受彼此間相互萬有引力之束縛，故能移形成一緩慢旋轉之整體。

 

天文觀測之結果顯示，星雲群（ClustersofGalaxies）乃經常均勻散布於全宇宙，惟吾人所見來自遠處星雲之光，乃其千百萬年前所發出，故不表示其現在之狀態。

 

美國天文學家胡博（Hubble）於民國初年發現遠處星雲中星球之光譜與實驗室中同一元素之光譜相較，皆有紅位移。

 

換言之，即遠處星球研發之光，其波長皆大於實驗室中所觀察之波長，因紅光之波長最長，故稱為紅位移。

 

此結果顯示所有星球皆係遠離而去，其離去之速度，越遠越大。

 

由此可知，宇宙中所有星雲，顯係彼此相互遠離，其退卻速度與星雲間之距離成正比，是以離吾人越遠之星雲，其退卻之速度亦愈快，於是宇宙整體皆在膨脹。

 

宇宙膨脹之狀況猶如氣球，如在氣球表面上均勻繪點，則當氣球膨脹時，其表面上之點，即彼此相互遠離，其遠離速度與此諸點間彼此沿球面之距離成正比。

 

此一模型可以說明，星雲在宇宙膨脹過程中，何以能互相遠離而仍維持宇宙整體之形態。

 

當氣球膨脹時，其表面上之各點，雖彼此遠離，惟此諸點中，並無一點可視為中心，亦可謂球面上之任一點皆可視為中央。

 

換言之，說中央，即非中央，是謂中央。

 

惟膨脹中之氣球，其表面乃一二維曲面，而宇宙之膨脹，則係在一四維「時空」中展開，且此四維時空究屬有限抑無限，乃宇宙論中尚未真正解決之問題。

 

由星雲彼此之退卻速度，可以推測，約在一百億年前，宇宙中之一切物質。

 

曾緊密集結。

 

天文學家一般之看法，認為宇宙由一爆炸之火球開始，即所謂霹靂說。

 

在此大霹靂中之原始宇宙，係一溫度高達1012度之火球，於誕生後十秒內產生各種高能質點與強烈輻射。

 

此後光子與物質分離，火球膨脹，溫度下降，稱為輻射時期（RadiationAra）。

 

在大霹靂中向外猛烈拋出之物質，於輻射時期（即自宇宙誕生後十秒至一百萬年期間）之末，因萬有引力而堆積成塊，於是形成星球及星雲，稱為星球時期（即自宇宙誕生後百萬年以至現在），由於宇宙誕生時大靂霹之衝力，致使所有星雲不斷繼續相互遠離，故宇宙現在仍在繼續膨脹之中。

 

惟宇宙之溫度現已降低至二．七度（即所謂宇宙背景輻射溫度）。

 

星球誕生後，在星球核心由氫、氦等融合而產生碳、氮、氧、硫、鐵，以及其他重元素。

 

宇宙誕生六十億年後，太陽系形成，此後經數億年，複雜之有機分子與生物相繼出現，由於生物之進化復經數十萬年而產生文明，又經數千年之努力發展而產生科技，乃進而探求大自然之法則與奧祕，誠屬奇蹟。

 

在霹靂說之宇宙論中，宇宙誕生於霹靂火，故宇宙有開始，但其未來之發展與最後命運如何，則視宇宙之為封閉有限或開放無限而定。

 

如宇宙膨脹繼續不停，則為開放無限；

 

如宇宙膨脹後市繼之以收縮，則為封閉有限。

 

如宇宙膨脹之動能大於其萬有引力位能，則宇宙永遠膨脹。

 

反之，如其動能小於位能，則膨脹終必停止，而開始收縮。

 

如此吾人可應用牛頓力學及胡博定律求得宇宙中物質平均密度之臨界值。

 

如宇宙中物質之平均密度大於其臨界值，則膨脹終將停止而繼之以收縮，如宇宙之物質密度小於其臨界值，則永遠膨脹。

 

吾人亦可由現在之膨脹率、膨脹率之改變，以及宇宙年齡，以決定宇宙膨脹是否繼續不停。

 

惟目前之觀測結果，尚欠精確，而無法下定論。

 

如宇宙永遠膨脹，則首先發生之重大變化為星球與星雲之終結。

 

由於重力作用，任何物質聚合均有向其質量中心崩陷之趨勢。

 

在星球中，此向內之力為星球核心融合反應產生之熱與輻射所平衡。

 

數十億年後，當星球之核子燃料，如氫、氦及較重元素用盡，則重力作用失去平衡，星球節開始收縮。

 

如星球質量小於太陽質量之一．四倍，則此星球即成白矮星。

 

白矮星由鐵之原子核構成，由於重力產生之強大壓力，原子皆被壓破，故白矮星內充滿自由電子，由此等電子產生之壓力，可抵抗重力以免繼續收縮。

 

當白矮星將其殘留之能量輻射淨盡，溫度逐漸降低，而終成為不再發光之黑矮星。

 

如星球質量稍大於太陽質量之一．四倍，則其演進之結局，形成體積更小而密度極大之中子星。

 

在中子星中，原子核皆已被壓破，放出中子與質子，質子與自由電子結合後成中子，故中子星之主要成分為中子。

 

中子產生之壓力與核子力，可使中子星不致因重力收縮而崩潰。

 

中子星之半徑約為十公里，其上一立方公分之物質，其重量在地球上即有十億噸，密度之大，可以想見。

 

如星球質量大於太陽質量之三倍，則根據廣義相對論之理論，可知電子或中子之壓力與核子力均不足以抵抗強大之重力內陷。

 

在日前並無任何已知之力，可阻止星球之徹底崩潰成為一點。

 

環繞此點附近，在一定半徑內之區域，能吸收任何物質，甚而光子，亦無法掙脫此區之吸引，故此半徑內之區域，稱為黑洞。

 

黑洞雖無法直接觀測，惟任何物質在吸入黑洞前，因加熱至高溫所放出之愛克斯光則可以觀測。

 

此外，黑洞之存在，方可由其對鄰近星球產生之萬有引力，而得以測知。

 

黑洞之半徑與洞內質量成正比，太陽之質量太小，形成黑洞之機會不大；

 

如太陽能成為黑洞，則此黑洞之半徑約為三公里，即中子星半徑之三分之一。

 

如星球質量較太陽稍大，則其三種不同之結局已如上述。

 

質量較小之天體如行星及地球，或質量更小之天體如?

 

星及月球，則因其質量甚小，其內部物質產生之壓力，足以抵抗重力內陷，而維持長期之平衡。

 

星雲中之所有星球在一千億年後，皆已演進至其終局，於是整個星雲中充滿黑洞、矮星、中子星，以及其他質量較小而又陰冷之行星、小行星及灰塵。

 

由於萬有引力之束縛，上述之黑洞、矮星、中子星等天體仍然在星雲內，形成一整體，惟此刻星雲已不再發光，此後天空係一片漆黑。

 

約經1027年之後，整個星雲形成一星雲黑洞，此黑洞之半徑，約三十億公里。

 

星雲常聚集成群，星雲群最後亦形成一巨大之星雲群黑洞，其質量約為星雲黑洞千倍。

 

總之，在1027年內，宇宙中瀰漫著由星雲及星雲群所形成之大黑洞，以及到處流浪之矮星、中子星，與較小乏黑洞。

 

依照古典物理之定律，黑洞能吸收其附近之任何物質，故能生長常存。

 

但依據量子力學，黑洞亦能向外輻射光子與微中子，因而失去質量，逐漸變小而終於消失，所以黑洞亦有一定之壽命，並非永恆。

 

黑洞之壽命與其質量之立方成正比，星雲黑洞之壽命為1090年，星雲群黑洞之壽命為10100年。

 

故在10100年後，所有大小黑洞皆已消失，宇宙中僅餘中子星、黑矮星，及行星，而宇宙背景輻射之溫度，趨向絕對零度。

 

生命與文明之維繫需要能源。

 

在數十億年內，太陽可供給此項能源。

 

當太陽之能源用盡成為白矮星後，其時尚存之文明，可藉人為之核子能源遷居於銀河（即吾人所居住之星雲）內之其他星球。

 

在一千億年內，所有星球皆已壽終，其時任何尚倖存之文明，可由星雲中能旋轉之黑洞（即所謂活黑洞）吸取其轉動能。

 

在1027年後，尚存於星雲中之一切文明，可聚居於星雲中央之巨大黑洞附近以吸取其轉動能。

 

此星雲大黑洞之半徑約為一光日（光子飛行一天之距離），因此聚居於大黑洞附近之各文明，可以互通往來，惟其所需之科技與其面臨之社會問題之複雜，當不難想像。

 

此種聚居於大黑洞附近之一切文明，可繼續存在10100年。

 

大黑洞緩慢向外輻射光子與微中子，其質量逐漸縮小，而終於消失，唯在此以前，其轉動能早已枯竭。

 

此後宇宙內之所有大小黑洞均已消失，彼時尚存之文明，如欲長期存在，則節省能源至為重要，在永遠膨脹而開放之宇宙內，生命究竟能否長存，乃宇宙論中尚未解決之問題。

 

在永遠膨脹而開放之宇宙中可能發生之景象已如前述，茲就封閉有限之宇宙而略述其可能之演進。

 

當宇宙之物質密度大於其臨界值（約每立方公分10-30克），則宇宙膨脹終必停止而開始收縮。

 

當宇宙開始收縮後，則自大霹靂以來由於膨脹而發生之一切景象，即將反演，一如電影之倒演。

 

距今一千一百億年，後宇宙已收縮至其現在大小之百分之一，而宇宙背景輻射溫度昇高達三百度，故夜空如白晝。

 

一千萬年後天空溫度之高，已使生物無法生存。

 

此後僅需七十萬年，溫度即高達一千萬度。

 

在如此之高溫下，強烈之輻射使原子離子化，星球解體。

 

此後溫度急速高昇，數週之後，原子核已破裂而分解成中子與質子。

 

在此收縮之最後階段，宇宙中之一切迅速聚集，而溫度與密度將趨於無窮大，此刻一切理論與預測皆已告終。

 

在此宇宙大崩潰之前數秒內，不僅物理學已不適用，即時空之觀念，亦已無意義。

 

宇宙誕生於大霹靂，大霹靂之前不可說。

 

在封閉之宇宙內，如欲問大崩潰之後如何，似亦無意義。

 

在宇宙大崩潰之超級浩劫下，生命當無法倖存，除非大霹靂能循環，再產生新宇宙，則星雲群將再生而蘊育生命之進化。

 

上述之開放宇宙與封閉宇宙，均係根據霹靂說之宇宙觀立論。

 

在開放之宇宙內，有始無終，而在封閉之宇宙內，則有始有終。

 

在宇宙論中另有一永恆說，似由渾天說演變而成。

 

此派學者認為宇宙中之局部如星球、星雲，雖有生死，惟宇宙整體之特徵永遠不變。

 

永恆說之另一特色則為物質之連續創生，以便補充由宇宙膨脹所引起之密度下降。

 

換言之，永恆說之宇宙論認為宇宙不斷膨脹，不斷產生新物質，故密度不變，既無開始，亦無結束，時間在此毫無意義。

 

在如此之宇宙內，生命或可永遠存在，惟此說無法解釋宇宙背景輻射，近年似已為學者所冷落，茲不贅。

 

（鄒志剛）

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=1827