2011-08-22 23:55:05龍崎幸

小鏡片對大宇宙

    我們現在對宇宙的了解已經到了一個程度。宇宙的誕生是從大爆炸開始,然後隨著時間的演進,宇宙慢慢在膨脹,那麼因為能量守恆的關係,它的密度會慢慢減小,溫度也會慢慢降低。

    從大爆炸到今天為止,總共歷經了140億年左右,這是根據科學研究還有觀測所得到的結果。目前一般相信大概是137億年,不過大概還是有一點量測上的誤差,所以大約就是140億年。在這邊要特別提出來的,就是在宇宙年齡40萬年之前,我們的宇宙可以說是不透明的,也就是光沒辦法走直線。舉個例子來說,你今天在洗澡的時候,水溫很高,浴室裡到處充滿了水蒸汽,所以你會看不到窗戶那邊的東西,或是看不到洗手台上面擺的東西。這是因為那邊所發出來的光,在到達你眼睛的過程中,就被水蒸汽的分子給散射到其他方向去了,所以光沒辦法走直線。

    在早期宇宙,宇宙剛大爆炸的時候,也是處於這種狀態,只是在那時候讓光不能走直線的東西不是水蒸汽,而是電子。因為那時候溫度很高,宇宙裡所有的電子都處於游離的狀態,是自由的電子。從物理上我們曉得,光遇到電子的時候會發生散射,這種我們有一個名詞,叫做康普敦散射(Compton Scattering);或是低溫的時候稱為湯普森散射(Thompson scattering)等等,反正就是光遇到電子會發生散射。因此,如果你有辦法坐時光機器回到那時候的話,基本上是伸手不見五指,因為手上所反射出來的光,在到達你的眼睛這過程中,早就被電子給散射到其他方向去了。

    但我們現在的宇宙,並不是這種不透明的宇宙。現在我們晚上可以看到星星,這就表示現在的宇宙是透明的,光可以走直線。宇宙從不透明、像是起霧的狀態,變成現今的透明這種狀態,這中間的轉折,大概是在宇宙年齡37萬年左右、也就是40萬年左右的時候。那時候宇宙的溫度降到一個程度,使得帶負電的電子跟帶正電的質子結合,變成電中性的氫,而氫也就是宇宙組成的最原生物質。形成氫原子之後,光在行進的時候就碰不到電子,因為電子都被質子捕捉去,變成了電中性的氫。所以在宇宙年齡40萬年之後,整個宇宙裡面自由電子的含量,就突然變得很少很少;所以從那時候開始,宇宙裡面光就可以開始走直線。

    換句話說,今天如果你有一台望遠鏡,把它架起來看外太空,你看得越遠,實際上看到的是越早的星星;但當你看得很遠很遠很遠的時候,就看不到星星了,因為那時候星星都還沒有形成,宇宙裡面所有物質都是在原生狀態,都是像電中性的氫這種狀態,都還沒有東西形成。

    我常常跟學生講,由於光在真空中傳遞的速度是一個常數,所以當你看到一個比較遠的物體所發出來的光,同時也看到另一個比較近的物體所發出來的光時,實際上你看到是比較遠的那個物體比較早發出來的光,而比較近的那個物體則是比較晚發出來的光,兩個光同時到達你。因為光的速度是固定的,所以比較遠的物體發出來的光,要比較長的時間才能到達你。所以當你同時看到兩個物體,一個近一個遠的時候,你所看到遠的那個光,一定是比你看到的近的那個光,還要更早之前從它那個地方出發,兩個才有辦法同時到達你。

宇宙信差的終點站──望遠鏡
    人類發明望遠鏡是在大概17世紀的初期,當然第一個發明這個概念的並不是伽利略,而是另外一位科學家,但是伽利略是歷史上所記載,第一個真正把望遠鏡的形體做出來、真的可以用來看星星的第一位科學家。