你想過自己是個幸運者嗎?

想當太空人是多少小孩子童年心中最大的夢想。至於為甚麼是太空人,一來太空題材的卡通電影太多了,二來孩子對神秘的未知通常好奇多過驚懼。隨著年齡漸長,現實的學校課業慢慢的侵蝕著好奇心,兒時名為我的夢想畫作上帶著帥氣頭盔的太空人身分件件模糊。長大後偶爾特效場面恢宏的科幻星際電影能短暫喚醒我們當初那份對未知的好奇,理性卻很快的在腦中築起天體物理學跟數學的高牆,這是道少數人才跨越的過的牆!

宇宙怎麼回事似乎是個太宏大的話題,今天來談談Neil deGrasse Tyson的書:(Astrophysics for People in a Hurry)-給忙碌者的天體物理學。

每次當我們抬頭仰望天空時,在想什麼。哲學家在思考我們是誰、從哪來、到哪去、戀人正陷入甜蜜、忙碌者想逃離地球、文青感嘆宇宙的廣博與生命的短暫,而科學家想到了”光譜”!

Spectrum 光譜

牛頓之前,世人普遍認為天上有天上的法則,而地球有自己獨特的運行規律。萬有引力是第一個宣稱不只適用於地球的規律,還能解釋地球之外的天體運行。天上和地球在這個定律中是平等的,這讓那個時代的許多人無比震撼!

這樣的震撼持續到19世紀,當時的物理學家發現,每個化學原素的光譜都有自己唯一的特徵。換句話說,隨便給定一堆氣體,物理學家拿光一照,檢查吸收光譜就能準確判斷具體有哪些元素。

這個發現太有用了,太陽的組成物質馬上被解析,無非是氫、氦、碳、氧、氮,這是人類第一次得知原來組成太陽的並不是什麼神秘物質,無非是些我們生活周遭也存在的原素。

這個發現也讓後來的天文學家不用離開地球,就能利用吸收光譜確認遙遠的恆星大氣和星雲中所含的元素。經過多年的累積觀察,科學家也知道了宇宙中其他地方的物質跟地球沒有什麼不同,組成的元素是相同的,所以哪天新聞報導陽明山擎天崗有外星飛船降落,不要太緊張,那艘飛船的組成物質應該也是”普通元素”。

宇宙其他地方除了組成物質跟我們一樣外,物理定律也是一樣的,引力常數、光速都分毫不差,這除了對想要殖民火星的Elon Musk是好消息外,對物理學家而言也是好消息,既然組成物質與運行規律都一樣,那我們就能用同樣的物理定律來計算”宇宙的起源”!

How Lucky We Are!

根據物理學家的觀測和計算,我們的宇宙起源於137億年前的一次”大爆炸”。物理學中共有四種基本相互作用力:引力、強相互作用力、弱相互作用力、電磁相互作用力。在宇宙起源到10的負43次方秒之間,四種相互作用力是統一在一起的,無法觀測,能觀測的宇宙是從10的負43次方秒開始。

一兆分之一秒時,宇宙裡開始出現了夸克和電子。這時候的宇宙裡除了有夸克和電子(正物質)外,還有反夸克跟反電子(反物質),大爆炸初期宇宙的溫度極高,在這樣的高溫下夸克和電子可以自由移動,宇宙像是一鍋不斷沸騰的夸克電子濃湯。而濃湯裡的主要反應就是正物質與反物質產生和湮滅。

夸克和反夸克,電子和反電子相遇後瞬間煙滅,釋放出兩個高能光子,在這樣的高溫下光子又會再產生正反夸克和電子。這個機制讓物質不斷的成對產生,成對消失,那為何目前宇宙裡都是正物質而沒有反物質呢?這點物理學家還在積極研究,而更讓科學家困惑的發現是,在宇宙大爆炸之初的環境中,每十億對夸克和反夸克湮滅,會留下一個正夸克作為倖存者。而我們今天的宇宙就是由這些倖存者組成的,想像一下地球上每個人都是宇宙早期的一個夸克,這表是全地球在轉瞬之間只會有七個人倖存!

百萬分之一秒時,宇宙已經膨脹到跟我們太陽系一樣大,溫度下降,夸克被三個為一組的束縛在一起,形成我們所熟知的”質子”和”中子”,於此同時,質子與反質子,中子與反中子不斷碰撞、湮滅,正物質的倖存率一樣是十億分之一。

一秒時,宇宙膨脹到幾光年大小,更低的溫度使得質子和中子被結合在一起成了原子核。氫原子核占90%,氦原子核占10%,其餘少到可忽略不計。而此時的溫度讓光子只能產生電子和反電子,規律依然,正反煙滅十億次留存一個正電子。

在宇宙年齡來到38萬年時,此時宇宙的溫度低到讓所有的電子都能被原子核捕捉。此時的宇宙全是氫原子和氦原子。

大爆發後十億年,這些原子在引力的作用下聚合在一起形成了恆星,而在高溫高壓下這些恆星上產生了更重的元素,這些恆星的命運都是爆炸,重元素慢慢被傳播到各處。

宇宙年齡90億歲時,在宇宙中不起眼的某個角落中產生了一個恆星,這個恆星就是太陽。而在距離太陽不遠不近的地方,剛好有個行星允許液態水的存在,這個行星就是地球。接下來的故事就是生命的起源、演化、滅絕、新生,直到有你有我。

國中健康教育告訴我們,我們都是一億分之一的幸運者,每個人在成為受精卵之前都是打敗無數精子那個勝利者。現在抬頭仰望星空,你應該知道自己遠比想像中幸運!而這無數的幸運在名為命運的偶然與巧合排列組合之下,形成了我們現在所經歷的時代與文化。

如果光譜沒有那麼簡單漂亮的性質,如果地球的物理定律和組成物質和別的地方不一樣,我們現在不可能理解這個宇宙,而作家Tyson說:”這個宇宙沒有義務讓你理解”。

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