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宇宙新認識

95/04/11 瀏覽次數 52498
宏觀的宇宙

宇宙浩瀚超乎人類的想像,它的起源為何?本質真相又是什麼?人類自古至今在追本溯源的好奇心驅動下,隨著科技的發展,對宇宙的認識似乎已有幾個階段的大幅增進。按天文物理學家的研究,我們能觀測到的最遠星系,約在140億光年(約1023公里)之外。在這麼一個廣大的空間裡,有數兆個星系(約1012個),平均每個星系包含1,000億個恆星(約1011個),因此目前所能觀測到的這個宇宙,約包含有1011 × 1012=1023個恆星,也就是1,000億兆個恆星。

這個天文數字,如果用較容易理解的說法來描述,可以說成:宇宙恆星的總數量,未必比地面上所有海邊砂粒的總數量來得少。這個比喻,讓人想起在《舊約聖經》〈創世紀〉第22章第17節記載的,神承諾亞伯拉罕:「我必使你的後裔繁增,如同天上的星,海邊的砂。」這一應許,似早已向人們宣告,天上星星的數量和海邊砂粒的數量是等量齊觀的!

微觀的基本粒子

宏觀的宇宙固然令人讚嘆其廣闊無邊,微觀的宇宙同樣令人驚訝其細微奧祕。依據物理學家所建立的物質基本粒子標準模型,宇宙中所有的物質都由基本粒子構成。各元素的基本粒子是各元素的原子,各種原子則由原子核與繞原子核旋轉的電子所組成。各元素的原子核由不同數量的質子及中子所構成,質子及中子則由更小的基本粒子夸克、輕子等所組成。

夸克 目前經實驗間接證實有上、下、魅、奇、頂、底等6種夸克存在,兩個一組計3組夸克。其中魅夸克是在1974年由華裔物理學家丁肇中發現的,頂夸克則是於1995年由美國費米國家實驗室發現的。各種夸克間質量差異很大,最重的頂夸克,其質量相當於一個金的原子核,而最輕的上夸克,其質量只有頂夸克的三萬六千分之一。理論上,各夸克都有其相對應的反粒子存在。2個以上的夸克藉強核力作用,組成強子,例如兩個正反夸克組成介子,3個夸克則組成重子。

輕子 輕子也是構成物質的微小基本粒子,目前經實驗證實存在的輕子有電子、緲子、濤子及其各自相對應的微中子等,各類輕子理論上也各有其相對應的反粒子存在。1931年安德森在宇宙射線中發現正電子,1956年實驗證實微中子的存在。電子的質量大約是頂夸克的三十五萬分之一。

而基本粒子間的相互作用力有3種,按其強度大小,依序是強核力、電磁力、弱力。基本粒子間的這3種作用力與重力,構成自然界已知的4種基本作用力。

強核力是強度最大的基本作用力,是短程力。當夸克被束縛在強子中,它攜帶的「色荷」(分為紅、綠、藍3種)發揮作用,而產生「色力」(類似因電荷而產生電磁力),好像一條弦一樣,把夸克拉在一起形成強子。這條弦稱作「膠子管」,靠膠子來傳遞力。這種描述強核力的理論,稱為量子色動力學,這理論使強作用得以和弱作用、電磁作用統一用相似的數學模式加以描述。

2004年的諾貝爾物理獎,就頒給3位美國理論物理學家,以表彰他們在1973年發現強作用理論中夸克粒子具有「漸近自由」的性質。也就是夸克間的作用力,會隨著距離變小而減弱(漸近自由),反之,當夸克彼此越離開,交互作用就越大,無法成為自由粒子,而會綁在一起。以上發現,對奠定量子色動力學的基礎及建構粒子標準模型,貢獻良多。

電磁力是因電荷而產生,其強度大約是強作用的10-2倍。
弱力是輕子之間電磁力以外的作用力,其強度大約是強作用的10-14倍。

作用力傳遞子 按粒子標準模型,基本粒子間的相互作用,是藉由交換傳遞子來顯現的。例如夸克之間的強作用,是由8種不同膠子所傳遞;微中子以外的其他輕子,因有電荷,它們間的電磁作用是由光子來傳遞;輕子(包含微中子)間的弱作用,是由W玻色子及Z玻色子來傳遞的。最後這2種傳遞子於1983年經實驗室發現證實,至於傳遞重力的重子,至今尚未經實驗證實。

暗物質及暗能量

物理學家綜合各項重要的最新天文觀測數據,包括宇宙微波背景、星系團、超新星等資料,獲致驚人的推論:前述數量龐大的星體中,所包含的傳統、可見的物質總量,實際上只占宇宙全部物質及能量總和的5%。換言之,宇宙中尚有約95%的物質及能量,屬於「暗物質」及「暗能量」,人類對其一無所知,科學家既觀測不到,也不了解這些「暗物質」及「暗能量」存在的形式及性質。

宇宙微波背景源自約140億年前宇宙大爆炸初始,熾熱的電漿物質所放射出的光線。在宇宙不斷膨脹擴大過程中,它們經過數十億年才傳抵地球,使人類有機會藉由現代先進儀器,觀測分析其顯現的能譜形式,以了解宇宙初期物質及能量的情形,及隨著宇宙膨脹擴大後其相對應的變化。

星系團是宇宙中物質集中的區域,其中包含能釋放X光的大量熾熱氣雲。藉由熾熱氣雲的溫度及銀河運行的速度,科學家可以推估星系團的總質量,發現它遠遠超過由觀測得到的銀河及熾熱氣雲的質量。此外,在宇宙擴展過程中,隨著時間而大量形成的銀河體系,也提供了暗能量存在的佐證。

超新星是恒星爆炸時所形成的,它能在很短暫時間內放出如銀河般亮度的光芒,因此雖在極為遙遠的地方,天文學家仍得以捕捉觀測,並藉由量測其亮度,可推算其距離及運行速度,以了解宇宙隨時間而膨脹的情形。中央大學太空及遙測研究中心近幾年的天文觀測,也曾發現超新星的爆炸,並得到國際的承認。

關於「暗物質」及「暗能量」占宇宙絕大部分物質及能量的重大發現,使人類對宇宙的認知及探索,進入了一個全新的起點。它對科學界所造成的影響及震撼,可媲美16世紀波蘭天文學家哥白尼提出的「地動說」,這學說主張地球是繞著太陽運轉,而推翻了當時公認的地球是太陽系中心的錯誤觀念,對人類的宇宙觀奠立一重要的新里程碑。

新物理理論的建構

由於天體物理學及粒子物理學不斷地有新發現及新推論,使得前述粒子標準模型在解釋相關現象時不夠完美,無法一體適用。例如自愛因斯坦以來,科學家們一直希望能找到一種大統一理論,把4種基本作用力用統一的數學模型加以描述,但至今尚未完全達成,特別是重力尚未能以量子理論,與電磁作用、弱作用、強作用統一加以描述。

此外實驗觀測所見,偶有與既有標準模型不能完全吻合的地方,似顯示可能有尚未被人發現的其他基本粒子及作用關係。如今推斷有人類一無所知,且占宇宙絕大部分的「暗物質」及「暗能量」,更進一步佐證粒子標準模型有待補強及修正。

希格斯場(Higgs field)、弦論(string theory)、超對稱理論(supersymmetry)等,就是理論物理學家逐步建構的理論模型,以補強既有的標準模型,藉由數學推演來推論若干物理現象。但這些理論尚未能藉由實驗得到完全的驗證。

希格斯場以理論物理學家彼得‧希格斯(Peter Higgs)的名字命名,該理論認為每個基本粒子的質量是經由某種機制產生的。根據這理論,所有物質的基本粒子和載力粒子,都會與另一種粒子-希格斯玻色子,發生交互作用,而為粒子帶來質量。交互作用愈強,粒子的質量就愈大。

弦論是1970年代為解釋某些強子現象開發出來的,再推展到基本粒子的物理理論。它把物質基本粒子視為一個線段,這線段可能是「開弦」,也可能是一個迴圈,稱作「閉弦」。不論是何者,弦可以振動,各個振動態的性質對應到不同粒子的性質。

弦論的特殊處是它描述的量子場論可能只有一個,也就是數學上可能的模型只有一個,符合萬有理論必須的唯一性,使很多科學家相信這是一個找尋更基本理論的正確方向。其次,在粒子量子場論的數學推算中,總是出現一些無限大的量,而顯得不合理,但弦論沒有這種無限大的問題。再者,弦論自動包含了量子重力場,因為弦論模型中,總是有一個振動態對應到重力子的性質,使弦論得以推導出愛因斯坦的廣義相對論,也就是重力作用的理論可以用量子化的方式來描述。

弦論中除了一維的弦外,還有其他維數的物體,一維物體的獨特角色被淡化了,各種不同維數的物體地位平等地存在於弦論中。弦論的預測之一是時空的維數是十維,也有另一個對偶理論預測的時空是十一維。雖然經驗告訴我們時空只有四維,但可能的原因之一是多出的六維或七維縮得很小,未被觀測到。另一個可能,是我們其實活在一個四維的孤立領域上,且時空的形狀及維度,要看我們如何定義其測量方法才有意義。理論中推導出來的時空性質,在一些假想的情況中,可以和我們的經驗大不相同。

超對稱理論最早於1971年被提出,理論中每個玻色子都有它相對應的費米子,而每個費米子有它相對應的玻色子。這種玻色子與費米子相互轉換的對稱性,就叫做超對稱性,它相對應伴隨的粒子稱為超伴子。超伴子還未被發現,每種粒子的超伴子簡稱為超粒子,例如夸克、輕子的超伴子稱為超夸克、超輕子,其餘如中性伴子、重力伴子,膠伴子等都是。

為了探索前述95%以上的宇宙未知物質及能量,各國物理學家、天文觀測設備及最先進的實驗室,正分工合作進行多方面的研究,期望能把人類所知極其有限的宇宙奧祕逐步解開。

宇宙科學探索的方向

依據美國國家科學基金會及能源部委由17位美國知名物理學家組成的顧問委員會,於2004年6月提出的報告〈量子宇宙,21世紀粒子物理的革命〉(Quantum Universe,the revolution in 21st century particle physics)(登載於美國史丹福大學工學院網站),具體建議以下列3個主軸,9項相關的物理基本問題,做為21世紀探索宇宙科學的主要方向。

主軸一:大統一力場理論

(1)是否還有未被發現的自然界原理?新的物理法則、定律?
(2)如何解開「暗能量」的奧祕?
(3)除已知的4維時空外,是否有更多維度的空間?
(4)自然界的4種基本作用力是否歸於同一來源?

主軸二:物質基本粒子

(5)迄今已知物質的基本粒子有57種,為何有如此多種粒子?
(6) 「暗物質」究竟是何物?如何在實驗室中製造出來以供研究
(7)微中子能提供科學家何種探索宇宙的線索?

主軸三:宇宙演化進程

(8)宇宙如何演化成今日的狀態?
(9)「反物質」為何消失無蹤?
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