大霹靂

回到時間的源頭 人類出現在宇宙生命史的全盛期，因此錯過了宇宙演化中大多數的精采好戲。當我們凝視滿天星斗的夜空時，頂多只能看見數千顆恆星，它們大都分布在一條通稱為銀河（Milky Way或 Galaxy，學名為「銀河系）的巨大帶狀區域，這就是古人所知的整個宇宙。 隨著科技漸漸的進展，在望遠鏡造得愈來愈大、且其解析度愈來愈高之後，一個大到不可思議的宇宙圖像終於呈現在人們眼前。其中，眾多的星體聚集成宇宙間明亮的島嶼，那就是我們所謂的星系(galaxy)，各個星系間則充斥著低溫的微波(microwave)──大約一百五十億年前「大霹靂」（big bang）所留下來的「回聲」。如今這個各處都在不斷擴張、逐漸冷卻並且愈來愈稀薄的宇宙，便是由大霹靂這樁爆炸事件所產生的；時間、空間與物質，也全是源於這個驚天動地的大霹靂。 ■科學的創世說 在剛剛創生的那一刻，宇宙是一個充滿輻射的煉獄，沒有任何原子或分子能在那種高溫中存活。在最初的幾分鐘之內，宇宙的溫度便降低到了足以使最簡單元素的原子核形成的地步。經過了幾百萬年，由於宇宙的溫度不斷下降，所有各式各樣的原子才一個接一個出現，然後簡單分子也很快的跟著形成。可是還要再等幾十億年，一連串的複雜過程使宇宙物質凝聚成星系與恆星之後，才有可能出現穩定的行星。而在行星的環境中，一些至今仍不明的過程滋養了生化反應的複雜產物。然而，這些一連串的精密過程，到底是如何、為何開始的呢？關於宇宙創始的過程，當代的宇宙學家又能告訴我們什麼？ 古人所流傳下來的各種創世故事，就現代的觀點而言，沒有任何一個能視為科學理論；因為它們並未試圖揭示宇宙結構的任何新象，它們只是專注於排除人類對想像中未知的恐懼。編故事的人將自己也融入故事之中，以為這樣就可以感覺到自我與宇宙之間的關聯，進而祛除對於未知與不可知的恐懼心理。然而，當代科學理論需要做的卻遠比這多得多︰新的科學理論必須導出比目前更深的推論，提供我們更多關於宇宙的知識；還要夠廣以便預測新的結果，也藉以當作「檢驗理論本身能否解釋這世界已知現象」的試金石。此外，一個成功的科學理論，還必須將許多原本不相干的事實串連起來，使之達到圓融一致的境界。 當代宇宙學家應用的方法其實很簡單，然而對於不屬這一行的人而言，就不是那麼顯而易見了。他們通常的出發點都是假設︰主宰我們地球上的、屬區域性現象的物理定律，一般而言也可以適用於整個宇宙，除非某些極端的情況出現時才必須修正。宇宙學（cosmology，舊譯「宇宙論」）的研究發現，在宇宙的某些地方，尤其是在過去的時空中，存在著一些密度與溫度極高的狀態，並不能根據地球上的一般經驗而理解。科學家相信，現在所使用的某些理論，在那些情況下仍然繼續成立，而事實上也的確如此；但是在其他的一些現象中，我們目前所使用的只是一些近似法，並非真確的自然定律。這些近似法的適用性當然有其極限，所以當我們遇到了宇宙學中的極限時，就必須尋求更佳的近似法來涵蓋這些新的極限。許多新理論所做的預測，目前還無法靠觀測而得到證實。事實上，正是這些至今無法證實的預測，決定了我們未來將要建造的天文台與人造衛星的樣式。 ■建立彰顯特徵的模型 宇宙學家常常會提到建立「宇宙（學）模型」（cosmological model），這指的是物理學家為了彰顯宇宙的歷史及其結構的主要特徵，而建立的一些簡單的數學描述。就像模型飛機只需要表現出真實飛機的某些、但絕非全部特徵，我們也不可能指望一個「模型宇宙」囊括真實宇宙結構的所有細節。 目前的宇宙模型其實還非常粗略與速成，這些模型的出發點，都是將宇宙視為一個完全均勻的物質海洋，而忽略了物質凝聚成星體與星系的現象。我們只有在探究如「宇宙中的星體或星系如何形成」等更為特殊的問題時，才會修正「物質均勻分布」這個假設。最令人訝異的是，事實證明這個策略相當不錯，對於我們可觀測的部分而言，「假設物質為均勻分布」這麼簡單的理想化描述，竟然就能非常成功地描述我們已知的宇宙現象。 我們所使用的宇宙模型還有另一個重要特徵，那就是其中描述宇宙主要性質的物理量，例如密度或溫度，其數值只能藉由觀測得出。而且在每一個模型中，對這些物理量的數值都有一定的限制；也就是說，僅有某些觀測值的特殊組合是被模型所允許的，而模型宇宙與真實宇宙之間的相容性，便可藉此加以檢驗。 ■串聯極大與極小的世界 人類對於宇宙的探索，正在以幾種不同的方式積極展開。除了人造衛星、太空航具與望遠鏡之外，科學家還利用顯微鏡、加速器（accelerator）、電腦以及豐富的想像力，來拓展我們對於宇宙整體環境的認識。 在探究遙遠的外太空世界──星體、星系與宇宙等大尺度結構的同時，科學家也漸漸認識到內在宇宙錯綜複雜的微妙行為。所謂的「內在宇宙」，其實就是次原子（subatomic）的世界。在這個世界中，成員包括了原子核以及其組成的成分，也就是建構物質的基石──基本粒子（elementary particle，簡稱「粒子」）。這些基本粒子種類相當稀少，結構又非常單純，然而當它們組合起來之後，卻足以織成最複雜、最龐大的宇宙織錦，而我們自己也正是其中的一個特殊成員。 組成物質的基本粒子所構成的小小世界，與星體與星系構成的天文學世界，是我們目前所了解的兩種最尖端的知識領域。近年來，它們已經以一種意想不到的方式結合起來了。在過去，這兩個領域分別由不同陣營的科學家所統籌，他們各自以不同的方法解決不相干的兩類問題。 如今，這些科學家的興趣與方法卻不知不覺變得糾纏不清──星系誕生的祕密，也許要靠研究最基本粒子所使用的工具，也就是埋在地底深處的粒子偵測器（detector）來解答；因為根據望遠鏡對於遙遠星光的觀測，證明了那裡的物質是由完全相同的一些基本粒子組成的。而當科學家試圖尋找宇宙青少年時期的遺跡，以便重建宇宙過去的歷史時，才發現到分屬最大與最小的物理世界中，居然也有許多現象十分相似；我們對於宇宙本身的統一性，不禁萌發了更深刻、更徹底的感動。 ■為您述說宇宙之始 這本小書是為一般人而寫的，目的是要提供一個宇宙起源的簡明解說。關於極早期宇宙的歷史，我們現在到底掌握了多少證據？對於「宇宙當初如何創生」這個問題，目前最新的理論又是什麼？我們是否能夠用觀測的方法來檢驗這些理論？人類自身的存在又與這些理論有何關聯？在我們探索時間源頭的旅程中，便會遇到諸如此類的問題。 在本書中，我將闡述一些關於時間本質的最尖端臆測，並且介紹「暴漲宇宙」（inflationaryuniverse）與「蛀孔」（wormhole）的理論，同時解釋「宇宙背景探索者」（COBE, cosmic background explorer）衛星所做的觀測究竟有何重要性，為什麼在一九九二年春天，它所帶來的結果令許多科學家欣喜若狂、如癡如醉。 我在此要感謝許多宇宙學的同僚與合作夥伴，由於他們所做的種種討論與發現，才能讓我實現這個現代版的創世紀故事。

1962年生於高雄。台灣大學電機系畢業，美國加州大學柏克萊分校理論物理博士。自1993年起，即全心投入科普與科幻推廣工作，十數年如一日。曾獲中國時報張系國科幻小說獎首獎、吳大猷科學普及著作獎翻譯類銀籤獎。著有科幻小說《時空遊戲》、「衛斯理回憶錄系列」，科普譯作包括《喜悅時光》、《大霹靂》、《大自然的數學遊戲》、《胡桃裡的宇宙》等十餘種，科幻譯作包括艾西莫夫「基地系列」、「帝國系列」等近二十種。