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從大霹靂論談宇宙緣起
2008/08/28 06:06:24瀏覽7667|回應15|推薦26

「大霹靂」是目前關於宇宙緣起最有力、證據最多、最符合觀測結果的理論。哈伯早在 1929 年就觀測到遠處的星系、銀河,都在離我們飛馳而去,而且越遠的飛離速度越快。此現象被解釋為:在遙遠的過去,這些星系、銀河必然曾經和我們的銀河系都在一起。比利時裔的拉美提在 1931 年提出「初始原子」論,是為大霹靂論的前身。愛因斯坦的廣義相對論則為此提供完備的理論基礎,雖然他本人是個「定態宇宙」論者,並不相信我們的宇宙可以從一個原始間小到根本就是零的「奇點」爆炸開來,然後膨脹至今。

「大霹靂」一詞則是由霍爾在一次廣播節目中提出的。霍爾本人也不相信此一理論,因此語帶譏誚,原本有意嘲諷促狹,不料「一語成讖」。自 1964 年「宇宙微波背景輻射」﹝相當於爆炸後的殘餘能量﹞被發現後,多數科學家已不再懷疑大霹靂論。 1990 年後的現代,由於哈伯望遠鏡的發明和使用,加上「宇宙背景探測器」和「魏京生﹝Wilkinson﹞微波各向異性探測儀」的發射、佈建,使大霹靂論益發突飛猛進,許多細節逐漸明朗、得到證實。更令人意外的是,我們發現宇宙不只在膨脹當中,膨脹的速度還在加快。

先說明一下,宇宙大爆炸不同於任何其他爆炸,譬如核爆。除了能量大小不成比例外,大霹靂並非發生在時空的某點某處,反而是時間和空間在大霹靂中而誕生。甚至所有一切物質、能量,都是因大霹靂而產生的。物質、能量從那裡來?這個我們不可免的必須談到一位科學家叫 Alan Guth 和他的理論。現階段,讓我們先把空間和時間界定清楚。

我們說宇宙爆炸然後膨脹,並不是說宇宙爆炸、膨脹到那裡去或在什麼東西裡爆炸、膨脹,而是宇宙的空間本身在爆炸、膨脹。既然宇宙的空間從零開始爆炸、膨脹,到今天它的體積必屬有限。既然宇宙的空間即為我們可知、可感的所有一切空間,它的形貌可謂無邊,也就是沒有「外面」。一個有限又無邊的三度空間很難想像,二度空間則不難。一隻螞蟻在地球儀上爬來爬去,明知地球儀的表面積有限,就是爬不「出去」,因為地表﹝二度空間﹞無邊。所以問:「宇宙的外面是什麼?」無意義,因為宇宙沒有「外面」。我們以後會談到空間的度數。正如三度空間的人一望即知二度空間的螞蟻為何爬不出去,四度空間的生物也一望即知三度空間的我們如何受困在這個宇宙裡。只是那四度空間與我們無關,僅能憑想像或計算,而且那也不是我們的「外面」。

同樣,宇宙的時間有個開始,所以時間的過去屬有限,現代的估計是 137 億年。「時間有個開始」意味著時間的開始只有「以後」,沒有「以前」。時間開始了才有時間,有時間才有所謂「以前」、「以後」。時間還沒開始就沒有時間,沒有時間就沒有「以前」、「以後」。所以問:「大霹靂以前宇宙是什麼樣子?」無意義,因為大霹靂沒有「以前」。任何其他事情都有「以前」,只有大霹靂沒有。為什麼這麼奇怪?因為時間的定義離不開一種叫「熵」的東西﹝是一種值﹞。熵,和物質、能量有關,大霹靂的奇點沒有物質、能量,所以沒有「熵」─沒有「熵」就沒有「時間」。

談到「熵」這東西,讓我想起遙遠的往事。「熵」,簡單說,就是一個密閉系統的亂度。它是一個熱力學名詞。以前唸大學的時候,我最寶貝的有兩樣東西,一是我花容月貌的女朋友,二是我風馳電掣的摩托車。最愉快的事則莫過於騎著風馳電掣的摩托車載著花容月貌的女朋友出遊了。女朋友是不可能理解的,摩托車倒還可以。為了徹底瞭解寶貝摩托車,我買了一本協志工業的汽車學來看。後來發現不夠,又去旁系選修內燃機。要懂內燃機,應用力學、機構學、材料力學、流體力學、熱力學、熱傳導全都得修。於是就一口氣全修了。這些都不是我的本行啊!完全是本末倒置!在熱力學讀到關於「熵」的第二定律,那時那裡曉得此定律之重要性?曾幾何時,女朋友變成老婆,相夫教子﹝先燒飯生子再﹞,跟我出國;「熵」也從一個簡單的熱力學名詞搖身一變到關係宇宙時間的定義起來。

物換星移,頗有滄海桑田之慨;高堂明鏡,能無青絲暮雪之悲?都是時間惹的;或者說,都是熵惹的!

大霹靂都發生了些什麼?我整理了一下目前已知﹝不是已證﹞的事項,理論上大致是這個樣子的:

0 ~ 0.0000000000000000000000000000000000000000001 = 普郎克期

對稱性在此期內被破壞,重力在此期結束前從超力分出來。超力,是由宇宙四種已知力:重力、強作用力、弱作用力、電磁力所合成的,理論上宇宙最初的唯一之力。

0.0000000000000000000000000000000000000000001 ~

0.000000000000000000000000000000000001 = 大一統期

宇宙溫度高於 1,000,000,000,000,000,000,000,000,000 凱氏度。

強作用力、弱作用力、電磁力仍維持「三合一」狀態,叫「電核力」。

質量、電荷、色荷等名詞尚無意義。

此期結束前宇宙溫度已然降低至使一種由夸克和輕子合成的玻色子可以被產生出來。

正、反物質俱在,正物質稍多一些。

強作用力在此時期末從「三合一」的電核力分出來。

0.000000000000000000000000000000000001 ~ 0.00000000000000000000000000000001 = 膨脹期

由大一統期末的「相變」觸發導致。

宇宙體積﹝時空﹞劇脹 1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 倍。

大一統期產生的物質因宇宙劇烈膨脹而被大量稀釋到幾近於無。

「相變」造成一種場叫「脹場」,「脹場」提供宇宙時空劇脹所須之斥力,以及在此期末時大量釋出的位能。此位能轉變成一種由正、反夸克和膠子形成的濃稠高熱混合物,充斥全宇宙。

前面提及的 Alan Guth 和「物質從那裡來」和此期有密切關係。亦即:相變→脹場→位能→物質。

0.000000000000000000000000000000000001 ~ 0.000000000001 = 電弱期 ﹝涵蓋膨脹期﹞

此期自強作用力脫離電核力時開始。

弱作用力、電磁力仍維持「二合一」狀態,叫「電弱力」。

W, Z, 與希格玻色子﹝『神子』﹞都在此期產生,至約 0.000000000001 秒時止。

此期末的宇宙高能已經降低到現代加速器可以模擬的程度,所以W Z 粒子的存在方才得以證實。

0.000000000001 ~ 0.000001 = 夸克期

重力、強作用力、弱作用力、電磁力徹底分家。

夸克尚未能形成強子,因此沒有中子、質子等核子,所以沒有原子,沒有一般物質。

宇宙充滿「夸克膠子漿」─正、反夸克和正、反輕子等。

重子﹝夸克構成的物質強子﹞、介子﹝夸克構成的非物質強子﹞尚未形成。

0.000001 ~ 1 = 強子期

正、反夸克分別結合成正、反強子。正、反強子形成熱平衡。

此期宇宙質量由強子主宰。

宇宙溫度繼續下絳,正、反強子開始互相毀滅。

期末僅殘餘少許正強子,這些強子會在光子期形成原子核。

1 ~ 3 = 輕子期

期中正、反輕子被大量造出,二者形成熱平衡。

此期宇宙質量由輕子主宰。

宇宙溫度繼續下絳,正、反輕子開始互相毀滅。

期末僅殘餘少許輕子,這些輕子主要就是光子期的電子。

3  ~ 380,000 = 光子期

此期宇宙能量由光子主宰。

期初數分鐘內原子核﹝內含質子、中子等重子﹞由殘存之強子形成。

期中宇宙充斥「原子核電子光子漿」,直到期末。

宇宙溫度繼續下絳,期末溫度已低至可讓原子核和電子形成物質原子。

原子開始形成後,光子不再直接與物質作用,宇宙開始有光,變成透明,微波背景輻射於焉出現,並於 1964 年被人類證實。

「色不異空,空不異色;色即是空,空即是色」。宇宙緣起,本來如此,諸法空相,無智、亦無得。

( 知識學習科學百科 )
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引用網址:https://classic-blog.udn.com/article/trackback.jsp?uid=GolfNut&aid=2168731
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2014/10/02 02:21 【udn】 這有相關產品!分佈 地球儀 中文版 中英文比價

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“熵(entropy)”字音商(ㄕㄤ, shang)
2008/08/30 20:51

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我又老又笨,所以用手寫板輸入。 ^_^

蒙恬的手寫板可以查同音字,查到如下這些:

今音低者:(矢)鏑、嘀(咕)、墑、(水)滴、熵(entropy){顯然是誤置}

今音笛者:(矢)鏑、嘀(咕)、嫡(庶)、敵(人)、蹢、藡(植物名)。

今音示者:適。{同類音變見於"鞮"今音低"是"今音示,蓋上古漢語複聲母音節sti之遺。}

今音齋者:摘。{齋字聲符為示,示即帝之簡形,上古音為sti-,義為天之主神。適摘之音變與示齋之音變同路。}

今音摺者:(貶)謫。{"謫"字之中古音近"雜"字和"十"字之中古音(以"十"字之閩南話今音讀之即差是)。"雜錦"今書為"什錦",而什錦今讀為實錦。"十"字本身之聲母音變與前舉之同聲符字之聲母音變同因。}

今音傷者:商、螪(動物名)、蔏(植物名)、謪、熵(entropy)、墑{顯然是誤置}

蒙恬手寫板是商業產品,不能據以為字音之準。各種音符輸入法當然也作不得準。但如果現在所有的輸入傳統正體字符的音符輸入法都以低為熵字之音,那麼“傳統正體漢字文化”真可悲! ╯^﹏﹏^╰

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最好解釋一下什麼叫"亂度"
2008/08/29 13:13

還有"熵"這個字的發音。

一般有知識的人最困擾的是有專門知識的極少數人不以為意的這些東西。一般有知識的人有能力理解而且很希望理解,有專門知識的那極少數人卻不大提供或者總是語焉不詳(他們認為自己早已語之甚詳)。 ^_^

GolfNut — 無心的邂逅(GolfNut) 於 2008-08-30 03:08 回覆:

Come on, Sci-Fi, 只是沒想到而已,又不是故意「語焉不詳」。

「熵」這個字我是很有意見的,像你字感這麼敏銳的人一定會瞭解:

第一、如果要用中文電腦輸入文字,「熵」得讀作「滴」才查得到。有沒有搞錯?兩個字的右半邊不一樣耶!又不是一個水「滴」,一個火「滴」!應該讀作「商」才對吧?會不會是搞科學的人不通文字,把「熵」混到發音為「滴」那一堆字裡去了?害你打不出「熵」這個字,得 copy and paste 我的「熵」,對不對?

第二、水商的「滳」讀作「商」,為什麼火商的「熵」讀成「滴」?這更加強了我認為「熵」應該讀作「商」的看法。

第三、有一些網站會以英文拼出「熵」字的發音,像 shang 之類的,也印證了我堅持「熵」讀作「商」的理由。可是如果我不拼「ㄉ一」聲,它就不給我「熵」,好討厭。

「熵」的英文是 entropy,符號是 S see? 「商」 again﹞,本字源於西臘,意為「漸變」。它真正的意思是:一個系統內的「能」﹝energy﹞無法做「功」﹝work﹞的「程度」。「能」和「功」單位相同,理論上應可隨意互換,但事實上並非如此。有用的「能」做完「功」後就變成「廢能」,廢能越多「益能」就越少,系統就越來越沒指望。可以這麼想:100 益能 + 0 → 50 益能﹝或 50 廢能﹞+ 50  → 0 益能﹝或 100 廢能﹞+ 100 功。別加它們,廢能是「虛」的,不要想成 100+0 → 50+50+50 → 0+100+100

因為「漸變」會使一個系統的溫度、壓力、密度、化學勢等逐漸「均勻化」,所以「熵」也可以用來量度系統這種「均勻化」的程度。

那為什麼跟亂度有關呢?因為我們把高溫度差、高壓力差、高密度差、高化學勢差的狀態稱為低亂度狀態,因此低溫度差、低壓力差、低密度差、低化學勢差的狀態就叫做高亂度狀態。所以「熵」也就成為量度系統「亂的程度」的一個有效指標。

太陽的益能每天射在地球上,作很多功,像光合作用啊,光電效應啊之類的,這些最後全部變成廢能從地表以紅外線的方式輻射回太空裡,使太空溫度增加一點,此外再也起不了什麼作用。

當整個宇宙的溫度差、壓力差、密度差、化學勢差等都變成零的時候,宇宙將不再有任何變化﹝不止化學﹞發生,不會有東西運動、變易、流通。在熵達到最高點的那一瞬,時間就停止了,此「後」即永恒。好像滴一滴墨汁在水裡,幾天之後它不再擴散,系統達到絕對平衡狀態,也是最高亂度狀態。



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2008/08/29 03:27
我的問題是如果我們能測量整個宇宙的 , 我們是不是就可以推導出時間經過了多久? 比方說Big Bang 之後兩億年的 是不是比一億年時候多一倍或者成一個可以預測的函數關係。

GolfNut — 無心的邂逅(GolfNut) 於 2008-08-30 01:30 回覆:

理論上是的。熵只增不減,所以兩億年時的熵一定比一億年時的高,什麼關係我不知道,所以我也不確定可以這樣導宇宙年齡。雖然我們可以假設宇宙初熵為零,宇宙年齡不是這樣導出來的。

據我所知,推導宇宙年齡從幾個世紀前科學家們試圖推翻教會說的 4000 或 4004 年宇宙年齡就開始了。 By the way 那 4000 和 4004 歲是從聖經「導」出來的。先從推導地球年齡,到推導太陽年齡,再到現代的推導宇宙年齡,在 Jonh R. Gribbin 的【The Birth of Time:  How Astronomers measured the age of the Universe】書裡有很詳盡的 account 。說來很巧,這本書我是昨天才剛從圖書館借回來的,現在才在讀第一章而已。

我所理解的推導宇宙年齡的方法大概是這樣的:從星系、銀河,離我們飛馳而去,知道從前這些全部都在一起;這是一個重要的起點。

從光譜偏差﹝所謂都普勒效應﹞可以推算出可見宇宙的範圍﹝距離﹞。

假設飛馳速度均一不變,從此可以導出時間。時間就是年齡。

你讀過的那本 Red Limit 是不是在講宇宙膨脹速度、距離、時間這些?昨天我在圖書館看見這本書,可是沒借。太多書會讀不完,貪心也沒用。

在此有兩個 principle 也很重要,還有個名稱可是我忘了:宇宙任何一處和任何其他處都差不多;從宇宙任何一處往任何其他處看過去也和從任何其他處往任何其他處看過去差不多。簡單說一是宇宙大結構上是均勻的,再者就是宇宙沒有什麼地方是特殊的。所以我們完全可以從地球推算一切距離、速度、時間、年齡等等。



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熵與時間
2008/08/28 11:48
我理解根據熱力學定理,可以把跟時間連在一起,熵是可以度量的,那麼我們感知的時間是不是總熵量成正比呢?
GolfNut — 無心的邂逅(GolfNut) 於 2008-08-29 01:16 回覆:
是,沒錯。像我們出力,然後越來越累,熵增加了。細胞組織一天天變老、壞死,熵增加了。熵只增不減,時間永遠往前。如果宇宙只有一顆基本粒子,譬如電子,永不壞死,永不變易,時間就沒有了。


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補充一點
2008/08/28 07:48
大霹靂既不大也沒有霹靂聲。

我對 Dark Matter 十分好奇,大哥有沒有什麼猜想?
還有對anti-matter 為甚麼那麼少也很不理解。  最近一口氣聽了好幾本物理書
Dream of the final theory
Just 6 numbers
Search for red limit

對這些比較高深的物理多少有了點概念。
GolfNut — 無心的邂逅(GolfNut) 於 2008-08-29 01:42 回覆:

"Dream of the final theory" 我也讀過,好像不太喜歡,隨便翻翻,印象不深。這類書籍讀到後來就一直重複。

暗物質真的很奇怪,有一種說法說是微中子積少成多又如鬼魅般難以偵測,造成暗物質現象。我沒有意見,等待證明。這就是我們這種人的毛病,什麼事情都講證據。

我個人倒是有一種異想:重力子在弦論裡是為 closed loop ,意即無法 attach brane 上,也就是說,它游離存在,自由行走於各 brane 間。我們的宇宙真相不是我們感知的這樣,我們所知所見是為四度,真實宇宙可能不止,所以我們的是個「影子」,像皮影戲。重力子游走真實宇宙各 brane 間,我們只見其效果﹝黑暗物質﹞,不明其來由﹝他度空間﹞。

我在 Michael Green 的一個網站讀到 brane 的觀念,開始有此異想。後來寫在潘震澤那裡,沒人知道我在講什麼,也沒人理。最後有一次在一本書裡看到作者也有類似想法,欣喜若狂。書看完又一扔,什麼也沒記下。

寫這些東西對我自己有好處,正不正確姑且不論,好歹有個集散地,有個記錄,也不容散漫。每一個零都算了又算,絕不多或少掉一個。

感謝您的回應。

GolfNut — 無心的邂逅(GolfNut) 於 2008-08-29 04:00 回覆:

CP (charge and parity) 對稱性中的 “P” 對稱性被李政道和楊振寧於 1956 年發現在弱作用衰變裡被破壞,記得叫「宇稱不守衡」。這是正、反物質粒子數量不一的基本原因。

但它們的數量其實非常接近,確實比數不記得,好像是三百萬零一和三百萬。正物質粒子 end up 多了一點點,那 「一點點」變成我們的世界,也就是宇宙現有的一切物質。

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