天文科学探索---宇宙论.ppt

1、,天文科學探索 - 淺談宇宙論 魏榮君 資訊工程系 2007.06.06,周敦頤（濂溪先生）理學開山祖（道學宗主） 著有太極圖說，乃淵源於五代道士陳摶的太極圖 中庸、易經為基礎，吸收佛、老思想，奠定理學宇宙論、人性論基本方向。 宇宙論：無極太極陰、陽五行（金、木、水、火、土）萬物 無極（無）太極（有），太極為周敦頤宇宙本體論的核心概念。 人性論：人為萬物之靈，將人性的本源推究到天命（中庸：天命之為性），修養之道是無欲、主靜，以達至誠的聖人境界。 周敦頤將宇宙和人生合在一起討論，嘗試將本體論和心性論統攝起來，建構一理學思想體系，故被尊為理學開山祖。,中國理學宇宙論,柏拉圖在迪美吾斯篇中提出了一個

2、自然哲學和宇宙模型。 柏拉圖把宇宙描繪成一個工匠神德米奧吉的製作品。祂是一位仁慈的工匠、理性的神明（事實上，就是理性的人格化）。 祂必須努力克服物質的內在限制，以便盡祂所能地製作一個最善、最美、在理性知識上最令人滿意的宇宙。德米奧吉在最初的混沌之中，填入毫無形式的物質，再依據祂內心的理性計劃而建構一個有秩序的宇宙。 柏拉圖將四種元素和諸形體聯結起來。火是四面體，因為它最小、最尖銳、最具可動性；氣是八面體；水是二十面體；土乃是最穩定的元素，故是立方體；至於十二面體最接近圓形，所以它代表宇宙做為一個整體。 柏拉圖主張地球是球形的，球形天幕所環繞著。定義天球上的諸種圓形軌道，標誌太陽、月亮和其它行星

3、的路徑。太陽公轉的軌道（黃道）在天球中的位置，顯示了黃道和天球赤道的關係。知道諸大行星，也知道水星和金星總是不會離太陽太遠。 柏拉圖認為宇宙是生物。因為德米奧吉希望使世界盡可能地最像可理解的事物，在每一方面都是最好的和最完美的。,柏拉圖宇宙模型,亞里斯多德的宇宙是多殼層的同心球體構成，在中心地帶是地球。外圍則是多層天球，它們均有一共同的球心，也是地球的球心。 亞里斯多德將宇宙劃分成上下兩個區域，以月亮所在天球殼層為分界限。在月亮殼層之上的是天體區域或超月區域，在月亮殼層之下的是塵世區域或月下區域。月下區域的特徵是誕生、死亡、所有物種的短暫變化；天體區域的特徵則是永恒不變的圓周循環。 天空由四元

4、素之外的第五元素構成的，稱作以太(aether)。以太比火更輕，是無重且透明的固體物質，它們是構成天球且承載行星的唯一物質。,亞里斯多德宇宙模型,每個行星都依附在一個天球殼層上，整個天體區域共有八層天球殼層，除了七大行星殼層外，最外層則是各恆星所在的殼層。,牛頓在自然哲學之數學原理指出，致力於發展與哲學相關的數學，這本書是幾何學與力學的結合，是一種理性的力學、精確地提出問題並加以演示的科學，旨在研究某種力產生的運動，以及某種運動所需要的力。他的任務是由運動現象去研究自然力，再由這些力去推演其他運動現象。 牛頓實際上構造了人類有史以來最宏偉的體系，他的力，主要是重力，今天稱之為萬有引力，以及由重

5、力所衍生出的摩擦力、阻力和海洋的潮汐力等，而運動則包括落體、拋體、球體滾動、單擺與複擺、流體、行星自轉與公轉、回歸點、軌道章動等，簡而言之，包括當時已知的一切運動形式和現象。也就是說，牛頓是要用統一的力學去解釋從地面物體到天體的所有運動和現象。 自然的語言是數學，要表達自然的運動規律，應當使用數學和實驗數據。 牛頓對於宇宙間萬事萬物的運動的根本原因萬有引力以及我們的宇宙為什是一個這樣的優美的體系的總原因的看法，集中表達了他對於上帝的存在和本質的見解。每一個哲學家的最崇高的職責是認識並証明上帝的存在和完美，人類只能通過自然哲學去研究自然才能最終認識上帝。,牛頓宇宙論,宇宙中有上千億的星系，平均每

6、一星系又約有上千億的恆星及各類天體。相對的，天文學家也有較多的“樣品” ，可以拼湊出有關恆星與星系的完整理論。 但是我們只有一個宇宙，建構一個合理的宇宙論並不容易，所以宇宙論標準模型 - 大爆炸學說，仍然有許多尚未解決的難題。 天文學家提出暴脹理論(inflationary theory) ，解釋/解決部份宇宙論標準模型的困難，但終極的宇宙論仍在建構之中。,現代宇宙論-宇宙源起,宇宙的結構 最遠的似星體4000 Mpc 。1 pc ：一秒視差角的距離3.26 光年。 區域結構 地球- 太陽系- 太陽的鄰居- 本銀河系- 本星系群- 宇宙的海棉結構。最大結構體長城 200 Mpc ，遠小於己知宇

7、宙的大小，所以只是區域結構。 現有的觀測顯示，沒有比長城更大的結構。 宇宙紅位移 哈伯定律星系相互遠離，相距愈遠的星系，相互遠離的速度愈大。 宇宙的起點很自然的推測：如時間倒轉，多久之前，所有的星系會聚集在一起？假設膨脹的速度一直不變，聚集發生的時間為多久以前？130 億年。,現代宇宙論-宇宙現況,宇宙論原則(cosmological principle) ： 觀測顯示，大尺度(約200 Mpc 以上) 的宇宙具有： 1.均勻性 ：物質在太空裡是均勻分佈的。 2.等向性 ：整個宇宙從每一個方向看出去都差不多。 3.共同性：宇宙起始10-43 秒後，所有的物理定律，在宇宙中的每一個地方都適用。例

8、如：愛因斯坦的廣義相對論。,現代宇宙論-宇宙的基本假設,大爆炸學說： 假設宇宙是在約150-200億年前，從一個高溫高密度的狀態，開始爆炸，膨脹之後漸漸冷卻，形成星系。 膨脹是發生在每一處。 宇宙論標準模型所描繪出的宇宙的歷史如下： 當時間為0時開始產生大爆炸。 當時間為4秒時，開始產生質子、中子、電子。 當時間為3分時，開始形成原子核，其中氫約佔75%，氦約佔25%。此時氣體是游離的，自由電子與光散射，光無法跑遠就被散射掉，宇宙到處充滿輻射。大爆炸至此時期之前，合稱為輻射主控時代。 當時間為106年時，溫度約為3000 K ，自由電子與氫、氦原核結合成為氫原子與氦原子。此時氣體是中性的，使得

9、光子可以在宇宙中自由行走，亦即宇宙變透明了， 從此進入物質主控時代。 當時間為109年時，星系的形成。,現代宇宙論-宇宙論標準模型,宇宙紅位移 由地球任何方向看出去，遙遠的星系都是離我們遠去，宇宙膨脹 。 氦與氦的豐存度 宇宙標準模型預測，H (氫) 佔約75%，He(氦)佔約25 ，實測證實。恆星所消耗的氫與所產生的氦，還不足以改變這個比例。 微量元素的豐存度 微量元素：重氫、氦-3 、鋰-7 。 這些恆星無法合的微量元素，宇宙標準模型預測的豐存度，與實測的一致。 3 K 微波背景輻射 大爆炸後，宇宙膨脹、冷卻。 Penzian & Wilson 用號角形天線發現，天空具有均勻等向的無線電波

10、雜訊宇宙背景輻射，對應於3K 黑體的輻射。COBE 衛星精確測量，宇宙微波背景輻射的溫度為2.7260.005 K。 微波背景輻射不均勻量 微波背景的微量不均勻 ，是宇宙區域結構的種子。,支持大爆炸說的觀測證據,宇宙的年齡問題 星系紅位移(哈伯定律) t (宇宙年齡)= d/Vr * 1012 年= 1/H * 1012 年Sandage ：150 至200 億年Freedman (HST) ：80 至120 億年。 球狀星團觀測、元素豐存度分析 球狀星團觀測：150 至200 億年。長半衰期同位素分析：140 至180 億年。 癥結 球狀星團觀測 、元素豐存度分析 觀測與原子核理論的計算吻合

11、，如這部份証實有誤，原子核基本理論的根本，將完全動搖。 星系紅位移HST的觀測與數據分析，(目前) 找不出錯誤。 宇宙的組成問題 星系的旋轉速率曲線 顯示，暗物質 佔90% 以上，但暗物質的本質仍然未定。 宇宙論標準模型，對暗物質的存在與本質皆未做預測。,宇宙論標準模型難題,假設 ： 宇宙在10-35 秒至10-33 秒之間發生暴脹。在此期間，宇宙的直徑大約由10-26 公尺暴增1050倍，至1024 公尺(30 Mpc) 。在10-33 秒時，暴脹終止，膨脹速率變得與標準模型相同。 暴脹機制： 宇宙在10-35 秒時發生相變，放出巨量的“潛熱”，造成宇宙暴脹。 視界問題的解答： 暴脹之前，宇

12、宙直徑小於視界，宇宙處於熱平衡。 曲度問題的解答： 暴脹後，我們可見的宇宙，只是宇宙真實大小的極小部份。物質所產生的空間 ，亦即o 1,宇宙爆脹模型,宇宙的可能歸宿,全看宇宙的o 值而定： 理論預測，保持開平坦宇宙所需的物質密度10-29 克/公分3。o = (實際物質密度)/(臨界物質密度) 開放的宇宙(open universe) o 1,X粒子發現,物理學界通行卅年的標準模型就將打破。台大物理系教授何小剛最近確認有種粒子，是標準模型中不曾見過的基本粒子，而且包括已知的夸克、電子等基本粒子都應該有一個超對稱粒子，也就是說，基本粒子種類至少要加一倍，這個理論對全球物理學界造成大震撼。 標準模

13、型認定所有物質的質量來源是一種基本粒子希格斯粒子，但人類從未觀測到；何小剛說，超對稱最小擴展模型認為有七種希格斯粒子，比標準模型多了六種，另外也認為所有的基本粒子，都有一個電性相同、質量未知的超對稱粒子。 超對稱粒子在最新理論中存在，可以用來解釋暗物質。宇宙中，只有百分之五的物質是人類已知的領域，另外有百分之廿五是未曾觀測到的暗物質，其他百分之七十則是了解更少的暗能量。 暗物質很可能是一種電中性、質量最輕的超對稱粒子，因為暗物質穩定存在於宇宙中，沒有衰變成其他物質，而只有電中性、質量最輕的粒子，才不會衰變；他們現在證實超對稱粒子確實存在，也等於提高暗物質是一種超對稱粒子的可能性。,號外2007

14、/04/03,平行宇宙論：宇宙其實不是只有我們所身處的這一個宇宙而已，而是有無窮多個宇宙。這無窮多個宇宙，分別在屬於自己的時間軸上，互相平行地進行著。 每個宇宙的物質和所遵守的物理定律都一樣，但事件的發生卻不是相同。以拿樹狀圖做比喻，當時空進行到一個原因事件支點時，就會有幾個分岔支線，通往不同的事件結果，而平行宇宙理論裡，事件支點和分岔支線是無窮多個的，所以造就了無窮條的時間軸，也就有無窮多個不同的宇宙在進行中。 蟲洞就是這些宇宙的連通管道。平行宇宙理論認為，只要依靠蟲洞，就能夠來往不同的宇宙與時空之間。 簡單來說，當某人改變了過去，就會讓原本單一的時間線從轉捩點開始分叉，創造出另一個與原有世界沒有交集的新宇宙。,平行宇宙論,時間與空間並非