《宇宙必修課：給大忙人的天文物理學入門攻略》閱讀心得：愛因斯坦也算不準的「宇宙爆脹」

《宇宙必修課：給大忙人的天文物理學入門攻略》(Astrophysics for People in a Hurry) 2017年出版，由天體物理學家、宇宙學網紅、同時也是天文館館長Neil deGrasse Tyson所撰寫，曾高踞《紐約時報》暢銷書第二名。

這是寫給一般讀者看天體物理學科普，但內容蠻硬的，我靠著自己的理解畫了幾張圖，以助日後記憶理解。

不同於商管書籍，宇宙學想必也是很冷門的題材吧。國中當過數學理化小老師，對純科學的興趣一直都有。只是出社會後都是以商管書為主，但好像也沒能當上甚麼厲害角色呢(笑)，那不如多看幾本自己有興趣的書，自然科學就是一門讓人謙卑的學問。

我看到有網友說宇宙大爆炸理論被證實是錯的？但看過內容後，大部分是標題殺人法。咱們來天橋底下說說書，聊聊「宇宙大爆炸」(Big Bang Theory)後到現在究竟發生了甚麼事，以及近年熱門的「宇宙膨脹」(Inflation)到底是什麼？

我只是個業餘天文知識愛好者，非物理本科，若有觀念錯誤的地方，歡迎各位先進來信指正。

(以下為自己參考多方資料自行撰寫的，請勿竊取)

都卜勒效應Doppler effect

先幫大家複習國一學過的波長= 波速/頻率

都卜勒效應是當物體與觀測者有相對速度的話，物體遠去頻率變小、波長變長，稱為「紅位移」，物體靠近頻率變高、波長變短，稱為「藍位移」；不論是光波或聲波皆適用這個理論。

哈伯當年就是發現遠方星系的光譜都出現了紅位移，往紅端移動，而且距離愈遠，紅位移愈大，他靠著這個結果得到了「宇宙膨脹」的結論。

宇宙大爆炸(Big Bang)：萬物存在歸功於十億個反物質中的物質

接下來進入正題。宇宙源於137億年前的一次「大爆炸」，然後就一連串的創世紀，光子啦質子電子啦等劈哩啪啦跑出來….

光看文字難以快速理解，絞盡腦汁自製圖表如下，當作複習國高中物理吧。

由下圖可知，138億年前，每十億次的正物質和反物質互相殲滅，會留下一個正物質，因此創造了原子，形成了宇宙萬物。

有人說，每一個受精卵都是生命的奇蹟，每一個原子也同樣是十億分之一的奇蹟。

爆脹理論(Infation)：大爆炸後還有宇宙空間膨脹

前面講到的大爆炸(Big Bang)是像炸彈一樣炸開，但爆脹理論是根據Big Bang做進一步修正：大爆炸後宇宙空間在10^-43 秒時發生了超光速的膨脹，可以想成一顆膨脹的氣球。

由上圖可知只有3種天然元素(氫、氦、鋰)是在大霹靂期間形成的，其餘的重元素都是在恆星爆炸後提煉出來的。

為什麼說是修正Big Bang Theory? 最初愛因斯坦認為，大爆炸後認為宇宙空間是靜態的，也就是「靜態宇宙觀」，為此還把廣義相對論導出之引力場方程式加入人為常數 「Λ」。

 Λ僅僅是為了讓宇宙符合不膨脹的假設，愛因斯坦才「硬加」進去的。

但是1929年哈伯發現宇宙膨脹的事實後，讓愛因斯坦終於放棄了宇宙常數，且自嘲其為他一生中最大的錯誤。

登楞~真 相 大 白！愛因斯坦透過廣義相對論所導出的引力場方程式，本來就是預言宇宙在膨脹，所以愛因斯坦又放心的把引力場方程式的人為常數「Λ」拿掉。

爆脹理論(Infation)超展開：宇宙空間不只膨脹，還加速膨脹，宇宙常數敗部復活！

但是故事結局總是超展開，柳暗花明又一村。在1998年，愛因斯坦死後43年，三個科學家想要測一下宇宙現在減速膨脹到甚麼程度了(因為有引力會減速)，想不到一測之下，天文界三觀毀了，竟然是「加速膨脹」！

逼不得已，後代科學家把愛因斯坦的引力場方程式拿出來，再加入人為常數 「Λ」。只不過，這次的人為常數要再修改，變成宇宙是「加速膨脹」的常數。

看到這，我知道大家頭暈了，甚麼膨脹、快速膨脹？有差嗎？所以我畫了張圖：

而「Λ」的意義就是暗能量。當代科學家認為，暗能量是真空中的「反引力」能量，宇宙越膨脹，真空越大，暗能量就變大。也因為宇宙空間膨脹，暗能量比例變大，反引力也越來越大，導致整個宇宙更加速向外膨脹。若是沒有反引力，宇宙膨脹到最後，最終還會被引力給拉回來，也就是應該膨脹減速，而非膨脹加速。暗能量只是因為科學家計算結果對不上，必須假設有一種暗能量，也是必須加進去的「常數」。

暗物質不是黑洞也不是星際氣體雲，目前所有觀測器材都無法測量到暗物質；在「質能守恆」的基礎計算之下，暗物質和暗能量加總起來，佔了這宇宙的95%!

我們所能觀測到的，包括地上的一花一草，天上的星空銀河…等，只不過是這宇宙的5%而已。

近年科普界最火紅的關鍵字，少不了「重力波」

1916年的廣義相對論中，愛因斯坦首度提出重力波的概念。

他認為，時間和空間並非獨立存在的，時間和空間是一體的，合稱為時空(spacetime)。因為物體有重力，當物體在時空中加速運動或碰撞時，就像水面上航行的船隻泛起漣漪，重力會以波的形式向外傳播，稱之為「重力波」。

那麼，宇宙大爆炸和重力波有什麼關係呢？在宇宙大爆炸後，當星系或星團運動或碰撞時，就會產生重力波。此外，重力波還可以研究黑洞，因為黑洞的引力極強，可以產生強烈的重力波。

如此大膽抽象的概念，究竟是如何被導出來、又該如何證明？就在愛因斯坦提出重力波的一百年後，科學家終於找到了重力波存在的證據，只能說愛因斯坦真的很神奇！

2015年美國的雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO)首度觀察到黑洞合併事件引起的重力波，並於 2017 年獲得諾貝爾物理獎。

愛因斯坦重力波和牛頓萬有引力的不同之處

牛頓萬有引力是一種經典的物理理論，適用於描述大多數的物理現象；而重力波更適用於描述極端條件下的物理現象，例如黑洞和中子星等天體的運動和碰撞。

牛頓萬有引力是一種靜態力場，其作用方式是物體之間的引力作用，而重力波是一種動態力場，是由運動的物體產生的，可以傳播到遠處。

牛頓萬有引力和重力波產生的物理效應也不同。牛頓萬有引力會產生物體之間的引力作用，影響物體的運動軌跡和速度。而重力波的作用是讓空間和時間產生扭曲和拉伸，這種效應在極端條件下才會明顯。

重力波就需要３Ｄ繪圖能力了，只好借台北市立教育天文館的影片來解釋一下：

什麼要有宇宙觀？

人類活在宇宙裡，宇宙也活在我們身體裡。

-《宇宙必修課》作者Neil deGrasse Tyson

作者說，每一口人類喝的水，最後都會回到水循環系統裡，水分子是重複使用的，因此現在我們喝的水，有一部分可能流過成吉思汗、蘇格拉底的腎臟。空氣分子也是循環使用的，我們現在吸的空氣分子，也可能通過拿破崙、林肯的肺部。

我跟你、你跟他，都互有連結。

世界不是繞著我們轉，保持開放並充滿好奇，會讓生活更加豐富。最終，我們的價值不在於我們自己，而是在於我們對整個宇宙生命的連結，可以更親切、更有同理心去對待別人。

因為你怎麼對別人，最終都回到你身上。

關於人為什麼要有宇宙觀，也可以參考我的這篇《與哲學家談快樂》閱讀心得(2)：如何獲得內心長久的快樂，活出生命的意義？

書名：《宇宙必修課：給大忙人的天文物理學入門攻略》(Astrophysics for People in a Hurry)

作者：Neil deGrasse Tyson