宇宙編年史，時間、空間與存在的奧祕：超級暴脹、黑洞物理、哈伯定律、大霹靂模型……從微觀粒子到浩瀚星系，每一步都是對存在之謎的探求

序
引言 宇宙深處泛漣漪—從重力波談宇宙學

第一章 去宇宙逍遙
1.從地球出發
2.太陽的生命週期
3.群星燦爛也不燦爛
4.錢德拉塞卡極限
5.天上有個好萊塢
6.河外星系知多少

第二章 牛頓的宇宙
1.永恆而穩定的宇宙圖景
2.夜空為什麼黑暗
3.引力悖論
4.熱寂悖論

第三章 有關無限的數學悖論
1.悖論、佯謬知多少
2.芝諾帶你走向無窮小
3.希爾伯特旅館悖論
4.缸中之腦
5.無限猴子定理

第四章 學點相對論
1.狹義相對論
2.廣義相對論
3.重力場方程
4.相對論的實驗驗證和應用
5.不同的內蘊幾何

第五章 探測重力波
1.宇宙學中的基本測量
2.探測重力波—時空的漣漪
3.電磁波和重力波
4.重力波速度為何等於光速
5.韋伯—探測重力波的先驅

第六章 黑洞物理
1.史瓦西解和黑洞
2.黑洞無毛
3.霍金輻射
4.宇宙中的恆星黑洞
5.超大黑洞和極小黑洞
6.雙黑洞和重力波

第七章 哈伯定律
1.欲上九霄攬銀河，浩瀚星海任遨遊
2.光—探索宇宙的利器
3.膨脹的宇宙
4.超光速的困惑
5.宇宙的形狀

第八章 大霹靂模型
1.為宇宙膨脹建造模型
2.渾沌開竅宇宙誕生
3.霍伊爾的堅持
4.微觀世界的祕密
5.從夸克到宇宙
6.宇宙如何演化
7.探尋宇宙的第一束光
8.隱藏宇宙奧祕的古老之光

第九章 大霹靂的謎團和疑難
1.對大霹靂的誤解
2.視界疑難
3.平坦性疑難
4.磁單極子疑難
5.上窮碧落下黃泉，暗物詭異難露面
6.宇宙常數解疑難，捕風捉影論真空

第十章 暴脹的宇宙
1.超級暴脹補缺陷
2.對稱破缺，真空相變
3.平行宇宙似科幻

 

引言

宇宙深處泛漣漪──從重力波談宇宙學

　　2016年2月11日，星期四，上午10點30分，是一個在物理學界值得紀念的日子，美國的雷射干涉重力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational wave Observatory，LIGO）與加州理工學院、麻省理工學院等各處的專家們，在華盛頓召開了新聞發布會，向全世界宣布於2015年9月14日首次直接探測到了重力波的消息。普遍稱之為GW150914事件，全世界都為之振奮，天文界和物理界的專家們更是激動不已。

　　為什麼GW150914事件如此震動科學界？物理學家們對探測重力波期待已久，而這個事件中探測到的重力波就是來自宇宙深處的時空漣漪。我們說這個漣漪泛起於宇宙的極深、極遠處毫不誇張，因為它們發生於13億年前，來自於距離我們13億光年之遙的兩個「黑洞」的碰撞。

　　黑洞碰撞、時空漣漪、13億年前……這些如夢幻、如詩歌一般的語言，突然轉化成2016年春天到來之前的第一聲驚雷。大概連天國裡的愛因斯坦也會止不住開懷大笑起來吧，沒想到啊，人類真的探測到了重力波。那是愛因斯坦在100年之前，建立了廣義相對論一年後的一個精彩預言！

　　天地廣闊，乾坤永恆；茫茫宇宙，萬物之謎，這些對人類好奇心的永恆誘惑，又何止讓人類探尋了100年！

　　不過，談到重力波和黑洞，倒是讓筆者回想起了30多年前在美國德州大學奧斯汀分校讀博士的日子。我當年博士論文的題目是有關重力波在黑洞附近的散射問題，著名物理學家、引力理論專家約翰．惠勒是我的博士論文委員會成員之一。記得在當時的一次討論會上，有人提到何時能探測到重力波的問題時無人作聲，只有惠勒笑嘻嘻、信心滿滿地說了一句「快了」。我當時只知道推導數學公式，對探測重力波的實驗一無所知，但惠勒這句「快了」在腦海中卻記憶頗深，也從此關心起重力波是否真正存在，以及何時能探測到的問題。

　　1993年，傳來了兩位美國科學家獲得諾貝爾物理學獎的消息。他們便是因為研究雙星運動，即兩顆雙中子星相互圍繞著對方公轉，而間接證實了重力波的存在。筆者當時便立即想起了惠勒的話，心想：果然「快了」！

　　2000年，聽說惠勒早年的一個學生，就是和惠勒一起合作《引力》（Gravitation）這本書的加州理工學院教授基普．索恩（Kip Thorne），幾年前啟動了一個叫LIGO的項目，專為探測重力波。1999年10月的《今日物理》（Physics Today）有一篇文章是關於此項目，我看了之後，腦海裡又浮現出「快了」這句話。

　　2007年，在加州偶然碰到一個原來一起在相對論中心學習的同學，他在某天文臺做天體物理研究。談及重力波，他也說「快了」，因為LIGO將在一年後再次更新，更新完成後就「快了」。

　　2014年，又一次傳來探測到重力波的消息。

　　由於普通物體，甚至太陽系產生的重力波都難以探測，所以科學家們便把目光轉向浩渺的宇宙。宇宙中存在質量巨大又非常密集的天體，如黑矮星、中子星，或許還有夸克星等。超新星爆發、黑洞碰撞等事件將會產生強大的重力波。此外，在大霹靂初期的暴脹階段，也可能輻射強大的重力波。

　　2014年有人提出哈佛大學設在南極的BICEP2望遠鏡探測到了重力波，但這種「探測」指的並不是直接的接收，而是大霹靂初期暴脹階段發出的「原初重力波」在微波背景輻射圖上打上的「印記」。但是，後來證實這是一次誤導，是一次由塵埃物質造成的假「印記」。據索恩所言，至少有一半的觀測訊號事實上是由星際塵埃導致的，而是不是完全由塵埃所致目前還不清楚。

　　直到2016年年初LIGO的發布會，才正式宣告人類真正接收到了重力波。當初惠勒的這句「快了」，兌現起來也至少花了30多年，愛因斯坦就更不用說，已經整整等待100年了！

　　探測到重力波對基礎物理學意義非凡，它再一次為廣義相對論的正確性提供了堅實的實驗依據。為天體物理和現代宇宙學研究，開啟了一扇大門，必將掀起相關領域的研究熱潮，或許會導致一場革命也說不定。

　　宇宙學是最古老的學科，也是最現代的學科。從物理的觀點來解釋宇宙，稱為物理宇宙學。物理宇宙學是一門年輕科學。從遠古時代開始，人類就對茫茫宇宙充滿了猜測和幻想：詩人和文學家們仰望神祕的天空，用詩歌和故事來表達抱負、抒發情懷；哲學家們哲思深邃、奇想不斷；科學家們卻要探索宇宙中暗藏的祕密。儘管人類的天文觀測歷史已經有幾千年，但是將我們這個浩瀚宏大、獨一無二的宇宙作為一個物理系統來研究，繼而形成了一門稱之為「宇宙學」的現代學科，卻只是近100年左右的事情。這股推動力來自理論和實驗兩個方面：愛因斯坦的廣義相對論和哈伯的天文觀測結果。

　　近年來，隨著科學技術的進步，物理宇宙學從神話猜想發展到理論模型，至今已經發展成為一門精準的實驗科學。由於現代天文觀測手段日新月異的發展，宇宙學進入了它的黃金年代，理論發展似乎已經難以跟上大量觀測數據累積的速度，各種模型和猜想不斷湧現。並且，宇宙學中近十幾年來的一系列重大發現對現有物理基礎理論也提出了諸多挑戰，比如暗物質和暗能量的研究已經成為現代物理的重要課題。

　　近代宇宙學到底研究些什麼？有哪些具體的重要進展？這個領域的發展實在太快，廣大民眾可能還知之甚少，即使是在學術界，大多數人對近年來宇宙學的事件也只是知其然，而不知其所以然，並且對其（尤其是對大霹靂理論）存在著很多的困惑和誤解。有些人認為大霹靂是毫無證據的假說，天方奇譚，甚至將其稱為「西方宇宙學」。然而這不是事實，儘管我們無法直接驗證宇宙的「大霹靂」，也無法斷定它就一定是宇宙演化歷史的正確描述，但是由於有太空實驗衛星大量數據的支持，學界主流的大多數人已經承認和接受這個理論。作者作為一名科學工作者，有必要科普現代宇宙學的知識，讓廣大民眾正確認識大霹靂理論，了解其來龍去脈，以及其中存在的疑難問題。

　　東方人自古就有談天說地、思辨宇宙哲學問題的追求和習慣。宇宙到底有多大？宇宙長什麼樣子？宇宙來自何處？將來如何演變？宇宙是否也有生有死、有開始有結束？牛頓描述的宇宙與現代的宇宙觀有何不同？宇宙到底有限無限？無窮大的哲學觀點和數學思想使我們的宇宙觀產生了哪些悖論？這些問題都將在本書中進一步探討。

　　本書首先從太陽系開始，在第一章中介紹了行星、恆星、星系等基本的天體物理知識。第二章介紹牛頓的宇宙圖景。第三章介紹無窮的概念引起的數學和物理中的悖論，激發讀者對物理理論的哲學思考。第四章則用最少的篇幅讓讀者認識兩個相對論的基本思想。

　　第五章的目的是使讀者更深刻地理解2016年初探測到的重力波。作者從天文學中的距離測量談起，使讀者了解天文學中測量技術中的困難。接著介紹重力波強度的微弱，進一步將它的各種性質與電磁波相比較，使大家了解到探測重力波的困難和重大意義。第六章則對黑洞的基本物理性質及分類進行探討。

　　第七章到第九章，將對現代宇宙學標準模型的基本原理、數學基礎、大霹靂理論、重要結論和疑難、暗物質和暗能量、宇宙的未來等有趣的問題略作探討。第十章簡單介紹作為標準模型補充的宇宙早期暴脹理論。

　　該書的讀者群定位於文理各個領域的大學生和研究生，對天文、數學、物理感興趣的國高中生，以及所有愛好科學、渴求了解宇宙歷史及本質的廣大群眾。具有高中數學能力的讀者，便可完全讀懂書中內容。書中保留了少量的公式和簡單推導，以便某些喜歡數學的讀者能從中獲益，能夠對物理內容得到更深刻的理解。一般讀者，則可跳過這些公式，不會影響閱讀。

　　書中也提到當今宇宙學標準模型存在的許多疑難，啟迪人們對宇宙問題的思考。物理學的天空從來就不是晴空萬裡，20世紀初的兩朵烏雲掀起了經典物理的革命，從中誕生了相對論和量子論。如今，近代宇宙學天空中的重重疑雲和片片暗點又將帶給我們些什麼呢？人類期待著下一個愛因斯坦，期待著宇宙學及物理學的新一輪革命。