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2013 年 1 月 25 日
 

太陽系的前世今生 (25):大霹靂學說的視界問題 (Horizon problem)

提供者 : 陳輝樺 (NMNS )  

說明 : 昨天提及從 大霹靂 (Big Bang) 宇宙論的發展史看來, 大霹靂學說是建立在「愛因斯坦的廣義相對論」 (General Relativity) 數學方程和在大尺度觀測下宇宙該呈現均質且各向同性 (homogeneity and isotropy) 「宇宙學原理」 (The Cosmological Principle) 哲理規範的兩個基本假設通則。 換言之,大霹靂學說理論建立在物理定律的普適性和宇宙該呈現均質且各向同性宇宙學原理之兩大假設基礎上。 在觀測上,大霹靂學說所推論由一點爆發、均質且各向同性的膨脹、宇宙背景的微波輻射等 3 個強而有力的證據, 使得大霹靂學說在近代的天文史中成為宇宙論的主流思維。在科學領域裡,任何的假設與學說總是需要歷經重重的挑戰與驗證。相同地,大霹靂學說也該能被哲理、方程、觀測等多元的考驗。

            1969 年美國物理學家 Charles W. Misner (1932.6.13.─) 提出大霹靂學說的視界問題  (Horizon problem) 檢視,也就是,大霹靂以來有限時間裡宇宙邊界大小尺度的問題。廣義相對論所描述大霹靂時空的幾何標準宇宙模型 (standard cosmological model) ─ 弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規 (Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker metricFLRW 度規) 描述著宇宙的大小尺度如何隨著時間變化,使得我們可以略估宇宙膨脹的來龍去脈。 換言之,憑藉現在觀測到的宇宙質量多寡、並運用 FLRW 度規 可能估算出宇宙自大霹靂以來的尺度大小,右上圖示:綠色曲線宇宙臨界質量 (Critical mass) 呈現的宇宙膨脹曲線, 最下方的棕色圓弧曲線是比宇宙臨界質量小的宇宙膨脹曲線, 藍色幾近直線的曲線是比宇宙臨界質量大的宇宙膨脹曲線, 最上方的紅色曲線是再加上 新近發現絕大組成分 暗物質 (Dark matter) 與 暗能量 (Dark energy) 所呈現的宇宙膨脹曲線。現今,透過威金森微波異向性偵測器 (WMAP) 太空觀測衛星的全天的微波背景圖 所揭露宇宙的年齡約是 137 億年,在右上圖示中正是各曲線交會處,因此只好等待觀測分辨力能再加強到足以分別方能揭曉此問題的謎惑。

明日主題 : 太陽系的前世今生 (26):大霹靂學說的曲面空間平坦 (Flatness) 問題
天文史上的今天 : 1917 年 1 月 25 日,比利時化學家、物理學家伊利亞•普里高津 (Viscount Ilya Romanovich Prigogine,1917.1.25.-2003.5.28.) 出生。他是非平衡態統計物理不可逆過程 (Irreversible process) 與耗散結構 (dissipative structures) 理論奠基人,榮獲 1977 年諾貝爾化學獎。  
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