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從空間與時間一窺宇宙的前世今生?宇宙有沒有年齡?

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從空間與時間一窺宇宙的前世今生?宇宙有沒有年齡?

從空間與時間一窺宇宙的前世今生 

輕鬆探索極限的物理世界 

宇宙的起源(圖/PIXABAY) 

 

地球約四十六億年前誕生,太陽約五十億年前誕生,依據科學家的推算,宇宙年齡約一百三十八億歲。一百三十八億歲是什麼概念?根據內政部2021年8月公布的數據顯示,臺灣人平均壽命約81.3歲來計算,就是一個人重新投胎將近1.7億次。你可以想像在宇宙在一百多億年中,宇宙到底發生什麼事嗎? 

 

宇宙空間的有限與無限 

宇宙的空間是有限還是無限大?從牛頓的萬有引力來看,宇宙當然是無限大。 

假設單看宇宙中天體A受到天體B的吸引,根據萬有引力定律,就有向天體B運動的趨勢。但由於宇宙是無限大,一定可以在天體A的另一側尋找到天體C,它對天體A產生一個與天體A和天體B之間方向相反、大小相同的吸引力。 

《六極物理:極快、極大、極重、極小、極熱、極冷,探索極限世界》一書中提到,牛頓的論證其實很簡單,由於宇宙的無限大,其中每個天體都可以作為一個中心點,每個中心點都可以在周圍找到更多的物質互相牽制引力,致使處於中心的天體受力平衡,宇宙的天體群自然就不會因為萬有引力擠成一團。作者嚴伯鈞指出:「其中的核心推論是,『無限大』意味著只要找就一定能找到,無限大包含一切可能性」。 

宇宙中的天體受力平衡(圖/時報出版) 

 

過於理想化的牛頓論證與宇宙時間 

談到「極大」的概念,除了空間的大小外,還包含時間的長短,宇宙的空間與時間之間也有相對應的關係。因此,假設牛頓的宇宙空間論證是正確的,那麼宇宙有沒有年齡?是無限久?還是有限久? 

十九世紀德國哲學家海因里希‧歐伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)回答:根據牛頓宇宙無限大的論證,宇宙必然已經存在有限久的時間。如果宇宙存在無限久,現在不可能看到白天、黑夜交替,應該一整天都是白天。 

為什麼呢?如果宇宙無限大,其中將存有無限多正在發光的星體,無論在地球上往哪個方向看過去,都會受到布滿宇宙的發光星體照射,地球上應該永遠處於白晝狀態。很顯然,我們現在所處的世界有白天與黑夜交替出現,宇宙的年齡必然是有限的。 

歐伯斯與牛頓的論證存在明顯的矛盾,根據歐伯斯的論證,宇宙存在有限久。現在已知宇宙的年齡約一百三十八億歲,亦即一百三十八億年前,宇宙並不存在,它有一個誕生的過程。就好像蓋房子,我們用有限的時間,只能蓋出一棟有限大的房子,然而,「宇宙是怎麼變成無限大的呢」?無限大的宇宙卻有一個有限大的年齡這個結論,存在根本的邏輯矛盾。除非宇宙從誕生開始,就是無限大的。嚴伯鈞認為,這樣的說法比較符合神話故事的「創世」思想,但對物理學家們來說,這個「創生」的過程無法用物理學理解。 

 

可能一開始問題就是錯的 

這種矛盾要怎麼解決呢?有時候一個問題找不出正確答案,可能不是解法有問題,而是問題本身問錯了。例如你問我一顆蘋果的心率是多少?蘋果沒有心臟,哪來的心跳?這就是典型問錯的問題。 

宇宙是否無限大?存在是否無限久?這兩個問題一旦問出來,其實已經假定宇宙目前的狀態固定不變,完全忽視另一種可能性──「宇宙有可能時刻在變化」。宇宙難道不會是一棟蓋到一半的房子嗎?針對這個問題,直到一九二九年,美國天文學家愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)才給出令人信服的答案,而解答是什麼呢? 

 

六極物理:極快、極大、極重、極小、極熱、極冷,探索極限世界》/時報出版

 

     
作者簡介

嚴伯鈞
 
擅長以嚴密的邏輯,輕鬆幽默地講解硬核科學知識。
 
香港科技大學物理學、數學雙學士學位;香港科技大學物理學碩士;攻讀美國布朗大學物理學博士。

物理競賽金牌獲獎者,文津獎得主,知識內容博主,全網粉絲數近一千萬,科普影片全平臺播放數逾二十億。
 
2018年被《新週刊》評選為「十大網紅網路導師」之一。
 
著有《六極物理》、《了不起的物理》等。
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