我們都是大「爆炸」下的產物
很久不見的宇宙大爆炸系列回來了！今次繼續跟大家談談宇宙學中「家傳互曉」，人人也聽過的宇宙大「爆炸」理論（the Big Bang theory）。上回提要：宇宙大「爆炸」是空間膨脹不是爆炸，沒所謂中心點。大「爆炸」正確來說應該叫「處處伸展」理論，理論本身亦不包括也沒說明宇宙起源和開端是怎樣。再說多一遍，「大爆炸」其實是一個改得甚差的學術名稱，連漫畫家也笑物理學家為這理論起了這如此令人誤會的名字，見下圖⋯
大爆炸的證據 （the evidence of Big Bang）
平日不時也聽到物理學家談宇宙大爆炸，但他們又沒親眼見證過大爆炸發生，憑甚麼「9up」說宇宙曾經發生過「爆炸」呢？沒錯，無人在大爆炸那刻已經出世，無人親身見證過宇宙誕生嘅的歷史，但並不一定要親眼看到，親身經歷過才算得上是確切證據。難道因為我們未親眼見過活生生的恐龍，我們便可以無視一堆堆骸骨、化石證據，否認牠們曾經存在並主宰著地球（聖經至上的極端耶撚除外）？
比喻來說，宇宙學家推論出大爆炸模型當中的過程就好像看著一個小朋友或一棵植物隨時間長大般，我們可以根據他/它們的成長情況從而推論出以前或將來他/它們會變成怎樣，進而建構一個能準確描述他/它們成長過程的模型。不過正如拙文開頭所說，大爆炸並不是一完整理論，是不可以根據該模型無限倒帶回溯到無限久遠的過去。就像一個小朋友，難道單從他身體不斷長大的過程你可以推論出他出生那刻是一個「奇點」，是自己無中生有或好像孫悟空般由石頭「爆」出來的？PS: 有關宇宙大爆炸模型的問題下一篇文再詳細談。
雖然哈勃（Edwin Hubble）在上世紀初發現的星系紅移（galaxy redshift）是最早支持宇宙不是恆態實為膨脹中的觀察證據，但真正確立宇宙大爆炸模型是對的及其地位的是小弟接下來會詳細講解的其他證據。
證據[一] 宇宙微波背景 (The Cosmic Microwave Background, CMB)
宇宙大「爆炸」雖然不是一次爆炸，但與「爆炸」類同，宇宙整體本身其實也像一個「火球」，它是有溫度並會釋放出黑體輻射（blackbody radiation）*。當宇宙大「爆炸」發生後沒多久，宇宙還處於很早很早期的時候，它的能量密度與溫度非常高，內裡一切物質都處於離子化（plasma）狀態。在這充滿高能量光子的環境下，所有物質也會被「分解」^成質子、中子和電子等的自由離子，而它們與高能量光子（輻射）間的強烈相互作用會令光（子）沒辦法在宇宙空間內自由穿梭，宇宙空間在那時對光（子）來說是不透明的。用比喻的話情況就好像身處上班或放工繁忙時間時的金鐘站，在一窩蜂的人潮中「逆流」而行時，無論你行得多快怎樣走也好，都很難走得動和避免與其他人沒身體碰撞。
*根據物理學其實任何有溫度的東西也會釋放出（黑體）輻射
^這裡小弟括住「分解」是因為嚴格來說用這詞彙不大對，物質在此前根本沒曾經結合成原子（除非循環宇宙模型cyclic universe被證實），所以用「分解」其實有點兒不大恰當⋯
接下來隨著宇宙繼續膨脹，開始冷卻至某個溫度後，背景輻射中高能量的光子愈來愈少。這時候電子開始與質子結合成氫原子，而這些中性的氫原子與宇宙背景輻射的光子沒太強烈的相互作用。宇宙演化史中這紀元叫復合（recombination ）#。這時刻開始宇宙溫度所衍生的背景黑體輻射先真正開始可以在宇宙空間內自由穿梭，從這時開始你才會「看」到這些來自四方八面的背景輻射。再下來宇宙繼續膨脹，這些黑體輻射的光會因為宇宙紅移它們的波長會被一直拉長，最終去到現在變成微波，所以我們的宇宙其實是一個巨大的微波爐，裡面充斥著「會煮熟人」的微波呀！（說笑而已，不會煮熟人的）
#又一個改得甚差的學術名稱，明明此前就沒一齊過（除非循環宇宙得到證實），又何來「復合」⋯
宇宙微波背景這東西其實早在被發現之前，物理及宇宙學家伽莫夫（George Gamow）已經於上世紀40年代根據此前費德里曼（Alexander Friedmann）與耶撚（？）勒梅特（Georges Lemaître）等人提出的非恆態宇宙，大爆炸理論雛型預測到它的存在。伽莫夫是最早將前人研究的非恆態廣義相對論公式及其解深入應用在描述宇宙演化及其膨脹過程，並最先提出宇宙早期能量以輻射形式為主，即輻射主控時代（radiation dominate era）的第一人，從而推論出宇宙本身是有溫度，而且會隨膨脹或收縮改變。及後他的學生阿爾化（Ralph Asher Alpher） 和另一位物理學家赫爾文（Robert Herman）進一步修正他原先的估算，推測宇宙背景輻射對應的溫度大概應該為5K（絕對溫度）左右。
雖然大爆炸模型開始逐漸成形而且理論上亦有宇宙微波背景這些預測可以去做驗證，但那時物理學界對大爆炸仍然存疑，對宇宙究竟是穩態定非穩態還在爭辯中，始終星系紅移並不是一個很有力支持大爆炸模型的證據。同一時期以天文學家荷爾（Sir Fred Hoyle）$為首等的物理學家提出穩態理論（steady-state theory），認為如果星系間的空間不斷產生物質，即使宇宙為膨脹中，宇宙的特性好像物質的分怖、能量密度、星系遠離速度和距離的關係等在任何時候看也是一樣，不會隨時間改變，如上圖所示般。
$改「大爆炸」這個「惡名」的罪魁禍首
對大爆炸模型的爭論終於在後來經由天文學家威爾遜（Robert Wilson）和彭齊亞斯（Arno Penzias）在上世紀60年代利用類似上圖般的喇叭型天線測量來自天空的無線電波時意外發現宇宙微波背景得到平息。其實起初他們的目的是做衛星通信實驗，沒想過用來找宇宙微波背景，只是剛好發現即使儀器指向天空那一方向也探測到一些額外看起來像是來自外太空的微波雜訊。剛開始他們還以為雜訊是白鴿的雀糞引起，但經過一大輪驗證後終於確定這些雜訊其實為充斥著宇宙的背景輻射，他們亦因為這重大發現於1978年獲得諾貝爾物理學獎。
證據[二] 太初核合成（Big Bang nucleosynthesis）
除了宇宙微波背景外，另一個支持宇宙大爆炸模型理論的有力證據是太初核合成（Big Bang nucleosynthesis），而這項證據亦與上文提及的伽莫夫有關。除了從理論出發最先預測到有宇宙微波背景存在外，伽莫夫還發表了聞名於後世的「αβγ」論文[1]，詳細解述今天我們宇宙中的主要化學成分氫、氘、氦、鋰的百分比如何透過宇宙大爆炸而形成，這就是太初核合成的理論。
如上文提及，在大爆炸與暴脹發生後沒多久，宇宙處於極高溫及高壓的離子狀態情況下，宇宙中還未有原子存在，所有物質都會被「分解」成中子、質子等的基本粒子。隨著宇宙膨脹，當宇宙降溫降到差不多，高能量光子愈來愈少時，質子與中子開始因為強核力結合成氘原子（H-2或D）@。這些氘原子及後又會因為相互間的強核力作用再結合成重一點的氦和鋰同位素原子，詳細的化學反應公式可以參考下圖。
@氘為氫原子的同位素原子
上述核聚變的過程宇宙學家可以根據大爆炸模型宇宙早期的溫度及密度推測光子與重子的比例，從而推測核聚變發生時的條件去估算最終氫、氘、鋰這些元素佔宇宙化學成分的百分比。現時觀察證據顯示的宇宙化學成分百分比與根據大爆炸模型估算的非常吻合，由此我們可以推斷大爆炸模型是對的，氫、氘、鋰這些元素的確是經大爆炸而誕生的。
今次說到這裡，最後請謹記真正確立大爆炸模型的證據不是星系紅移，是宇宙微波背景及太初核合成才對。在最最後送首今屆世界盃主題曲為本拙文及今屆世界盃作結
引伸延讀：
[1] R. A. Alpher, H. A. Bethe, G. Gamow, The Origin ofChemical Elements, Physical Review 73 (1948), 803.
[2]《Q: What is the evidence for the Big Bang?》（英文）
http://www.askamathematician.com/2011/04/q-what-is-the-evidence-for-the-big-bang/
[3] 《早期宇宙的實驗室:宇宙微波背景》，郭兆林著，刊於《物理雙月刊》2005年12月
http://psroc.org.tw/bimonth/download.php?d=1&cpid=147&did=3
