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1、第六版中華民國九十四年五月消費者保護宣導短語：消費者訂立定型化契約前，應有30日以內之合理期間，供審閱全部條款內容，如有疑義時，應為有利於消費者之解釋。文圖陳輝樺 愛因斯坦廣義相對論中的時 空概念 牛頓力學所論述的作用力到 底是什麼？有何特性？我們可 以如何著手瞭解呢？牛頓第三 運動定律中特別提及的交互 作用力一詞，是牛頓力學中 重要的研究作用力的方法描 述。但此運動定律所提及的作 用力與反作用力間真的是同 時發生嗎？作用力與反作用 力間的交互作用本質是如 何呢？即使有了交互作用 的探究工具，這種直接干預式 的量測過程是不是也會改變了 原有想瞭解的事實？若是物質 間的一方尚有不易產生交互 作用
2、的特質，我們又該怎麼 辦呢？上述這些疑惑似乎有待 進一步地後續探討。 阿爾伯特愛因斯坦於1915 年完成了廣義相對論，並於次 年發表。廣義相對論大大地修 正了已有250年的牛頓重力理 論。在牛頓重力理論中，萬有 引力（重力）是質量間互相吸 引的交互作用力，也是質量大 的物體吸引其他物質的力量。 行星被視為是受到太陽的重力 影響而環繞太陽在橢圓軌道上 運行。但在愛因斯坦描述的宇 宙中，重力不是一種外力，而 是嵌入於一個敘述空間和時間 的時空場中。因此，當物 體通過這個時空場而運動時， 仿如像太陽這樣的大質量物體 可使它周圍的時空連續結構 彎曲，太陽系的行星就會沿著 時空場中彎曲的路線運動。圖1
3、是兩顆星球會面時，彼此受到 對方的重力作用，使得可能相 互變換路徑的想像圖。 愛因斯坦指出：物質的分 布決定著空間的彎曲，彎曲的 空間描述著物質會如何的運 動。廣義相對論精確地揭示 了光經過太陽附近會發生的彎 曲偏折程度。廣義相對論反覆 地被觀測和實驗所證實，它的 一個推斷是宇宙必然會不 斷膨脹的，由此形成了宇宙 大爆發理論的基礎。此外， 廣義相對論對於解釋黑洞和類 星體等奇異星體的運動來說是 十分重要的。Alexander Friedmann和 Georges Lemaitre的宇宙膨脹 論點 1922年，蘇聯數學家AlexanderFriedmann（圖2）證明靜止的 宇宙幾乎不可能 ，並
4、嘗試以愛 因斯坦的相對論方程式，計算結 合了膨脹的模型可能，則會是個 無限膨脹的宇宙 。 1927年，比利時牧師與宇宙 論者Georges Lemaitre（圖3）首 先提出宇宙的膨脹源自於火球 的膨脹 。他建議天文觀測者可 以觀察遠方星系的紅位移現象， 可以建立起一個合乎相對論的宇 宙模型。兩年後，哈柏（Edwin Hubble）的經驗證實Georges Lemaitre的宇宙膨脹論點。 1929年，偉大的天文科學家 哈柏（Edwin P. Hubble, 1889 1953，圖4）依據早期星系種類 分 類 的 研 究 工 作 經 驗 證 實 Georges Lemaitre的宇宙膨脹論 點
5、。哈柏能指出銀河中看似微弱 的星雲，其實是位在距離我們有 幾百萬光年的其他星系中。哈柏 發現遠方星系遠離我們的速度v 和與我們的距離d成正比（即 v=H0d） ，式中比例常數H0稱為 哈柏常數 （Hubble constant） ， 往後H0觀測數值大小可以用來決 定出宇宙的年齡。他的研究有助 於天文學家瞭解宇宙的浩瀚。哈 柏常數H0約為每秒6萬公里（即 真空中光速的115） 。而且沒有 任何跡象顯示，速度隨距離的增 加有減緩的趨勢，因此可以說宇 宙正向四面八方膨脹著，這和愛 因斯坦在廣義相對論中的推導見 解相吻合。George Gamow 的大霹靂學說 21世紀初至今觀測結果發現， 宇宙膨脹
6、的速度不但沒有減緩， 反而是呈現加速膨脹的現象。為 什麼會有如此的加速膨脹現 象呢？1930年，喬治加墨 （ George Gamow, 1904 1968，圖5）與同事Ralph Alpher闡述宇宙的由來是起 源於一次的大霹靂 （Big Bang） 。1949年，喬治加墨進一步依據 理論推導預 測，宇宙會 有隨大霹靂 而膨脹開約 絕 對 溫 度 5 度的殘餘能 量散佈在整 個 空間中。 到了1964年，Amo P e n z i a s 和 Robert Wilson終於發現了絕 對 溫 度 約 2 . 7 度 的宇宙背 景 輻射 （Cosmic Background Radiation）
7、 ，因而宇宙起源於大 霹靂學說得以廣被接受。Robert Wilson與Arno Penzias 宇宙背景的微波輻射 1930年，天文學家喬治加墨 提出形成宇宙的大霹靂理 論，它的基本論點是建立在宇宙 始於一次難以想像的巨大爆發， 這次爆發創造了今日圍繞著我們 的每件事物。 它從爆發的一 點逐漸延伸至 現今我們周圍 的廣大天空。 1 9 4 9 年 ， 喬 治加墨進一 步解釋大霹靂 後的宇宙 ，至 今正在逐漸地 冷卻中，宇宙 會有隨大霹靂而膨脹開約絕對溫 度5度的殘餘能量散佈在整個空 間。 理論天文學家為什麼會有量測 大霹靂後的宇宙背景輻射的想法 呢？自從1864年，馬克士威 （James C
8、lerk Maxwell, 1831 1879）統合了原有電學和磁學的 理論完成完整的電磁理論，預測 電磁波的存在；1887年赫茲（ Heinrich Hertz, 18571894）發現 電磁波，因此電磁波成為近代科 學研究的重要一支。也就是說， 我們除了可以用光學望遠鏡的方式來觀天 ，也 該可以用其他 的波段來觀察 大自然。1965 年 ， R o b e r t Dicke（圖6） 與James Peebles （圖7）並未察 覺喬治加墨 的工作成果， 他們企圖量測 宇宙初期所留下來 的週遭輻射。同一 年（1965年） ， Robert Wilson與 Arno Penzias無 意中發
9、現了 宇宙背景的微 波輻射 。現 在 ， 宇 宙 背 景 的 溫 度 約 為 絕 對 溫 度 2.7度（約攝 氏 零 下 2 7 0 度） 。Roger Penrose與Stephen Hawking大霹靂說的理論驗 證 1930年喬治加墨所提出的 大霹靂學說有何理論上的支持基 礎呢？為什麼會和近代的量子論 扯上關聯呢？1965年，潘羅斯 （Roger Penrose，圖8）在倫敦表 示一顆恆星因著自己的重力塌 陷，而產生一個無限大密度且濃 縮於一個稱之為奇異點的極 小時空裡，此處是愛因斯坦廣義 相對論中重力方程式所討論的時 空不能適用的地方，也不是數學 計算得出來的地方，所以這個 奇異點是無
10、可預測的時空。 潘羅斯與史蒂芬霍金（Stephen Hawking，圖9）於是圓其奇異 點的論述，正彷如一顆星球的 終了塌陷於奇異點 ，依理反 推，宇宙的膨脹必然是從一點開 始膨脹的過程。 史蒂芬霍金採用一個宇宙劇 變和古典物理裡描述穩定原子的 不穩定來比擬。而描述穩定原子 的不穩定狀態，在1920年代才由 量子物理描述出來，物理學家才 知道原子是如何被 束縛在一個極小的 空間裡。因此，史 蒂芬霍金建議量 子論能解決愛因斯 坦廣義相對論 在奇異點 處無法計算 的問題。揭開人類對於宇宙的科學認知系列(四) 愛因斯坦廣義相對論中的時 空概念與加墨的大霹靂學說圖2.Alexander Friedmann 證明靜止的宇宙幾乎 不可能圖4.哈柏依據星系種類分 類的經驗證實宇宙膨 脹論點圖5.喬治加墨與同事 Ralph Alpher闡述 宇宙的大霹靂圖8.潘羅斯提出奇 異點是無可預 測的時空，因此 宇宙的膨脹必然 是從一點開始膨 脹的過程。圖9.史蒂芬霍金建議量子 論能解決愛因斯坦廣 義相對論在奇異點 處無法計算的問題圖6.Robert Dicke發 現了宇宙背景 的微波輻射圖3.Georges Lemaitre提出 宇宙的膨脹源自於火球的 膨脹圖1.重力作用使兩顆星球會面時，可能互換路徑 的想像圖。圖7. James Peebles 發現了宇宙背 景的微波輻射
