愛因斯坦的方程式(CK0017)
God’s Equation : Einstein, Relativity, and the Expanding Universe

類別： 自然‧科普‧數理>天文
叢書系列：科學人文系列
作者：阿米爾．艾克塞爾
       Amir D. Aczel
譯者：戴季全、姚若潔
出版社：時報文化
出版日期：2001年08月20日
定價：250 元
售價：198 元(約79折)
開本：25開／平裝／264頁
ISBN：9571334626

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▼  書摘 1

新星的爆炸

索爾．普密特（Saul Perlmutter）坐在柏克萊斜丘上的辦公室中，眺望著舊金山灣，注視著金門大橋下的夕陽。多麼壯麗的景象！落日愈轉愈紅，幻化成層疊的長方形，緩緩消逝在藍灰色太平洋裡。他了解為何天幕總是蔚藍，他也知道落日為何醉紅──他是一個天體物理學家。每天有上百萬的人群在山頭、海灘、摩天樓頂的餐廳凝視著這個地球上既平常卻又再動人不過的現象，然而就是這個現象，讓普密特迷惑不已，覺得與半個宇宙外爆炸的星體有著隱隱約約的關連。

已經有十年了，在金門大橋旁的「勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）」裡，普密特領導著一群由天文學家組成的小組埋頭努力著。這些天文學家使用最先進的望遠鏡，從夏威夷、智利以及太空中，蒐集了許多遙遠銀河系的電子影像；他們一次拍攝數千個銀河系，並且每三週定期將相同的星系細心比較。他們想要在這些無比遙遠的星系裡找出爆炸中的星體。爆炸會以相對較亮的點在照片（其實是電子影像）上呈現出來，這種亮點是三週前攝得的影像上所沒有的。而這些科學家們並不著眼於普通的星體爆炸，他們要的是 Ia 級（Type I）的超新星，一種宇宙中可以見到的最大規模爆炸。

公元 1054 年，中國的星象學家記錄了一顆「客星（guest star）」的出現，它突然出現在現今稱作金牛座ζ星（Zeta Tauri）的附近，也就是金牛座長角中的一端。「客星」大約一個月光景便消失不見，但卻留下一團星雲，至今仍可用中倍率望遠鏡觀看到。天文學家將這層模糊的雲狀物體標示為M1，或根據它的形狀而稱它為蟹狀星雲（Crab Nebula），它是由古代星體爆炸後留下的氣體和塵粒所構成的巨大雲霧，擴散而成現今的模樣。在星雲中央留有其崩解核——那是一顆中子星，每秒鐘都會不停釋放出強烈的放射線——也就是脈衝星（pulsar）。「客星」實際上不是一個星球。中國學者所觀察到的，其實是遙遠處星體的爆炸，而在那明亮的爆炸發生之前，該星體是無法被觀察到的。這種爆炸，我們稱它做超新星（Supernova）。

Nova這個字帶有「新」的意思，而在天文學中的「nova」，意味著一個看不見的星體突然發出光芒，這在過去一度被認為是一個新星體的誕生。這種突如其來的光芒，是由於白矮星（恆星死亡的形式之一）將附近的物質吸引過來，而達到我們看得件的亮度，而超新星指的就是更加明亮得多的例子。但反諷的是，這樣的光芒象徵著一個星體的末路而非新生。1987 年，現代天文學家們在南半球觀測一個超新星，大量的研究資料可以告訴我們這些夜空裡神祕爆炸的祕密。三個世紀以來，天文學家一直注意著超新星的發生，但 1987 年的這次爆發卻是首次可用肉眼看到的「II 級（Type II）」超新星。

一個巨大（比太陽巨大的多）恆星會不停地將氫原子轉變為氦，再由氦轉變為碳，並藉著核子反應燃燒出光芒。當它消耗殆盡的時候，便會因重力所造成的崩解而無法維持其形狀，向內萎縮直到形成一場強烈壯麗的爆炸。這被稱為「II 級」的超新星，視其大小，星體的殘留物可能變成一個密度極高的死亡星體，中子星（質子和電子無法共存而融合為中子），或者，更大的星體會變成黑洞，宇宙中最古怪的東西。在黑洞的例子裡，其重力大到連光都無法遁逃。

但是索爾和他的小組為了瞭解宇宙而探索研究的超新星和上述的是完全不同的類型，雖然科學家們僅僅稱其為「Ia 級」的超新星，但正確地說，應該稱它作「超（級）超新星」才對。一個「Ia 級」超新星的亮度是普通超新星的六倍，而這是在太空中，可見光範圍內所能觀測到的最明亮的現象。「Ia 級」的超新星是在白矮星階段後發生；白矮星是與我們的太陽同等級的星體死亡後的殘餘物（太陽將會在 50 億年後耗盡核能而死亡，成為白矮星），它會開始從其「伴星（companion star）」（伴星之間相互旋轉聚集吸引物質），一旦聚集的物質使得白矮星的質量達到我們太陽質量的 1. 4 倍，一個無比猛烈的爆炸便隨即發生。在這種超新星的例子裡，從白矮星爆吹至太空中的物質，其速度甚至可以達到與光速的數分之一，而這比例是測量得出來的。

「Ia 級」的超新星所發出的亮度，幾乎等同於一整個星系所發出來的光亮。它的爆炸如此巨大，使得我們很容易依它的特徵將其鑑定出來，而又由於此種特性，對於全世界有興趣研究星系遠去之距離和速度的天文學家來說，找出這種超新星便成了他們的當務之急。這些爆炸就像是天空中的燈塔，藉著它們的相對亮度（將觀察到的亮度相較於靠近我們自己銀河系附近的爆發所該有的亮度），天文學家可以知道它們所處的星系距離地球多遠。

天文學家更可以藉著量測它們的「紅位移（redshift）」，估計出遙遠星系後退的速度。「紅位移」是一種光線波長的增加，一道行進中的光，當光源相對於觀察者後退遠離的時候，便會發生這種現象。這現象的原理就是日常生活中熟悉的「都卜勒效應（Doppler Effect）」——當急速行駛的火車經過我們旁邊時，其鳴聲音調的改變就是一例。在光的例子裡，一個類似的改變發生在頻率上：當光源自觀察者退後時，光的波長增長，換句話說，光色朝著光譜上紅色的那端移動；反之，當光源朝向觀察者接近時，光波波長縮短，光色便向藍色端位移。而這種到處存在的「紅位移」要歸因於宇宙的擴張。這現象是在 1920 年代被哈伯（Edwin Hubble）發現的，哈伯定律（Hubble掇 law）更進一步指出，一個星系離我們越遠，那麼它遠離後退的速度也越快。

1999 年的春天，普密特的團隊已經蒐集了各星系中 80 個「Ia」超新星的資料，這些超新星所在的星系已經較哈伯及其繼承者所觀察的星系要遙遠許多，它們的光芒在宇宙中旅行了 70 億年才到達地球。即使每一個星系都有著數以億計的恆星，也得要一個世紀的時間才會發生一次「Ia 級」的超新星。而這個團隊何以能擁有多至 80 個超新星的影像？這要歸功於普密特聰明的搜尋技術。

即使「Ia 級」的超新星出現頻率如此之低，但是機率法則還是給了我們一線希望，意思是說，如果我們能夠把注意力放在夠大的搜尋範圍，那麼我們應該可以在任何時候發現白矮星的爆炸，所以每次觀測千千萬萬個星系，總是會偵測到幾個超新星。而以三週為間距，觀察同一星系同一區域的空間，也有其目的：一個「Ia 級」超新星的光芒會持續約 18 天，然後在隨後的幾個月內逐漸黯淡。由於時間膨脹（狹義相對論的結論之一，基於這些星系以光速二分之一的速度遠離我們時），所以在我們地球上所觀看到的超新星光亮會有約三星期長，如此一來，相隔三個禮拜的觀察間隔，讓天文學家能夠「捕捉」和研究發生於兩張電子影像之間的超新星。

但現在，普密特從他的窗口看著瀰漫金門大橋的薄霧和消逝中的夕陽，顯得有些愁困，有些事情他覺得完全抓不著頭緒。從 1920 年代大霹靂理論被提出直到現在，已經有許多不同的理論更進一步地解釋宇宙的真相，告訴我們它是何時發生、如何發生，並對宇宙的未來提出預言。而愛因斯坦的方程式已經預測了幾個腳本。