太空之書(CKB0051)
The Space Book: From the Beginning to the End of Time, 250 Milestones in the History of Space & Astr

類別： 自然‧科普‧數理>其他
叢書系列：科學人文系列
作者：金貝爾
       Jim Bell
譯者：曾耀寰
出版社：時報文化
出版日期：2014年06月20日
定價：580 元
售價：458 元(約79折)
開本：16開／平裝／264頁
ISBN：9789571359991

【作者序｜內文試閱】

▼  內文試閱

約西元前137億年前
大霹靂
哈柏（Edwin Hubble，西元1889年～西元1953年）
沒有比時空真正的起始點更適合來綜觀天文的歷史，二十世紀的天文學家（例如愛德溫．哈柏）藉由觀測類似星系這樣的大尺度結構會沿著我們的視線方向相互遠離，從而發現宇宙正在膨脹。這意味著以前的宇宙是比較小，並且在很遠的過去，所有的物體都是從時空的一個點（稱做奇異點）開始，透過哈柏太空望遠鏡和其他天文設備多年的仔細觀測，已經顯示宇宙誕生在137億年前的一次猛烈爆炸。
一開始，大霹靂學說（the big bang theory）在1930年代受到天文學家的質疑，現今的學說受到數十年的天文觀測、實驗室裡的實驗和數學模型的嚴格考驗，這些考驗來自於研究宇宙起源與演化的宇宙學家和天文學家。我們從這些研究學到的宇宙早期歷史是令人感到深刻的，包括宇宙存在的第一秒內發生的事、宇宙溫度從10^15度掉到僅有10^10度、宇宙現有所有的質子（氫原子）和中子都來自這個原始電漿。當宇宙年齡只有三分鐘的時候，氫已經以核融合過程產生氦和其他輕元素，這種核融合過程仍然在今日的恆星深處進行著。
想到時間和空間都是在137億年前的一瞬間誕生是令人興奮的，是什麼樣的原因造成的？大霹靂之前又是什麼？宇宙學家告訴我們，我們不能認真地對這個問題提出疑問，因為時間本身就是誕生在大霹靂這一刻，我們也要謙卑地理解到，我們每個人的身體內最多的元素，也就是氫，是在大霹靂後的第一秒內產生，我們是亙古的老朽。

參照條目：哈柏定律（1929），核融合（1939），哈柏太空望遠鏡（1990）
圖說：繪圖描述宇宙的誕生，就像瞭解宇宙一樣的極富挑戰性，這裡是一位藝術家想像地捕捉大霹靂受到另一個三度空間宇宙碰撞的概念，這個宇宙隱藏自更高的維度。


約西元前137億年前
復合紀元
宇宙早年有一段時間是極高溫、極高壓和強輻射，整個空間浸淫在高度游離的原子和次原子的原始光子中，這些粒子在高溫下相互作用、碰撞、衰變和復合。在宇宙歷史的這段時期經常被當成是輻射時代。在宇宙約是一萬歲的時候，空間的膨脹以及許多高能粒子的衰變使得宇宙冷卻到約12,000K（克氏溫度或K，是測量絕對零度以上的溫度），這是一個重要的門檻，因為宇宙持續降溫，來自於熱和游離輻射的能量會變得少於所有物質本身的靜止質量能，具體概念來自於物理學家愛因斯坦的著名公式E=mc2。經過數十萬年，宇宙主要仍是不透明、稠密的、高能量湯，游離的質子和電子持續相互碰撞。但當膨脹和冷卻繼續下去，與靜止質量能相比，輻射能是繼續減少。
在大霹靂後四十萬年，溫度已經掉到只有數千K，能量低到可以允許電子被穩定的氫原子捕獲，並且數個氫核可以形成宇宙第一個分子：氫氣，或稱H2，宇宙早期歷史中的這段時期稱為復合紀元（recombination era）。
有關復合最酷的事是它允許宇宙剩下的輻射（主要是高能光子和一些次原子粒子）和物質去耦合（decouple），這些輻射終於通暢無阻地穿梭在宇宙空間。宇宙在之後的數億年，愈來愈冷、愈來愈暗，這段時間被宇宙學家稱作黑暗時代（the dark ages）。這個早期宇宙釋放的輻射能所殘留的3K餘輝，就是著名的宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background），這輻射至今仍可被偵測到。

參照條目：大霹靂（約西元前137億年），愛因斯坦奇跡年（1905）、宇宙微波背景（1964）、繪製宇宙微波背景（1992）、宇宙年紀（2001）
圖說：航太總署的威爾金森微波各向異探測器（WMAP）衛星繪製出這幅早期宇宙初始膨脹後所留下來的餘溫全天圖，這裡所看到的溫度微小擾動是作為宇宙最早恆星和星系的種子，這微小擾動只有數十億分之一度。

約西元前135億年前
第一代恆星
在歷史上，文藝復興總是終結了黑暗時代，宇宙早期的歷史也不例外。宇宙學家相信，這所謂的黑暗時代延續了將近一億年到二億年，黑暗時代結束之後，在復合紀元期間所形成的氫分子和其他分子開始重力塌縮而聚在一起，也可能是透過紊流的效應，但沒有人知道詳細原因。氣體塊就像是種子，可以透過萬有引力吸引更多氣體，使得氣體塊長得越來越大，最後終將便成龐大的分子雲，由於來自周圍氣體逐漸增加的壓力，使得氣體雲內部逐漸變熱。這時給雲氣一點推力，比方說，從另一個鄰近雲氣的萬有引力推力，該雲氣將會移動，最後開始自旋。在某個階段，可能是在大霹靂後三億年到四億年間，某些緩慢自旋的巨大氣體雲的內部溫度升高到數百萬度，約是大霹靂發生後的第三分鐘的溫度，這些原球氣體雲的內部溫度和壓力高到足以將氫融合成氦，第一顆恆星於焉誕生，黑暗時代得以終結。
這些第一代恆星有時也被天文學家稱做第三星族（Population III），不僅只是詭異的局部現象，它們非常巨大，可能比我們太陽的質量還要大上一百倍到一千倍，因此它們對周圍環境的影響很大，輻射出巨量能量到周圍的氫氣雲和團塊，從外部加熱它們，將原本在黑暗時代初期被捕獲的電子游離出來，這段時間稱做再游離紀元（era of reionization ），由於宇宙再次發光，這光並不是來自宇宙創生時的光與熱，而是像現今一樣，來自於恆星的光與熱。

參照條目：大霹靂（約西元前137億年）、復合紀元（約西元前137億年）、愛丁頓質光關係（1924）、核融合（1939）
圖說：在這個超級電腦模擬中，游離氫氣泡（藍色）和分子氫雲（綠色）形成早期宇宙第一個有系統的大尺度結構，最後透過塌縮形成第一代恆星。

約西元前133億年前
銀河
天文學家將星系定義為一個受到萬有引力約束的系統，系統是由恆星、氣體、星塵和其他更多的神秘成分（見〈西元1933年╱暗物質〉）組成，共同地在宇宙中穿梭運動，就像是單一物體一樣。當第一代恆星誕生，只是時間上的問題，這些恆星受到之間的萬有引力吸引，無可避免地會形成星團，然後是形成更大的星團，最終，巨大的恆星集合體會繞著共同的重心旋轉。
我們所在的銀河是由約四千億顆恆星所構成，有一個棒旋星系的典型結構（見〈西元1959年╱螺旋星系〉）。銀河有一個由中心擁擠的恆星所組成的類球體核球（bulge），四周繞著扁平的螺旋狀恆星盤（包括我們的太陽）、氣體和星塵，最外頭則是圍繞著一個由年老恆星、星團所構成的瀰散球狀暈，還有兩個較小的伴星系。它是一個巨大的結構，幾乎是十萬光年寬，以及一千光年厚的星系盤（光走一年的距離為光年，約是十億又十億英里），我們太陽約是在離銀河中心一半的位置，一個星系年軌道約需要二億五千萬個地球年。
天文學家還不知道銀河確切形成的時間，已知銀河最老的恆星是位在暈內，約132億歲，位在盤面的最老恆星較為年輕，約是80億到90億歲，銀河的不同部位似乎在不同的時間形成，雖然最基本的結構似乎在很早的時候就開始動起來。
我們古老的祖先對這條主宰夜空的發白亮帶感到敬畏，經常在創世紀神話當中，將它視為一條光和生命之河，雖然我們現在知道我們就處在這個大質量、刻意匯集的恆星，從中間向外看，它仍然很容易在我們銀河的尺度和雄偉中感受到敬畏。

參照條目：暗物質（1933），螺旋星系（1959）
圖說：銀河的人馬座旋臂的廣角照片，來自十億顆恆星的光造成銀河明亮、瀰散的光輝，星系盤內的暗星塵遮住我們視線方向的一些星光，在畫面底部可以看到一顆流星劃過天際。

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約西元前50億年前
太陽星雲
恆星形成是一種混亂的過程，當巨大分子雲塌縮，幾乎所有的氣體和塵埃最終掉入一個中心原恆星，幾乎！一小部分的氣體和塵埃仍在軌道上，繞著正在形成的恆星，而整個系統自轉並且逐漸冷卻下來，殘餘的雲氣碎屑緩慢地變扁，成了一個氣體、塵埃和冰（遠離恆星的地方）盤。在恆星形成的期間，它看起來好像所有的年輕恆星都是從一個伴隨的盤開始，通常稱之為太陽星雲盤（solar nebular disk）。
最終形成我們太陽的星雲可能在50億年前開始塌縮，雖然確切的時間並不確定，觀測顯示類太陽恆星要花1億年的時間形成，星雲盤僅約1百萬年的時間在年輕恆星四周形成。一旦形成這個盤，它就變化地很快，微小的塵埃以及（或）冰顆粒相互碰撞，相互沾黏，並且長成彈珠大的粒子，電腦模型顯示這個過程（稱做吸積）僅花數千年。這些小粒子相互碰撞，有時黏在一起，這個過程看起來是以不完全瞭解的脫韁奔逃方式持續進行約僅數百萬年，直到微行星（公里大小的塵埃、冰、岩石以及╱或金屬顆粒塊），然後是100?1000公里大小的小行星形成。
太陽星雲盤似乎沒維持太久，大部分的塵埃在約1千年內吸積或消散。太靠近恆星，對冰來說太過溫暖而無法凝結，因此微行星大多是岩石，並且太小，無法靠萬有引力捉住太多的氣體。更遠的地方，冰和塵埃可以吸積成較大的微行星，有足夠的質量來吸積大量的氣體，最終長成氣體巨行星。這樣混亂的開始如何導致如此精緻的行星系統，並且在如此短的時間完成，是現今天文學家間爭論和思索的課題。

參照條目：第一批恆星（約西元前135億年），暴烈原太陽（約西元前46億年），拱星盤（1984），第一批系外行星（1992）
圖說：太空藝術家狄克森（Don Dixon）的原太陽以及太陽星雲盤概念圖，自轉的氣體、塵埃和冰雲氣形成太陽系所有的行星、衛星、小行星和彗星。


約西元前46億年前
太陽的誕生
太陽星雲中心區域的溫度和壓力劇烈上升了約一億年，直到它們通過一個門檻，也就是氫原子被包得很緊密，以致於進行核融合，形成氦並且以光和熱的形式釋放能量，這時我們的太陽就誕生了！
我們傾向將太陽想成是特殊的，是理所當然的，太陽對我們行星的所有生命的產生和持續存活是必要的，很難想像太陽是典型的、一般的，甚至很普通的，但在很多方面它的確如此。我們的恆星是在已知宇宙超過百垓（1022）顆恆星中的一顆，看起來是物質，大多數是氫，是在高壓高溫的狀況下，萬有引力交互作用下的自然結果，釋放出大量能量到它們周圍的太空中，恆星是我們宇宙的引擎。
一旦恆星誕生，它們會相當穩定地活著，然後死亡，通常都是以相當可預期，並且有時是壯麗的方式。太陽並不特別，它將持續另一個50億年融合氫原子成氦原子，當氫用完了，太陽將擺脫它的外層（吞沒地球和其他內行星），並且開始融合核心的氦，當氦用完，太陽緩慢地變成白矮星，然後黯淡成灰燼。
天文學家已能推論我們銀河系約每年有一到三顆新恆星，以及約一到三顆年老恆星死亡，如果我們外插到所有已知的星系，並簡單計算一下，整個宇宙約每年有五億顆恆星誕生，五億顆恆星死亡，這是難以想像且卑微的想法，應該使我們珍惜在我們自己的恆星—太陽生命中的每一珍貴的日子。

參照條目：中國人觀測客星（185），看到白晝星（1054），行星狀星雲（1764），白矮星（1862），核融合（1939）
圖說：NASA太陽動力天文台 UV太空望遠鏡拍攝我們太陽的紫外線影像，流光（streamer）、迴圈、較熱點（較亮的區域）和較冷點（較暗的區域）是一個極端活躍，但相當典型的中年恆星的證據。


約西元前38億年前
地球上的生命
沒人知道最開始的生命是如何、何時、或為什麼在地球上出現，但我們知道幾乎是在可能發生時，它就發生了。地球上最老的生命跡象是化學上的，不是化石，因為在這個行星上所有的生命都基於一個共同的化學架構所推論的，尤其是特定生化過程和反應對地球上的所有生命都是相同的，這些反應包括特定的氨基酸大多與DNA或RNA相關，例如在碳和其他元素的同位素會產生可辨認的圖案。本質上，生命傾向於利用（和製造）特定物質以及異常的化學反應，例如格林蘭島的一些38億年前的石頭內，相較於碳13，有較多的碳12的出現，對我們行星歷史上，非常早期的生命提供了詳盡卻有爭議的化學化石（chemofossil）證據。
在我們行星上，已知最老的微生物化石證據可追溯到約35億年前，它被保存在古老的疊層石（stromatolites）內，這是一種由簡單的有機體群體，例如藍綠藻所建構的岩石礦物結構，疊層石仍在我們行星某些地方的最老生命形式內形成，例如西澳大利亞的鯊魚灣。
最近研究地球非常早期的歷史（冥古代），提供海洋和大陸可能比之前所認定的時間更早形成的證據，就在地球形成後數億年的時候，這些條件是適合生命的。38到40億年前的後重轟炸期可能消滅了早期的生命形式，或者阻止它們蓬勃生長的嘗試。不管哪種情況，在地球的地殼冷卻後沒多久，海洋形成了，後重轟炸期結束，地球開始穩定地支持生命。生命繁茂，並演化出許多型態的事實是值得注意的，現在的天文學家、行星科學家和天文化學家都正在其他的類地球世界尋找生命的證據。

參照條目：地球（約西元前45億年），後重轟炸期（約西元前41億年）
圖說：一個疊層石化石的斷面，紅色層被認為是古老藍綠藻的殘骸化石，藍綠藻是地球上保存最古老的生命證據，這來自西澳大利亞奧德山脈的特別破片約2.4英吋（6公分）高。


西元前6千5百萬年
恐龍滅絕撞擊
路易．阿爾瓦雷茨（Luis W. Alvarez，1911-1988）
瓦爾特．阿爾瓦雷茨（Walter Alvarez，西元1940年生）

災難性改變地球氣候和生物圈的大撞擊作用一直不受到重視，直到阿爾瓦雷茨父子檔地質團隊以及他們同事的發現，他們認為的確鑿證據顯示大型小行星撞擊地球可能和約6千5百萬年前的恐龍以及其他物種滅絕有關。發現的關鍵是遍佈全世界的一層薄沈積物，當中富有稀有元素銥，所訂出的年份被定義為白堊紀和第三紀之間的邊界（經常簡稱為K-T邊界）。銥是鉑族金屬，在岩石礦物中經常與鐵在一起，當地球正在形成的時候，地球大部分的鐵（可能和銥）會沈在深層的地函和地核內，因此一個大規模分佈的同時期富銥地殼沈積是相當不正常。阿爾瓦雷茨假說表示銥是來自一顆大型含鐵小行星，它撞擊地球後蒸發掉，劇烈改變氣候，並且在許多植物和動物物種造成浩劫。
這場撞擊將蒸發的岩石和塵埃揚起，並送進大氣層，引發大規模的火災，進一步增加的煤煙和煙霧將太陽遮蔽，長年降低全球的表面溫度，這個效應沒有像二疊紀三疊紀滅絕那樣嚴重，但依賴太陽光以及光合作用生活的物種在K-T邊界大量死亡，摧毀了其他掠食者的食物生物鍊，有些物種，例如哺乳類和鳥類能夠尋找或靠昆蟲、腐肉，或其他非植物食物鏈，就不會受到這場事件的嚴重瓦解。當塵埃清除，這些存活者能夠趁虛而入，佔領它們之前無法佔領的地位。
恐龍被一場小行星撞擊給滅絕的想法是個假說，可以持續受到檢驗，其他地質學和氣候效應，例如一場嚴重的海面下降，或者火山岩的大規模噴發都可以發生在同一時間，但比假設的撞擊時間早，可能也會對足以毀滅如此多物種的環境條件有所貢獻。

參照條目：寒武紀大爆發（約西元前5億5千萬年），亞利桑那撞擊（約西元前50,000年），通古斯爆炸（1908），SL-9彗星撞木星（1994）
圖說：藝術家筆下的大型小行星撞擊地球，標示出地質年代的白堊紀結束以及地三紀開始的準確時刻，約在6千5百萬年前。


約西元前3000年
古老天文台
儘管古人已經清楚認知天象，一直要到青銅器時代（約西元前3000?600年），才出現大型天文題材的歷史遺跡，當中最有名的是南英格蘭的史前巨大石柱群遺跡，這是全世界各處發現具有文化、宗教、和（或）天文重要性的古老石頭環狀物、墓地石堆和土木架構之一。
巨大石柱群的建造令人印象深刻，特別是用某種方式將25噸楣石放在13英尺（4公尺）高度的50噸豎立柱石上。近代的經驗和模擬顯示使用新石器時代和青銅器時代的工具和方法是可以建造這樣的架構，無須魔法或外星人的建築餽贈。但它一定已經接近當時可用技術的極限來建造這樣空前的架構。
它也顯現一種令人敬佩的史前設計技藝，仔細檢查現場一些不同的石頭、柱石立孔、凹處、路徑和突起的方位，被考古學家解釋成天文台的證據，它被設計成一種巨大的日晷來標示季節的遷移，及冬至和夏至的特定日期。儘管遺跡當成天文台使用的細節是熱門研究和爭論的課題，在考古學家和天文學家之間存有明顯的一致性，那就是結構的基本排列是跟著太陽和月球的軌跡。
史前天文台的其它例子包括在愛爾蘭的紐格萊（Newgrange）奇墓和蘇格蘭的梅肖韋（Maeshowe）古墓，它們的排列使得僅在冬至上升的太陽光能照在內部的墓碑；在葡萄牙，沿太陽排列的三石牌坊（trilithons）和通行石堆；以及西班牙米諾卡島上堆放的巨石台（taula stones）。建造這些非凡紀念碑的文明可能可以追溯到五千年前，沒有留下有關他們或他們的傳統和信仰的書寫記錄，但他們留下石頭和土地的永久記錄，顯示他們多麼重視他們對天空的認知。

參照條目：埃及天文學（約西元前2500年）
圖說：在南英格蘭的一些砂岩三石牌坊（巨石立起來的高度約25英尺[8公尺]），上頭放置著平楣石，以及在史前巨石建造結構內圈裡頭的較小藍灰沙岩記號。