從空間與時間一窺宇宙的前世今生？宇宙有沒有年齡？

時報出版 2021-10-15 10:07

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？