星系永迴轉，恆星燃燼亡； 太虛直更虛，暗冷無生相。 ──加莫夫（George Gamow, 1904-1968） 第 9 章　宇宙學簡介 星系永迴轉，恆星燃燼亡； 太虛直更虛，暗冷無生相。 ──加莫夫（George Gamow, 1904-1968）

9-1 星體觀測與哈伯定律1 宇宙可以分成行星層次、恆星層次、星系層次、星系團層次和超星系團層次等結構。

9-1 星體觀測與哈伯定律2 太陽系所屬的星系稱為銀河系，銀河系中大約含有千億顆恆星。

9-1 星體觀測與哈伯定律3 通常鄰近的幾十億至幾千億顆恆星與星際氣體及塵埃組成星系，數十個至數千個星系組成星系團，數十個星系團又組成超星系團。

9-1 星體觀測與哈伯定律4 天文望遠鏡除了利用可見光來觀察的光學式望遠鏡之外，科學家又研發出接收無線電、紅外線、x 射線和γ射線等波段的天文望遠鏡。

9-1 星體觀測與哈伯定律5 哈伯太空天文望遠鏡在離地面高度約 600 公里地球的軌道上，進行從紅外線到紫外線波段的觀測。

9-1 星體觀測與哈伯定律6 遙遠恆星發出的光譜，其波長都有增長而向紅端移動的現象，稱為紅移。由紅移現象可以推得宇宙中各星系皆遠離地球而去，其離去的速度正比於與地球之距離。此正比關係稱為哈伯定律。

9-2 宇宙的起源與演化1 宇宙大約誕生於 140 億年前，由一團密度極大且溫度極高的火球爆炸、膨脹而生成，之後宇宙持續膨脹，溫度降低。這個理論稱為霹靂說。

9-2 宇宙的起源與演化2 根據霹靂說的推算，宇宙大爆炸時的電磁輻射到了今日應該冷卻到 2.7 K，而且各向均勻地充斥在宇宙間，稱為宇宙微波背景輻射。 此輻射已為人們觀測證實，且與理論相符，成為霹靂說重要的證據之一。

9-2 宇宙的起源與演化3 在大霹靂之後的那一瞬間，宇宙的溫度其高無比，物質只能以基本粒子的狀態存在。 9-2 宇宙的起源與演化3 在大霹靂之後的那一瞬間，宇宙的溫度其高無比，物質只能以基本粒子的狀態存在。 夸克、電子、光子等各類基本粒子以非常高的能量互相撞擊、湮滅與產生。

9-2 宇宙的起源與演化4 大霹靂發生的 10-5 秒之後宇宙的溫度終於降到 1013 K（大約是太陽核心溫度的百萬倍）。夸克有機會組合成質子以及中子，不會因為溫度過高而再度裂解成夸克。

9-2 宇宙的起源與演化5 大霹靂的三分鐘之後，膨脹中的宇宙溫度更進一步降到了 109 K。大部分中子還來不及衰變，和質子經由碰撞合成氘核（deuteron） 周遭高溫光子的能量不足以將氘核撞擊分解，得以存活。質子、中子以及氘核透過一系列的核子反應形成非常穩定的氦（helium）原子核。 實際天文觀測發現，氫以及氦的質量大約佔了全宇宙元素的 75% 及 25%。

9-2 宇宙的起源與演化6 大霹靂之後的 30 萬年，宇宙的溫度降到約 4 000 K。由於溫度相當低，電子被原子核捕獲後便形成穩定的中性原子，而不會被周遭的光子破壞，形成物質原子。 充滿宇宙的輻射（亦即光子）不再和這些物質原子交互作用，隨著宇宙的繼續膨脹而不斷地冷卻，成為今日測得的 2.7 K 宇宙微波背景輻射。

9-2 宇宙的起源與演化7 萬有引力使物質聚積，形成恆星，星系以及星系團等結構。究竟這些結構是如何形成的，也是宇宙學研究的課題。

9-2 宇宙的起源與演化8 1930 年代科學家研究星系團中的星系運動時發現，所觀測到的物質之萬有引力遠不足以將星系團維持在一起。 9-2 宇宙的起源與演化8 1930 年代科學家研究星系團中的星系運動時發現，所觀測到的物質之萬有引力遠不足以將星系團維持在一起。 基於各種觀察證據，科學家相信宇宙中應該存在一種暗物質 (dark matter)，而其質量大約是可觀測物質的 5 倍。

9-2 宇宙的起源與演化9 宇宙間的萬物都會透過萬有引力互相吸引，則宇宙的膨脹速率應該逐漸減緩；若萬有引力夠強，則未來宇宙甚至可能停止膨脹、轉為收縮。 1998 年的觀測報告發現：整個宇宙竟然是在加速膨脹中！ 為了解釋此一現象，科學家提出暗能量 (dark energy) 的概念。 暗能量相當於一種「萬有斥力」，目前估計它和其他形式的能量的比例約是 70% 和 30%。

9-2 宇宙的起源與演化10 如果暗物質與暗能量是確立的，那麼明瞭其本質將是本世紀科學最大的挑戰之一。 9-2 宇宙的起源與演化10 如果暗物質與暗能量是確立的，那麼明瞭其本質將是本世紀科學最大的挑戰之一。 物質最基本結構之研究竟然和宇宙的大尺度結構與演化牽扯一起，正是物理學之妙！

9-2 宇宙的起源與演化11

常用網路資源 美國麻省理工學院課程教材 國科會科普知識 Sciscape科景 AEEA 天文教育資訊網 MIT電磁學教學網8.02T Physics Education Technology Physics 2000 website HyperPhysics 國立交通大學開放式課程 Demolab 物理教學示範實驗教室 opensourcephysics 國立中央大學物理演示實驗 國科會高瞻計畫-科學面面觀 (SciFace to Face) 高瞻計畫資源平台 科學人部落格 知識通訊評論 東吳大學物理演示教室 普通高級中學課程物理學科中心演示教學網站 The Physics Hypertext 科學影像 A Review of the Universe 維基百科 Learn Physics Today The Physlet Resource Science Toys Physics.org Pearson Physics PhysicsSource Website