1

由於課程接近尾聲，我跳過了書上的第八章，很久以後，我們希望回到事情的起頭，

2

稍微看一下第八章標題，”較黯淡的將來”、”生命的漸進未來”，將來既然較黯淡，海枯石爛，月老星稀，最終連黑洞都可能不見，這個就是我們較黯淡的將來；生命的漸進未來提出一個命題是，是否在星星、黑洞都消逝了，是不是還可以有永恆的生命，生命可不可以永續存在？

Woody Allen是一個典型的紐約市的導演劇作家，” Eternity is very long, especially toward the end. ”，字數不多可是語意還滿深遠的，I think relationship is, will, it be turn very boring, it very, very long, especially the way to the end, it is no end, 所以越老的越久，請你們慢慢去體會，用這個來稍微平衡一下這邊的黯淡。

3

我在這裡打出牛頓的「神的眷顧」，會覺得有點突兀，等一下來解釋。

4

回溯宇宙初始的問題，我們在一個非常偉大、大到全宇宙的一個劇本裡，我們可以一直回溯到大爆炸，我們可以回溯到的大爆炸當初的溫度是遠遠高過甚至於超新星的溫度，我們談的這一切，包括前面所看的精確曲線，基本上在生物學、地質學、古生物學裡面所沒有的，事實上宇宙學現在是非常數量化的，雖然有很多的問題，我們已經回溯到大爆炸了，可以倒推回多少？

5

牛頓的突破是甚麼呢？他說月亮繞著地球轉其實月亮是在向地球掉，就像蘋果掉在地上一樣，牛頓在他的當代，他牛頓出生的那一年，就是加利略過世的那一年，所以引人遐思，他解釋了當代科學家所告訴他的行星的軌道，那包括橢圓的軌道(當時不管事伽利略還是刻普勒都希望能修正)，可是牛頓解釋了軌道，可是他有東西不能解釋，這個圖像可能跟你牛頓的那種很英明的樣子比較不一樣，像是一個執傲的老頭坐在這兒，因為1712年，他大概六十來歲了，1717年的時候他的光學，他的第二本巨著再版，頭版是1704年，opticks，他在這個再版裡面寫說不可能是盲目的命運，使得行星都在同心圓的軌道，他說這個驚人的劃一性，一定是出自「神的眷顧」，基本上他還是個基督徒，與其說是宗教的投射，不如說是一種宗教性的預言，說：我不知道。牛頓說我沒有辦法解釋這個同心圓軌道從哪裡來，神的眷顧吧，事實上在我們這個課，我們已經知道這個同心圓軌道是出自有理論架構，了解這個行星形成的過程。

6

前面提到的神的眷顧，非常接近的問題就是，為什麼宇宙是這個樣子？為什麼是這樣子的組成？為什麼以特定的速率膨脹？

這個書好像已經介紹過了，Consilience知識大融通，個天下文化的中文版，是高我一屆的物理系的學姐翻的，那Consilience這個作者，Edward Wilson，也是鼎鼎有名，他其實是一個生物學家，可是發展成一個當代的儒者、博學家，他不是只研究自己的專業，他擴展了，他是皇家學會的precedent就是會長，等於是我們的中研院院長，他當然還有更深一分的討論，我不在這裡引用，只是說所謂的自然神論，deism是天文物理學的一個問題，就是天文物理學追究下去，就要面對deism。

那E. O. Wilson，這個The Creation，The Creation這個字眼當然就其實是蠻帶the religion的味道，可是在這書裡面寫說，我想也是提醒各位，science religion，religion反映人的內心的一個需求、一個呼求， science religion，這句是我加的(指黃色方塊下的第二行文字)，他認為自己是屬於deism，還沒有真正到fideism，是有宗教信仰，可是不是一般的教會，我覺得這句是值得去面對，是說個議題做為這個課的目的之一，是你自己個人要去面對的。

7

我在第一堂課就講，一年多前，”that’s religious.”，那是Wisconsin大學物理系的韓濤教授，在2009年二月，我在日內瓦碰到他的時候，我跟他講我要上這個課，他跟我講的第一句反應話。

這個課的目的是讓我們了解一點演化，了解一點宇宙之大，然後你在交叉點，你個人、全人類也是在這個交叉點。

8

我們回到頭一毫秒的議題，什麼叫做宇宙食譜？宇宙食譜，炒出宇宙當下我們所看到的，包括你我照著這四點去做就達到了，原子、暗物質跟輻射，輻射就是光子、宇宙背景，它的比例；宇宙的膨脹率、宇宙的平滑度，所謂的Q值，原子和原子核的基本性質是必要的，有這些條件，宇宙當然有那個初始。

為什麼會有這個比例在我們的宇宙中？膨脹率為什麼是這樣？平滑度Q為什麼這麼小？包括我們在研究原子核之內的基本性質，為什麼是這樣？我們已經接觸到science and religion，這個不是religion，是：我不知道。

9

海森堡測不準原理，我們前面提到說真空是把全宇宙所有的原子，操作是我都把它拿走，我這已經有個矛盾了，我是誰可以做這個事情？測不準原理跟宇宙常數的出現有關在於什麼呢？這邊寫的這個ΔXΔp>h/2，這個h叫做普朗克常數，cons dense，我拿一顆粒子，我如果要確定它的位置，它在一個數字ΔX的範圍的話，那它的ΔP(動量)跟ΔX(位置範圍)，把一個粒子約束到越來越小的範圍，它的等價的動量，就不能小過越來越大的一個數字，有一個量子的極限，跟相對論結合起來的，就是如果我把一個粒子要求它不能踰越的範圍，小到一個大小，它的動量可以轉換成動能，那它的動能就在那個範圍之內，本身就會導致它馬上就縮成一個黑洞，所以那個長度叫做那個普朗克長度，大小是10-33 公分，比一顆質子小十的19次方倍，千億億分之一，如果我把這個長度再除以光速C的話，得到一個叫做普朗克時間，是十的負44秒，這個基本上是量子理論，加上相對論，告訴我們可以回推的極限，到達這一點以後，你必須解量子物裡跟相對論結合的問題，小到普朗克常數的時候，任何的東西出現就變成了像黑洞一樣，可是在小於那個尺度根本不知道該怎麼辦。

在十的負36秒，十的負36秒是十的負44秒的一億倍，所以普朗克時間如果是我們無法知道的，那普朗克時間以後一億倍的時間，在這個時間尺度我們當今的理論告訴我們說，原子跟輻射的混合比例是在那個時候決定的，我們要試著解釋，為何這個混合比例不是零？為什麼全宇宙不是只有能量？而不是只有輻射背景輻射？我們藉著這個課走到末了，回到起初推論，探討一個很深刻的問題，你我從哪裡來？它的先決條件，就是為什麼會有任何的原子。

10

這個是我們序論的投影片，我們再重新複習一下。

11

我們一開學的時候就提過， Paul Dirac，他在1928年把狹義相對論跟量子力學結合就發掘了暗物質，很奇特的一件事情，人類原來不知道有反物質的存在，那簡易版，就是E=mc2，事實上真正的愛因斯坦公式是一個平方式，是E2等於這個動量p2c2，加上m2c4，動量為零，就是不動，只剩下質量，所以E=mc2是在質量的不動的系統，能量跟質量是等價的，這個平方式得出正的能量，是大家所熟悉的慣用的，可是它有一個負的能量，那這個負的能量，那個迪拉克發現的時候也不懂，掙扎了很久，最後得到一個推論說有反物質的存在，這個負號事實上轉換成一個電荷相反。

所以在1928年，其實上他們1930年、1932年左右，藉著Anderson他的發現，才確認了反物質的概念，迪拉克提供了理論，在非常接近的時間，Anderson發現了反電子，就是正子。

12

13

The simplest way to describe antimatter is in terms of its behaviour - when particle and antiparticle meet they annihilate and their mass is turned into energy in the form of g-rays, also called photons.This process is governed by the second and last equation you will see this evening, and surely known to the whole audience - Einstein’s famous equation E=mc2.Not only is this true for electrons and positrons, it also occurs for quarks and anti-quarks and more complicated objects like protons and anti-protons. You would also be in trouble if you met your anti-you.However this possibility is still someway off; it was not until 1996 that anti-hydrogen, the simplest anti-atom was produced.

所以正電子是甚麼呢？是那個負能量的解，描述上變成了跟電子長得一模一樣，唯一的不同就是電荷相反，第二個特性就是它跟電子相遇會湮滅產生，這邊畫出來的兩個Gama射線，原子的產生是純粹的能量可以成對的產生正負電子，因為純粹能量沒有電荷，所以產生的是成對的正反物質。Big bang是純粹能量，它究竟怎麼描述，還在討論，可是它基本上是沒有電荷純粹能量，因為我們沒有看到電荷，事實上這個圖形上可以看到正子照影的原理，正負電子湮滅的時候產生出兩顆光子，那這兩顆光子正好是背對背的，只要能捕捉到這兩顆光子，量它的角度、能量、動量，倒推回去可以找到湮滅那點，

所以根據我們已知的物理學，在宇宙最初始的時候，大爆炸的普朗克時間之後沒有多久，普朗克時間的一億倍，十的負36秒左右，宇宙就只剩下物質了，那當然這句話已經不成立，宇宙還有暗能量、還有暗物質、還有輻射，這個反物質不見了，只剩下物質，然後宇宙演進了137億年，然後人類過去幾百萬年出現，我們現在竟然可以一直回看到宇宙初始，the thinker，人的標記，this is a big mystery。

我們現在稍微審視一下，從十的負36秒到一秒左右，在這邊背景所寫的(指圖左下黑色圈圈)quark soup，宇宙的物質是電子存在，可是質子、中子，還沒產生。可是超過了一秒鐘的時間左右，到三分鐘之前，宇宙存在的那個時間，那個時候是質子、中子形成，從三分鐘到三十萬年之間呢，核反應發生了，我們講那個宇宙核子的合成、原子核的合成發生了，氦跟鋰形成了，差不多是三十萬年左右，事實上原來是一個很混沌的一團，叫它氣體也好、叫它濃湯也罷，後來在這麼高溫的時候，本來有正電子，可是到後來正電子跟電子不能藉著高溫再不斷產生了，那有一次最後的電子跟反電子的湮滅，宇宙微波背景主要是從那個時候來的，那再過了百萬年，才開始有星球的形成，基本上從氫燒出了氦，一點點的鋰，一些的氘，星球大概在星系形成之前，星球形成之後隔了若干年，才有漸漸有一些重元素，在這個時代至少不可能有人類這樣子的生命存在，一直要到很後期，也許不需要137億年，可是人類來講是137億年，然後就在過去一瞬間，對宇宙的年齡來講，我們可以看回去、看到這個問題，開始問這些問題。

14

The mystery of all existence, the biggest mystery,我思故我在。

Why do I exist?

15

這我們開學都已經解釋過的，叫做沙卡洛夫的那個條件，他說宇宙要有所謂的物質壟斷就是我們只是看到物質，big bang之後是等量物質反物質，沙卡洛夫說要讓反物質不變，你要滿足這三個條件，重子數不守恒(重子數不守恆，簡單的翻譯就是質子會衰變)、CP破壞、偏離熱平衡，藍色就當剩下的藍色物質(指紅色橢圓形框內)，藍色是物質，紅色標記是反物質，原來是等量的，可是它們會互相湮滅，事實上互相湮滅，就是那個背景輻射的來源，宇宙初始那些物質就都全部不見了，產生了宇宙背景輻射，可是因著沙卡洛夫條件，有那麼十的負九的比例留下來。如果沒有10-36秒，沒有反物質變成物質的這件事情，那應該是整個宇宙就只有光子，這就是上面這個問題的真實意義。

我的研究題材其實大概主要就是CP破壞，那CP破壞是沙卡洛夫條件之一，要來設法解釋十的負九，就是前面講的，一部分為什麼設定成原子跟光子跟輻射數目的這個比例，就是這個十的負九，

16

引用Kobayashi’s Nobel slides，Kobayashi，小林是2008年的諾貝爾獎，那他說呢，宇宙只看到物質所需要的CP破壞，這邊寫的這個B-factory驗證了小林一川在1973年的推想，他得獎就是因為我們驗證了他的CP破壞的提議，那可是他承認說他所講的CP破壞在宇宙中是不足的，要檢視前一頁那個十的負九，它雖然得了諾貝爾獎，我們的實驗室裡驗證了他的提議，可似乎少了百億倍；他沒有寫出這一句(指右下方的黃色方塊)，這一句是我加的。

17

New scientist，比科普深一點的一個期刊，兩三個禮拜以前這個記者就在追著我，他用的title就是Matter: The next generation，是copy我的一句話，他文章結尾也是copy我的，基本上我是在兩年前提出來，說如果我們現在知道確實知道的是有三代的物質，夸克、跟像電子的東西，如果有第四代的話，那麼CP破壞可以躍升一千兆倍，我是在推動台大的高能組，目前定位就是在四代夸克的追尋。

如果找到是有潛力可以解決，所以就是連我自己、包括我這邊引用的雖然是我自己的話，那個科學記者因一些實驗的進展，他追查找到我，所以橢圓形括起來的(指紅色橢圓框)，第四代粒子有可能，要講說could我講英文是比較曖昧的，有可能解釋為什麼物質會存留來形成星星跟那個星系。

18

我們人生像蜉蝣、像螞蟻一樣，我個人是切身在裡面，這個圖像是三度重合的，這個螞蟻是我放上去的，我們人生就像是這樣子，那我自己是覺得還滿值得的，就算我找不到四代夸克，可是我在直接接近探討宇宙初始相關的，像宇宙這麼般大的問題。

19

20

所以這個特定的速率，橫軸是宇宙的大小，縱軸是時間發展，這邊講說如果膨脹的太慢，那麼在有機會做複雜演化前再崩塌就會發生，如果是指最左邊藍色的曲線，這個切線就是原來的膨脹速率，那膨脹速率如果不夠快的話，那膨脹到一定的地步，宇宙的大小就不變，然後就縮回去，縮回到原點去，這是一個再崩塌的現象。

如果宇宙起初膨脹的太快，像右側藍色曲線指到的線條，這個拉力太強，使得重力無法凝結出物質。所以宇宙原初一秒的時候，有一個特定的速率，就是宇宙膨脹的那個動能，跟它的重力位能相差不到千兆分之一，這邊這個框架(指框框的上邊)就是說如果少過這條線，那宇宙會崩塌回去，如果超過右邊這條線(指右邊藍色曲線對到的曲線)，星系無法形成，就不是我們現在這個宇宙，你我也不會存在，那為什麼是這麼窄的一個範圍？能不能解釋？

21

inflation，我把它翻成暴脹，在最初始點，在原初的宇宙，有非常濃縮的黑暗能量，那這個黑暗能量巨大到那時候宇宙濃縮到一點，重力是很強的，可是它比重力還要強，是一個斥力，一個穹蒼的斥力，其實講膨脹不大對，比較像是把它拉大了，如果在某一個單位時間之內它就變大兩倍，那若干單位時間之後，就想成接近那個普朗克時間的尺度的話，或者一個很小的區域在十的負36秒，就可以膨脹到眼睛所看到的一切，它在一瞬間就膨脹到個宇宙，我想就正常人來講是很難接受的，藉著這個說法，是可以達到前面一頁所講的動能跟位能之間一個非常精確的平衡，所以暴脹理論非常奇特，當它在1970年末期提出來的，所有的理論，多要能夠做預測，而且那個預測是可檢驗的才會進入科學，這個WMAP發現宇宙是平坦的，平坦的就是omega是一。宇宙背景輻射的測量，檢驗了這個暴脹理論的這個預測，而且宇宙密度正好是臨界密度，滿漂亮的解釋，另外像是量到omega是精確的一，我們對當下宇宙在膨脹，有一個宇宙常數Λ，Λ差不多是零點七幾，這個圖像太驚人，未來五年之內，可以稍微注意一下，歐洲發射了普朗克會繼續追就這個問題。

22

所以這個初始的膨脹太快，引發了另外一個問題，叫做優雅退場問題，基本上就是前面講的這個每單位時間變大兩倍，那個單位時間是十的負36秒的很小的一個部分，那所以我們所看到的這個100億光年，只是一個小小的範圍，看起來它不但解釋了宇宙是平坦的，而且這個平坦的範圍遠遠大過一百億光年，所以在這裡打出了一個多重宇宙的概念，我們用兩個圖片來稍微說明，所以可見的一百多億光年，也許可以再擴大一點，這邊打出三個圖像(指右邊三個圓球狀圖)，這邊這個小的圈圈，就像是我們目前所看到的宇宙，那我這邊翻成我們的穹蒼，目前有一個新的概念出現，這個我們的宇宙是在一個永恆暴脹的一個，英文寫成false-vacuum，我把它翻成謬的真空，這個淡紫色的圈圈在不斷的脹大，我們只是其中的一小顆，那它的想法都還只是說有一個大爆炸，那可是有理論家更進一步去想說，是不是有大爆炸的發生，有什麼理由認為它是獨一的？

有人去設法算，寫下方程式說我們宇宙，真實的穹蒼也許可以有很多個獨立的大爆炸持續進行，是一個更複雜的、更宏偉的多重宇宙，圖像像這個樣子(指下方的圖像)，很多的bubble。那有人根據這個有一點點像演化樹，認為有一個親代宇宙，在某一個時空點，它可以分支出去，產生一個新的大爆炸，所以每一個泡泡，都是一個獨立的宇宙，那就從一個原初的大爆炸，它好像長出去一個又膨脹出來。所以這邊所看到，不同的顏色它的含義是什麼？在這個大爆炸的過程裡面，物理定律跟宇宙各種常數的設定，包括宇宙的配方、食譜，那這些東西都可以是改變的，那這是一個概念性的突破。

是不是宇宙可以有很多個，甚至有人想說這個宇宙是無窮多個，那所以這兩個圖像不完全一樣，右側的圖像好像就是宇宙只有一個，就是穹蒼只有一個，可是有不同的、獨立的宇宙，它們之間無法相連，當然不一定要相連，物理定律可以不同，所以多半的這些宇宙它可能是一個死的宇宙，根據前面特定膨脹速率，還要有原子、暗物質跟輻射的比例，如果宇宙的定律可以隨它的產生過程而定的話，那它就不一定要一樣了。

23

暴脹理論可以解釋宇宙omega差不多是1這個奇特的事情，是非常漂亮的，而且事實上是事前提出來的，只是它是不是宇宙的終極的解釋的一部分，還是有人存疑，我們來看個存疑者，講得很滿苛薄的話，我就是高能物理學家，「暴脹是高能物理學家傳給宇宙學家的一個流行病、傳染病。」

Roger Penrose，他是一個數學家，非常受尊重，那他講：既使是土豬也會認為他們的後代美麗，土豬是非洲的食蟻獸，用這個來隱喻說，高能物理學家都認為暴脹是一個漂亮的理論，可是Penrose質疑是不是真的，他這裡就提出了他的玄想。

24

WMAP量到Q值有一定的不均勻，方向不均勻，等於在宇宙很大的尺度好像有一些波動在那裡，根據暴脹理論，基本上它就是在十的負36秒之前接近普朗克時間，普朗克時間之前無法解釋，那普朗克時間之後如果可以解釋，有個量子震盪適合且是量子力學所容許的的字眼是fluctuation，它帶著量子的隨機性，在普朗克時間之上、在暴脹之前、起點的時候，這個宇宙的非常小一點點，有微觀尺度的量子的fluctuation，有快速的hyper-inflation，它就被拉到我們現在整個宇宙之中，所以暴脹理論是個漂亮的觀念，它不解釋十的負44秒因為必須要能夠有個重力跟量子的真實結合的理論，我們還沒有，可是它提供了一個輻射不均勻性的這個說法，或者重力波的檢測，如果根據愛因斯坦的廣義相對論，重力的現象像是空間本身藉著物質存在，物質跟能量的存在造成空間的扭曲的話，那空間的扭曲的一個震盪，就是叫做重力波。

有一個衛星實驗室是，NASA跟ESA，NASA是美國，ESA是歐洲，他們共同要去做的，原本2012發射，但是現在它不會早於2015，說不定會拖到2025，這邊畫出一個波動，然後基本上是三個衛星，就是要真正去量到空間本身的一個震盪，因為重力現象太微弱了，非常的困難。

這邊這個LIGO實驗，LISA(Laser interferometer space antenna)跟LIGO(Laser Interferometer Observatory Gravitational-Wave)，一個是在德州，一個是在美國的路易斯安那州。

用來測量干涉效應，有一個像是力臂一樣，四公里長，基本上就是在這裡做一個雷射(指圖中垂直長處)，然後把它結合起來，如果空間在震盪的話，指機器頭、尾兩處，跟這一點，藍色的線往右邊四公里，有有干涉現象，藉著干涉的測量，設法去看這個空間結構本身的震盪；不過目前為止LIGO沒有看到。這邊三個衛星(LISA)，要模擬LIGO的情況，各自發射，放到太空裡，這紅色的線就是那個雷射，然後研究這三個點它們的干涉效應，總而言之是不容易，除了發射的時間的延遲與經費問題之外，想先希望看到LIGO檢驗是不是還可以再調整等等，這是重力波檢測。

25

26

27

28

29

30

31