球繞著球旋轉的奇妙宇宙

假如你討厭物理，這篇文章可以略過，因為這篇文章全和基本物理有關。 　　我從小討厭讀書，唯獨對物理有興趣。物理定理對我來說，有點像「男生喜歡女生」那樣簡單自然，不必花太多時間去背公式。也因此，即使不太用功，我的物理成績始終出類拔萃。只可惜，這天賦全被學生時代不知上進的我給浪費了。 　　假如能夠重來一次，我只有一個志向──台大物理系（絕不是國文系）。甚至到了今天，有時我還是會幻想，哪天重回大學讀物理系？ 　　或許，有一天我發了神經病，真會如此。 　　這篇文章，可以看成是我「小發神經病」的產物。 壹、原子結構與太陽系      圖一：原子結構圖 　　當我們看到「電子」繞著「原子核」旋轉的原子結構圖（圖一），以及行星繞著太陽旋轉的軌道圖（圖二），不知有多少人好奇：這兩個圖形怎麼有點類似？      圖二：行星環繞太陽軌道圖 　　假如再進一步研究，更令人訝異。因為，它們至少存在三個相似點： 　　一、都是球體繞著球體旋轉（為簡化稱謂，文後「被環繞」的球體稱「母球」，環繞母球旋轉的是「子球」；母球和子球組成「旋轉體系」）。 　　二、母球質量佔旋轉體系總質量的九十九％以上。原子結構中的母球是原子核，它的質量至少是子球總重量的一千八百四十倍。至於太陽系，九大行星的「質量總和」還不到太陽質量的○‧二％。 　　三、旋轉體系所佔據的總體積極大，「平均密度」稀薄到幾近真空。無論是原子結構或太陽系，母球體積都不過是旋轉體系總體積的幾千億分之一。「幾千億分之一」不是我們所熟悉的數字。假如把旋轉體系所佔據的空域想像成一間屋子（也就是，把太陽系縮小成一間屋子，或是把單一原子放大成一間屋子），那麼，母球在這間屋子的正中心，體積比針尖還要小；幾個小得像微生物的子球繞著它旋轉──這種組合的平均密度，不是和真空一樣稀薄？ 貳、宇宙墳場──黑洞 　　前述「屋子、針尖、微生物」的比喻是個「看不見」的範例。現在我們不妨把模型放大，想像一些「看得見」的實物。如果把太陽縮小成直徑一公尺的大汽球，九大行星與太陽的距離、直徑，以及與行星相近似的球體如表一：

表一：九大行星與太陽關係表

依據表一的模型，太陽系所佔據的總體積是以太陽為圓心，冥王星的距離（三千九百五十公尺）為半徑所畫出的「球形空域」。試著想像一下這個巨大的球形空域，正中央存在一個直徑一公尺的圓球，九個體積最大不過如壘球，最小像原子筆尖的鋼珠──如此鬆鬆散散的「子／母球」組合，卻霸佔著一個「直徑接近八公里」的球形空域，此旋轉體系的吸引力是何等的巨大！ 　　太陽系如此，原子結構也如此。每個原子超過九九‧九％的結構都是空的；縱然結合成固體分子，也有如被壓在一起的泡沫塑膠球，體積只能被有限度的壓縮。因而微觀地看，所有物體的密度都很低，即使是固體金屬也不例外。 　　旋轉體系佔據空域之廣、球體之小、彼此吸引力之強，讓初次接觸的人很難想像。 　　說到這，我們應能體會宇宙間旋轉體系吸引力之巨大；同時也該好奇：若是把所有球體全部壓縮到中心（例如前述模型中，把壘球、棒球、乒乓球、荔枝、小鋼珠等向中心推擠，讓它們緊緊貼著中央的圓球；或再進一步壓縮，連中央的圓球也可能被壓碎），又會產生什麼結果？ 　　首先，毫無疑議，旋轉體系所霸佔的總體積將巨幅縮小──球形空域的半徑從原本的三千九百五十公尺縮小到○‧五五公尺。 　　其次，原本球體間的距離是那麼的遙遠，如今全部壓縮到一塊，想必吸引力會大幅增強。 　　的確如此，而宇宙也確實存在這種現象。當質量巨大的恆星（太陽質量的三倍以上）能源耗盡，外部會出現一股巨大的壓力，其壓力大到足以壓碎星球內部原子與分子的結構，逼它們釋放出原本霸佔的空間。 　　星球被壓縮的過程是慢慢形成的。當它的體積被壓縮得越來越小，內部的熱度和密度就越來越高，所發出的吸引力也就越來越強。等吸引力大到能「抓住」宇宙間最會逃逸的光子，原本熾亮的球體在剎那間就變成「漆黑一片」（不再迸射光子就無光線可言，因而漆黑一片），成為科學界所說的「黑洞」。 　　黑洞是宇宙的墳場，吸引力大到能夠吞噬靠近它的所有物質。管他是什麼東西，原子結構瞬間被摧毀，所有基本粒子被黑洞牢牢吸附而無法脫離（基本粒子是被分割到「不可再分割」的粒子，也是組成宇宙萬事萬物最基本的元素）。 　　地球被壓縮以後所形成的黑洞，會濃縮成半徑只有幾公尺的球體。再試著想像一下我們生活的地球──那麼多的水、陸地、山脈、生物──濃縮成半徑幾公尺的球體，那將會是多麼大的密度！又會發出多麼可怕的吸引力！ 參、宇宙的毀滅與誕生 　　黑洞會吞噬所有接近它的物質。而當它吞噬的物質愈多，所發出的吸引力就愈強，因而能吞噬距離更遠的物質。 　　更麻煩的是，宇宙中所有星球無時無刻不在旋轉──月亮繞著地球轉，地球繞著太陽轉，太陽繞著銀河系的中心轉，銀河系繞著「本星系群」的中心旋轉，本星系群繞著「超星系群」的中心旋轉……。大家轉過來轉過去，遲早會「擦身而過」。又因為黑洞「只進不出」，漸次吸收與它擦身而過的星體，吸引力的範圍越來越大，有沒有可能某天會大到吞噬宇宙中所有的星體？ 　　如果有這麼一天，那就是宇宙毀滅的一天。那時候，宇宙只剩下一個超級巨大的黑洞。 　　有毀滅才有誕生，有誕生就一定有毀滅。宇宙一旦毀滅，接著就準備誕生。 　　由於宇宙所有的物質全部集中在一點（科學家說這點是「奇異點」），它擁有令人無法想像的吸力、熱力，以及密度。又由於粒子相互吸引的作用，奇異點的體積會持續壓縮，造成壓力與密度的持續增大。等大到某個程度，奇異點再也無法忍受內部的壓力而爆炸，瞬間所有物質向四面八方飛散，形成宇宙的誕生（即大爆炸，或大霹靂）。 　　依據科學家的計算，上次大爆炸發生在大約一百五十億年以前。 肆、球形對稱的宇宙 　　大爆炸發生之初，所有物質都因高熱而處於氣態或液態。這時，它們擁有兩股力量：一股是自身所擁有的吸引力（所有物質都有引力，也就是「萬有引力」），另一股是大爆炸所賦予的爆炸力。當物質向四面八方飛散之時，彼此的吸引力如果大於爆炸力，最終會吸附在一起；又因為它們不是處於氣態就是液態，在引力相互作用下，為了達到力量的均衡，必會形成球形。假如不是球形，某一區的引力就會大過另一區；「強引力區」拉扯「弱引力區」，力量平衡以後兩個區域會「一樣大」。 　　什麼樣的形狀能夠讓「所有區域」都「一樣大」？ 　　除了球形，還有其他選擇嗎？ 　　對同質量的物體來說，球形擁有最小的表面積。「最小的表面積」代表和外界進行「最小的交流」。單位時間內和外界的交流愈小，本身所形成的體系就愈穩定，生命週期因而愈長。 　　球形是自然界既合理又微妙的選擇。 　　大爆炸以後，宇宙慢慢形成無以計數的球體。距離近的球體與球體之間仍然有吸引力，只是這股吸引力無法克服爆炸力，以致不能結合成單一球體。可是，如果兩個球體之間的引力夠強，即使無法讓兩個球體結合，也會改變球體原本從奇異點向外擴張的直線運動，使得兩個球體好像「想抱在一起」的相互旋轉。 　　旋轉的原因是吸引力和爆炸力之間的「不平行」（假如兩力平行，兩個球體最終若不能結合成單一球體，便會分散成兩個旋轉體系）。不平行會產生「角分力」，角分力又會讓球體側向運動。這時，若兩個球體的質量概略相等，它們便會互旋；若一球體的質量遠遠大於另一球體，便會造成「子球」繞著「母球」旋轉的假象（不管兩個球體的質量差異有多大，母球的運動或多或少都會受到子球的影響）。 　　旋轉體系形成之初，球體之間的距離會慢慢改變，等到向心力（球體相互發出的吸引力）與離心力（圓周運動產生的垂直分力）達到平衡，兩球之間的距離才維持不變，自此形成穩定的旋轉體系。 　　當然，對宇宙而言，「穩定」是不存在的。把時間拉長到幾十億或幾百億年，宇宙之中沒有一個系統能夠維持穩定；太陽、銀河終究會毀滅，整個宇宙也有被黑洞吞噬的一天。只不過，就人類短暫的生命來看，我們仍然可以說：這是一個穩定的球形對稱宇宙。 伍、人體也是群聚的星系？ 　　最後，我們可以做一個有趣又大膽的假設──人體也是群聚的星系！ 　　試著把你的左手掌舉起來，仔細看著它，它會是一個群聚的星系嗎？ 　　這問題似乎很荒謬、很可笑，但冷靜想想，為什麼不可能？ 　　微觀地看，所有物體的密度都很低──固體金屬如此，人類的手掌更是如此，它的密度稀薄到近乎真空。 　　其次，誠如眾人所知，手掌由無以計數的原子所組成，而每個原子又都擁有為數不等的電子繞著原子核旋轉。這些小小的電子，會不會是一種「極微小」的「電子星球」？某些電子星球上面又住著「極極微小」的生物？ 　　先別對這假設嗤之以鼻。假如你了解宇宙有多大、基本粒子有多小，可能你會有不同的想法。 　　人類生活在地球。地球屬於太陽系。太陽系又屬於銀河系。 　　銀河系擁有一千億個類似太陽系的「恆星系」。 　　一千億是多大的數字？把銀河系的恆星系平均分配給全人類，每個人──不管他是美國總統或烏干達剛出生的小孩──可以分得十五個恆星系！ 　　銀河系的外觀像一顆荷包蛋，直徑大約十萬光年。倘若能乘坐以光速飛行的太空船，從銀河的一端向另一端前進；那麼，從黃帝軒轅氏誕生持續飛行到今天……，一分一秒不停息地以光速飛行到今天，也不過飛越銀河系的二十分之一。 　　銀河系實在浩大。但是，當我們把目光放大到宇宙，銀河系又顯得那麼微不足道。 　　宇宙擁有一千億個（又是這可怕的數字）類似銀河系的「星系」。星系與星系之間的距離以「百萬光年」計算。例如，距離銀河系最近的星系是Ｍ31「仙女座大星雲」，它擁有兩千億個恆星系，距離銀河系約兩百二十萬光年。 　　一千億個星系散佈在宇宙，彼此之間的距離都是幾百萬光年──想像一下那個規模，是何等的浩瀚無垠！然而，這還是受限於現今觀測儀器所得到的結果。每當科學家製造出能看得更遠的天文望遠鏡，他們就發現宇宙比原先「認定」來得更大。 　　宇宙到底有多大，至今還沒有一個定論。 　　當一群科學家在研究宇宙到底有多大的同時，另一群科學家在研究宇宙的「基本粒子」到底有多小。這問題，同樣受限於觀測的儀器。每當科學家製造出能看得更小的「超級電子顯微鏡」，他們就發現一些「更小」的粒子。從最開始的分子、原子、質子、中子、電子，到後來的光子、夸克、膠子、微中子、緲子、濤子、μ子、τ子……，今天物理學界發現的基本粒子大約有一百多種。 　　或許，電子繞著原子核旋轉，一如行星繞著太陽旋轉──電子不是相同的大小，也繞著不同半徑的軌道，每個電子又有「微電子」像衛星一般繞著它旋轉；而部分「電子星球」上面住著極其微小的生物，牠們的生命固然短暫，但是人類的生命和地球的壽命相比，何嘗又不短暫？ 　　宇宙雖然浩瀚，整個世界卻遵循著「球繞著球旋轉」的規律在運作──越是了解這簡單的道理，越是驚訝造物主的偉大、人類的渺小！ 　　渺小的人類有什麼資格說：人體不是一個群聚的星系？