我們生存在龐大的地球上，但是地球不過是宇宙的一顆小星；按照估計，宇宙裡大概有上千億個銀河，每個銀河有上千億顆星。宇宙的直徑大約是一兆兆公里，天文學裡很重要的問題是：宇宙長得是什麼樣子呢？比較科學化的說法是「宇宙的模型是什麼呢？」經過多年來的研究，天文學家建立了一個目前大家都認為正確的宇宙模型，那就是「大爆炸模型」（The Big Bang Model）。按照大爆炸模型，宇宙是有一個開始點的，那大約是137億年前，宇宙不是靜止的，而是不斷地向外膨脹的。當然這個模型不是憑空想出來的，而是近一百年來，許多天文學家研究工作累積的結果。

上一次我已經講過「大爆炸模型」的理論，是根據愛因斯坦的「廣義相對論」導引出來的。那麼這些理論得來的結果，怎麼樣從觀測去驗證呢？對我們外行人來說，宇宙不過是一團漆黑，裡頭有點點的星光而已。其實，小心去觀察宇宙，小心去分析觀測的結果，我們可以得到許多許多重要的資料。上一次我已經講過，從觀察一顆星的亮度，天文學家可以算出一顆星和地球的距離，今天，讓我繼續講下去。

首先，我們可以從一顆星發出的光，決定這顆星表面的溫度。其實光是一個籠統的名詞，一顆星會發射出波長不同的的電磁波，波長在400奈米到700奈米之間的電磁波，是可見光；紅光的波長大約是700奈米，然後按照紅橙黃綠藍靛紫的次序減少。紫光的波長大約是400奈米，波長比400奈米小的電磁波稱為紫外線；波長比700奈米大的電磁波，稱為紅外線。當我們接收到從一顆星發射出來的電磁波時，我們可以分析不同波長的電磁波的分佈，表面溫度比較高的星，發射出來的電磁波，會集中在波長400奈米的紫色光附近；表面溫度比較低的星，發射出來的電磁波會集中在波長比較高，接近紅色的附近。天文學家已經有足夠的經驗和數據，從一顆星發出來不同的電磁波的波長，來決定這顆星表面的溫度。

還有，從一顆星發出來的光，我們可以決定這顆星的化學成分。我們在前面講過，可見光含有波長不同、也就是顏色不同（紅橙黃綠藍靛紫）的光，這就叫做可見光的光譜。在十九世紀，化學家發現當他們把可見光照在一個化學元素上面，依照這個化學元素的原子結構，光譜裡部分的光波會被吸收，而且不同的元素會吸收不同的光波，這個特性，可以叫做每一個化學元素的指紋。大家馬上會了解，這是一個很好的辦法，去鑑定一個物質的化學成分。只要我們把可見光照在這個物質上，然後分析被吸收的光波，就可以決定這個物質所含的化學元素了。的確，遠在十九世紀，天文學家已經知道怎樣從分析太陽光的光譜，決定太陽所含的化學元素了。

還有，從一顆星發出來的光，我們可以決定它是不是在移動，往哪個方向移動和移動的速度。當您站在火車站裡，火車進站對著您開過來的時候，火車的笛聲聽起來比較尖銳，當火車出站離開您的時候，火車的笛聲聽起來比較低沈。其實，火車發出的笛聲是固定的，用物理的術語來說，火車發出的聲波的波長是固定的，但是當火車朝著我們來的時候，我們耳朵收到的聲波波長會滅少，所以聲音變得比較尖銳；當火車離開我們的時候，我們耳朵收到的聲波波長會增加，所以，聲音會變得比較低沈而；而且，聲波波長的增加和減小，和火車移動的速度有直接關係，在物理學裡，這就叫做「Doppler Effect」（都卜勒效應），聲波是如此，光波也是如此。遠在十九世紀，天文學家已經發現太陽光的光譜和天狼星光譜是大致一樣的，那表示他們所含的化學元素大致一樣。但是，天狼星光譜裡的光波的波長，都比太陽的光譜裡相對應的光波的波長都長一點點，這就顯示天狼星是在移動，朝著離開地球的方向往外走。而且從波長增加了多少，可以算出天狼星往外走的速度。

1929年，美國一位有名的天文學家Edwin Hubble，觀察了46個銀河，從它們光譜的波長變化，確定這些銀河都在離開地球，往外移動。按照他觀察的結果，他下了一個很重要的結論：離地球越遠的銀河，他們往外移動的速度越大，而且和跟地球的距離成正比例。Hubble的結論，是支持「大爆炸模型」的重要依據。首先，他證實了宇宙是在膨脹，更重要的是宇宙膨脹的速度是不斷在增加。那麼如果讓時光倒流，朝著時間的反方向走，宇宙膨脹的速度是不斷在減小。所以，在過去的時間上的某一點，所有的天體都聚合在一起，速度是零，這就是「大爆炸模型」裡宇宙的起點。按照Hubble起初的計算，這個起點是18億年以前，但是，這個計算是不準確的，目前最精確的計算結果是137億年以前。

Hubble在天文學上的貢獻是非常偉大的，他曾經不斷努力希望諾貝爾獎的委員會把天文學包括在物理學裡，讓天文學家也有機會得到物理的諾貝爾獎，經過很多年都沒有結果；直到1953年，他逝世後的幾個月，諾貝爾獎的委員會才通過把天文學包括在物理學裡。但是，我前面已經講過，諾貝爾獎是不頒給已經過世的人的。
自從1920年代，俄國數學家Friedman和比利時天文學家Lemaitre從愛因斯坦的「相對論」，推演出宇宙的「大爆炸模型」後，許多天文學家的努力，逐漸找出更多的證據，支持「大爆炸模型」的正確性。

一個重要的問題，按照「大爆炸模型」，怎樣去解釋宇宙裡的物質是怎樣形成的。我們知道在宇宙裡的原子，99.9％是氫原和和氦原子，其中氫原子和氦原子的比例是10比1；剩下來的0.1％，氧原子是氫原子的6％，氮原子是氫原子的1％，其他總共加起來是氫原子的1％。按照「大爆炸模型」，一開始的時候，宇宙裡有夸克（Quark）、膠子（gluon）和電子（electron），夸克和膠子會結合成為質子（proton）和中子（Neutron），所以，天文學家必須解釋這些粒子怎樣結合成為原子，而不能說大爆炸一開始的時候就有氫、氦、氧、碳這些原子。

1948年，一位物理學家Gamow和他的學生Alpher，經過好幾年的努力，計算出在大爆炸開始後很短的時間內，質子，也就是氫原子核形成，然後再由氫原子核結合成氮原子核；他們也正確的算出宇宙中氫原子和氦原子的比例應該是十分之一，這是Alpher博士論文的一部分。但是，他們沒有找出別的原子是怎樣形成的解釋。對一個外行人來說，一個氦原子核有兩個質子、兩個中子，一個氮原子核有六個質子、六個中子，所以三個氦原子核可以合成一個氮原子核。但是，從物理的觀點來看，在什麼條件中，這個合成才會發生，是一件非常複雜的事情。因為三個氦原子的質量加起來，比一個氮原子的質量大一點點，這一點點的質量就會變成很大的能量，影響到整個物理。在1950年代，一位英國的天文學家Fred Hoyle，想出來一個可能的答案；當時他在美國加州理工學院訪問，他找了一位叫做William Fowler的教授，幫他做實驗來驗證。不但，Hoyle的想法是對的，Fowler也從這個地方開始，找出宇宙中別的原子形成的物理過程。Fowler在1983得到物理諾貝爾獎，Gamow、Arpher、Hoyle卻都落空了。

但是，令Gamow和 Alpher更不爽的是他們還落空了另外一個諾貝爾獎。在1960年初期，美國貝爾電話實驗室的兩位無線電天文學家Arno Penzias和Robert Wilson，他們用大型的天線來搜尋銀河發出來的訊號，搜尋過程中，他們發現有一個雜音，經過一年多的嘗試，沒有辦法找到這個雜音的來源，這個雜音的波長大約是一毫米，是光波波長的一仟倍。在偶然的情形之下，他們聽到兩位普林斯頓的教授Dicke和Peebles在研究「大爆炸模型」時，按照他們的計算，宇宙剛開始的時候，因為溫度和壓力都很高，質子、電子、光子都在浮游碰撞，即使一個質子和一個電子碰撞合成一個氫原子，也會馬上給一個光子撞開，到了三十萬年後，宇宙的演變降低到3000℃左右，質子和電子會結合成一個氫原子，光子（phonton）不再影響質子和電子的結合，而發射出來成為瀰漫整個宇宙的光，這就叫做primordial light（原始之光）或者是（創世之光），光的波長大約是千分之一毫米，從那個時候開始，因為宇宙大概膨脹了一千倍，這個瀰漫整個宇宙的電磁變成大約一毫米。Dicke和Peebles指出如果我們真能找到這個瀰漫整個宇宙的宇宙微波背景放射（Cosmic Microwave Background Radiation），簡稱「CMB Radiation」的話，那就是「大爆炸模型」非常重要的證據了。當Dicke和Peebles正要開始設計一個儀器去尋找CMB的時候，在離普林斯頓大學不遠的貝爾實驗室裡的Penzias和Wilson打電話告訴Dicke，他們已經找到CMB了，真的把Dicke氣死了。在1965年，Penzias和Wilson的團隊，Dicke和Peebles團隊，同在一個天文物理學的期刊，各自發表了一篇論文，描述他們的研究成果。Penzias和Wilson的論文只有600個字，他們在1978年，獲得諾貝爾獎。但是，忿忿不平的除了Dicke和Peebles之外，前面講過的Gamow、 Alpher還有一個他們的研究夥伴Herman，其實他們在1948年已經預先指出了CMB的存在了。大家只知道Penzias和Wilson，也提到Dicke和Peebles的結果，卻沒有講到Gamow、Alpher和Herman最初的貢獻。Penzias和Wilson的發現只是Cosmic Microwave Background Radiation研究的開始；在過去三、四十年來，天文學家還一直用飛機、用人造衛星對CMB作比較詳細的量度和分析。

我花了幾個禮拜的時間，從古代對天文學的研究，講到二十世紀天文學上最大的成就，那就是奠定了宇宙「大爆炸的模型」。在我簡短的介紹裡，希望您能夠體會到這裡包括了多少最聰明的科學家，多少沒有睡眠的晚上，多少辛勤的汗水，甚至多少失望的眼淚，科學追求的是真理和了解，那也就是美。

不過，在現代的學術研究裡，科學家很難完全擺脫跟著學術成就而來的榮譽、財富、機會和權力，在「大爆炸模型」的研究過程裡，有人可以說該得諾貝爾獎而未得到，有人努力經營爭取，有人擦身而過，有人卻得到全不費工夫，這中間的喜悅、興奮、失望和憤怒，的確是不足為外人道的。

當Penzias和Wilson在1964年發現了CMB的時候，有人問Gamon，這是不是正是他在1948年預測的？他說：「不久以前，我在這裡附近遺失了一個銅板，今天有人在我遺失銅板的地方找到一個銅板，因為，所有的銅板都是一樣的，是的，我相信那是我的銅板。」Alpher和Herman也說：「雖然有人說科學研究的目的追求真理，是誰把真理找到的，並不是那麼重要，但是我們也看到講這些話的人，當他們獲得獎項和學術榮譽時，是何等快樂、開心和驕傲！」

還是讓我們作一個簡單的結論，科學和人性最高最終的境界是美。祝您有個平安的一天，我們下周再見！