宇宙黎明
活動訊息
第48次中小學生讀物選介
時報套書展
內容簡介
書名宇宙黎明（cosmic dawn）是天文學上的專有名詞，是宇宙史上的一個時代，描述第一代恆星與星系開始點亮宇宙的時期。本書的焦點是追溯宇宙最初的光如何而來，如何改變宇宙的歷史，人類又如何透過這些光來重構宇宙演化史。章節順序以宇宙歷史的進程安排，從宇宙微波背景輻射一路說到再電離時期，也就是從我們能夠見到宇宙的最早的光，一直談到宇宙大放光明的時候。我們將引領讀者，從天文學的前沿課題來探索宇宙從黑暗到黎明的歷史。
本書的主文是談科學，至於那些關於人類存在於宇宙的終極意義問題，我們不給予過多的回答，留給讀者價值選擇的開放空間。不過，認識宇宙終究得以連結深邃的哲學思索，本書盼能作為拋磚引玉的角色。我們並非身處在靜態的宇宙，而是居住在一個變動的宇宙中。宇宙從太初時期不斷演化至今，從未有永恆如一的樣貌。因此，宇宙創造我們的生命，不是倏忽即成或永恆存在，而是宇宙大歷史的演化脈絡下，循著大自然運轉的理路而來。
本書的主文是談科學，至於那些關於人類存在於宇宙的終極意義問題，我們不給予過多的回答，留給讀者價值選擇的開放空間。不過，認識宇宙終究得以連結深邃的哲學思索，本書盼能作為拋磚引玉的角色。我們並非身處在靜態的宇宙，而是居住在一個變動的宇宙中。宇宙從太初時期不斷演化至今，從未有永恆如一的樣貌。因此，宇宙創造我們的生命，不是倏忽即成或永恆存在，而是宇宙大歷史的演化脈絡下，循著大自然運轉的理路而來。
目錄
「臺大知識人著作獎」校長序
緒論
第一章 — 夜空悖論
第二章 — 太初之光
第三章 — 黑暗時代
第四章 — 宇宙黎明
第五章 — 初代明星
第六章 — 黑洞登場
第七章 — 眾星雲集
第八章 — 大放光明
尾 聲 — 從黑暗到黎明
延伸閱讀
彩圖
緒論
第一章 — 夜空悖論
第二章 — 太初之光
第三章 — 黑暗時代
第四章 — 宇宙黎明
第五章 — 初代明星
第六章 — 黑洞登場
第七章 — 眾星雲集
第八章 — 大放光明
尾 聲 — 從黑暗到黎明
延伸閱讀
彩圖
試閱
緒論
當代哲學家阿岡本（Giorgio Agamben，1942-）有一篇文章〈何謂同時代人〉，藉由宇宙膨脹的隱喻來闡述「同時代」的哲學：「在一個無限擴張的宇宙中，最遠的星系以巨大的速度遠離我們，因此，它們發出的光也就無法抵達地球。我們感知到的天空的黑暗，就是這種儘管奔我們而來但無法抵達我們的光，因為發光的星系以超光速離我們遠去。在當下的黑暗中去感知這種力圖抵達我們卻又無法抵達的光，這就是同時代的含義。因此，同時代人是罕見的。正因為這個原因，成為同時代人，首先是勇氣問題，因為這意味著不但要能夠堅定地凝視時代的黑暗，也要能夠感知黑暗中的光—儘管它奔我們而來，但無疑在離我們遠去。」
這段話的脈絡是宇宙學的夜空悖論。本書談論宇宙的黎明時期，不僅是介紹前沿科學知識，也想呼應阿岡本闡述的哲學意涵。阿岡本所說「同時代」人，其實是「不合時宜」的 ，他們能夠凝視黑暗，以及感知無法抵達的光。而當我們孤獨思索起源的問題，正視人的存在意義，在這個嘈雜的時代，即是凝視黑暗的開始。
快速前進的現代社會裡，人人著眼於極其短暫的時間尺度，以輕薄簡短的文字與人群來往，螢幕上爆炸的資訊過目即忘。若說要靜下來仰望時空的深處，探詢宇宙與文明的悠久歷史，或進而思量人在宇宙的位置，都是不合時宜的。一切關於浩瀚世界與人類本質的叩問，都追不上破碎紛飛的網路訊息。甚至，靜下來看一本書，偶爾都顯得有些過時。
然而，五色令人目盲，在這個時代，人們與自身疏離感愈加強烈。此時，關於宇宙與人的叩問，正是因為不合時宜，而更具深遠的意義。我們關切的時間尺度，從眼前數秒數分鐘的短暫雜訊，瞬間擴展至億萬年的宇宙尺度，忽然察覺，我們漠視了世界上真正廣大的黑暗與光明。當我們進入廣大時空尺度的思索，宇宙的黑暗與光明、地球環境的黑暗與光明、人類社會的黑暗與光明，才得以重回人類思維的核心領域。於是我們知曉，黑暗之中可能存在微光，或許是在世界的一隅而無法抵達，但是我們努力凝視。
屈原遭放逐，在抑鬱之中創作《天問》，叩問太初的混沌狀態：「遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢闇，誰能極之？馮翼惟象，何以識之？」屈原悲愴的探問中，宇宙誕生之初「何由考之」。如今，我們在物理宇宙學（physical cosmology）的時代終能詳考宇宙蒙昧的時代，逐漸建構起清晰的圖像，重建太初時期的歷史。我們不斷將知識的邊界推進至荒地，也深感我們所知所想甚為淺薄。
本書的主文是談科學，至於那些關於人類存在於宇宙的終極意義問題，我們不給予過多的回答，留給讀者價值選擇的開放空間。不過，認識宇宙終究得以連結深邃的哲學思索，本書盼能作為拋磚引玉的角色。
我們並非身處在靜態的宇宙，而是居住在一個變動的宇宙中。宇宙從太初時期不斷演化至今，從未有永恆如一的樣貌。因此，宇宙創造我們的生命，不是倏忽即成或永恆存在，而是宇宙大歷史的演化脈絡下，循著大自然運轉的理路而來。
我們對宇宙的認識也是不停變動。1920年，天文學家仍不確定銀河系外是否有其他的星系。1960年，大爆炸理論尚未成為宇宙論的主流學說。2015年人類史上首度偵測到明確的重力波訊號，2019年公布史上第一張黑洞影像，皆是幾年內的事情。2021年發射升空的詹姆斯．韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST），已經促成眾多意想不到的發現，挑戰既有的理論認知。現在認識的科學理論架構，說不定不久後又將發生典範轉移。
書名宇宙黎明（cosmic dawn）是天文學上的專有名詞，是宇宙史上的一個時代，描述第一代恆星與星系開始點亮宇宙的時期。本書的焦點是追溯宇宙最初的光如何而來，如何改變宇宙的歷史，人類又如何透過這些光來重構宇宙演化史。章節順序以宇宙歷史的進程安排，從宇宙微波背景輻射一路說到再電離時期，也就是從我們能夠見到宇宙的最早的光，一直談到宇宙大放光明的時候。我們將引領讀者，從天文學的前沿課題來探索宇宙從黑暗到黎明的歷史。
早期宇宙的光
本書的主題圍繞著「光」，談論宇宙中的黑暗與光明。多數的天文觀測方法，主要就是接收「光」，利用各種分析光的手段，找出宇宙現象的蛛絲馬跡，重建一部宇宙演化史。
由於光的傳遞需要時間，而不是立即抵達，所以距離我們愈遙遠的天體，我們看見它傳來的光，就是愈古老的光。好比說，織女星距離我們約25光年，所以我們所見它傳來的星光，是25年前發出的光。參宿四距離我們約500光年的紅超巨星，所以我們所看見它傳來的星光，是16世紀發出的光。梅西爾天體M58是個距離我們約6800萬光年的星系，所以我們接收到來自那裡的光，大概是地球上恐龍滅絕前夕的光。
還有許多更遙遠的天體，在宇宙的遠古時期發光以後，光線直到現在才抵達我們眼前。目前宇宙年齡約是138億年，太初之光花費了將近138億年傳遞過來。不過，由於宇宙不是靜態的，而是不斷在膨脹，所以假如有個光源在將近138億年前發出一道光，如今光線抵達我們眼前時，光源與我們的距離已經不只138億光年，而是大幅膨脹到465億光年。距離我們約465億光年的範圍，即是我們能夠觀測宇宙的極限範圍，稱為可觀測宇宙（observable universe）。可觀測宇宙不是整個宇宙的範圍，在那之外的宇宙發出的光，則是至今尚未傳到或永遠無法傳到我們眼前。
當我們望向宇宙的深處，就如同進入一條時光隧道。只要看得越深越遠，就會看見越古老的宇宙。因此，天文望遠鏡可以帶我們閱覽一部宇宙的歷史，自遠古至當代的天體星象橫列在影像中。人類歷史是往者已矣，我們無法直接見證古人的生活，史家設法從斷簡殘編中重建歷史。宇宙歷史則是截然不同的時空尺度，因為宇宙太過廣大，且光的傳遞需要時間，造成源源不絕的遠古光輝在今日才抵達我們，於是我們能夠直接「見證歷史」。天文觀測所見，不只是空間的橫亙，更是時間的縱深。
不過，我們將會說明，天文望遠鏡的時光隧道無法一路延伸到宇宙大爆炸的起點，最深只能看到宇宙誕生後38萬年的宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background radiation）。更早期的宇宙無法透過光直接觀測，天文學家只能運用宇宙微波背景輻射上的印記，盡可能回推宇宙大爆炸最初期的樣貌。探測早期宇宙是艱鉅任務，而天文學家不斷開發新方法，詳細考究太初之光。
來自早期宇宙的光還有一個特性，即是我們偵測到的波長，並不同於光源發出時的波長。原因在於宇宙持續膨脹，而光的波長會隨著宇宙膨脹而被等比例拉長。這個現象稱為宇宙紅移（cosmological redshift），紅移量通常用英文字母小寫z表示，表達光的波長拉長的比例。假如紅移量z=6，意思是光的波長比光源發出時多出了6倍，也就是變成原來的7倍。研究早期宇宙時，必須考慮紅移的效應，才可能正確捕捉到目標的訊號。舉例來說，恆星發出的光主要位於可見光波段，所以我們自然會用可見光望遠鏡觀測太陽或鄰近的恆星。然而，來自遙遠宇宙古老恆星的可見光，傳遞到我們眼前的時候，已經隨著宇宙膨脹而拉長，變為波長更長的紅外光。正是如此，眾所矚目的詹姆斯．韋伯太空望遠鏡不是將觀測主力設定在可見光，而是在紅外光，用於追蹤早期宇宙的星光。
除了可見光之外，各種不同波段的電磁輻射都是當代天文學家關注的目標。從短波（高頻率）到長波（低頻率）的電磁輻射，包括伽瑪射線、X射線、紫外光、可見光、紅外光、微波、無線電波，分別可追蹤不同物理狀態或不同時期的天體。現代天文學講求「多波段觀測」，設計不同波段的望遠鏡，因而能夠更全面還原宇宙中豐富多樣的物理現象。讀者將會看到，多波段的訊號如何幫助我們重構宇宙史。
天文觀測接收光的訊號，主要分為兩種形式—影像與光譜。所謂取得影像，其實就是拍照，不過不同波段的拍照方法不盡相同，各有專門的技術。光譜則是運用稜鏡或光柵把光分散開來，得到一條光強度隨著波長變化的曲線—這條曲線等同於天體的指紋。比起單純的影像，光譜提供龐大許多的資訊量，能夠由此推算出天體的諸多物理參數。尤其是光譜上常顯現稱為「譜線」的亮紋或暗紋，是源於原子、分子釋放或吸收特定波長的光，可據此推知天體的化學成分與物理狀態，是天文觀測不可或缺的利器。
當代哲學家阿岡本（Giorgio Agamben，1942-）有一篇文章〈何謂同時代人〉，藉由宇宙膨脹的隱喻來闡述「同時代」的哲學：「在一個無限擴張的宇宙中，最遠的星系以巨大的速度遠離我們，因此，它們發出的光也就無法抵達地球。我們感知到的天空的黑暗，就是這種儘管奔我們而來但無法抵達我們的光，因為發光的星系以超光速離我們遠去。在當下的黑暗中去感知這種力圖抵達我們卻又無法抵達的光，這就是同時代的含義。因此，同時代人是罕見的。正因為這個原因，成為同時代人，首先是勇氣問題，因為這意味著不但要能夠堅定地凝視時代的黑暗，也要能夠感知黑暗中的光—儘管它奔我們而來，但無疑在離我們遠去。」
這段話的脈絡是宇宙學的夜空悖論。本書談論宇宙的黎明時期，不僅是介紹前沿科學知識，也想呼應阿岡本闡述的哲學意涵。阿岡本所說「同時代」人，其實是「不合時宜」的 ，他們能夠凝視黑暗，以及感知無法抵達的光。而當我們孤獨思索起源的問題，正視人的存在意義，在這個嘈雜的時代，即是凝視黑暗的開始。
快速前進的現代社會裡，人人著眼於極其短暫的時間尺度，以輕薄簡短的文字與人群來往，螢幕上爆炸的資訊過目即忘。若說要靜下來仰望時空的深處，探詢宇宙與文明的悠久歷史，或進而思量人在宇宙的位置，都是不合時宜的。一切關於浩瀚世界與人類本質的叩問，都追不上破碎紛飛的網路訊息。甚至，靜下來看一本書，偶爾都顯得有些過時。
然而，五色令人目盲，在這個時代，人們與自身疏離感愈加強烈。此時，關於宇宙與人的叩問，正是因為不合時宜，而更具深遠的意義。我們關切的時間尺度，從眼前數秒數分鐘的短暫雜訊，瞬間擴展至億萬年的宇宙尺度，忽然察覺，我們漠視了世界上真正廣大的黑暗與光明。當我們進入廣大時空尺度的思索，宇宙的黑暗與光明、地球環境的黑暗與光明、人類社會的黑暗與光明，才得以重回人類思維的核心領域。於是我們知曉，黑暗之中可能存在微光，或許是在世界的一隅而無法抵達，但是我們努力凝視。
屈原遭放逐，在抑鬱之中創作《天問》，叩問太初的混沌狀態：「遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢闇，誰能極之？馮翼惟象，何以識之？」屈原悲愴的探問中，宇宙誕生之初「何由考之」。如今，我們在物理宇宙學（physical cosmology）的時代終能詳考宇宙蒙昧的時代，逐漸建構起清晰的圖像，重建太初時期的歷史。我們不斷將知識的邊界推進至荒地，也深感我們所知所想甚為淺薄。
本書的主文是談科學，至於那些關於人類存在於宇宙的終極意義問題，我們不給予過多的回答，留給讀者價值選擇的開放空間。不過，認識宇宙終究得以連結深邃的哲學思索，本書盼能作為拋磚引玉的角色。
我們並非身處在靜態的宇宙，而是居住在一個變動的宇宙中。宇宙從太初時期不斷演化至今，從未有永恆如一的樣貌。因此，宇宙創造我們的生命，不是倏忽即成或永恆存在，而是宇宙大歷史的演化脈絡下，循著大自然運轉的理路而來。
我們對宇宙的認識也是不停變動。1920年，天文學家仍不確定銀河系外是否有其他的星系。1960年，大爆炸理論尚未成為宇宙論的主流學說。2015年人類史上首度偵測到明確的重力波訊號，2019年公布史上第一張黑洞影像，皆是幾年內的事情。2021年發射升空的詹姆斯．韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST），已經促成眾多意想不到的發現，挑戰既有的理論認知。現在認識的科學理論架構，說不定不久後又將發生典範轉移。
書名宇宙黎明（cosmic dawn）是天文學上的專有名詞，是宇宙史上的一個時代，描述第一代恆星與星系開始點亮宇宙的時期。本書的焦點是追溯宇宙最初的光如何而來，如何改變宇宙的歷史，人類又如何透過這些光來重構宇宙演化史。章節順序以宇宙歷史的進程安排，從宇宙微波背景輻射一路說到再電離時期，也就是從我們能夠見到宇宙的最早的光，一直談到宇宙大放光明的時候。我們將引領讀者，從天文學的前沿課題來探索宇宙從黑暗到黎明的歷史。
早期宇宙的光
本書的主題圍繞著「光」，談論宇宙中的黑暗與光明。多數的天文觀測方法，主要就是接收「光」，利用各種分析光的手段，找出宇宙現象的蛛絲馬跡，重建一部宇宙演化史。
由於光的傳遞需要時間，而不是立即抵達，所以距離我們愈遙遠的天體，我們看見它傳來的光，就是愈古老的光。好比說，織女星距離我們約25光年，所以我們所見它傳來的星光，是25年前發出的光。參宿四距離我們約500光年的紅超巨星，所以我們所看見它傳來的星光，是16世紀發出的光。梅西爾天體M58是個距離我們約6800萬光年的星系，所以我們接收到來自那裡的光，大概是地球上恐龍滅絕前夕的光。
還有許多更遙遠的天體，在宇宙的遠古時期發光以後，光線直到現在才抵達我們眼前。目前宇宙年齡約是138億年，太初之光花費了將近138億年傳遞過來。不過，由於宇宙不是靜態的，而是不斷在膨脹，所以假如有個光源在將近138億年前發出一道光，如今光線抵達我們眼前時，光源與我們的距離已經不只138億光年，而是大幅膨脹到465億光年。距離我們約465億光年的範圍，即是我們能夠觀測宇宙的極限範圍，稱為可觀測宇宙（observable universe）。可觀測宇宙不是整個宇宙的範圍，在那之外的宇宙發出的光，則是至今尚未傳到或永遠無法傳到我們眼前。
當我們望向宇宙的深處，就如同進入一條時光隧道。只要看得越深越遠，就會看見越古老的宇宙。因此，天文望遠鏡可以帶我們閱覽一部宇宙的歷史，自遠古至當代的天體星象橫列在影像中。人類歷史是往者已矣，我們無法直接見證古人的生活，史家設法從斷簡殘編中重建歷史。宇宙歷史則是截然不同的時空尺度，因為宇宙太過廣大，且光的傳遞需要時間，造成源源不絕的遠古光輝在今日才抵達我們，於是我們能夠直接「見證歷史」。天文觀測所見，不只是空間的橫亙，更是時間的縱深。
不過，我們將會說明，天文望遠鏡的時光隧道無法一路延伸到宇宙大爆炸的起點，最深只能看到宇宙誕生後38萬年的宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background radiation）。更早期的宇宙無法透過光直接觀測，天文學家只能運用宇宙微波背景輻射上的印記，盡可能回推宇宙大爆炸最初期的樣貌。探測早期宇宙是艱鉅任務，而天文學家不斷開發新方法，詳細考究太初之光。
來自早期宇宙的光還有一個特性，即是我們偵測到的波長，並不同於光源發出時的波長。原因在於宇宙持續膨脹，而光的波長會隨著宇宙膨脹而被等比例拉長。這個現象稱為宇宙紅移（cosmological redshift），紅移量通常用英文字母小寫z表示，表達光的波長拉長的比例。假如紅移量z=6，意思是光的波長比光源發出時多出了6倍，也就是變成原來的7倍。研究早期宇宙時，必須考慮紅移的效應，才可能正確捕捉到目標的訊號。舉例來說，恆星發出的光主要位於可見光波段，所以我們自然會用可見光望遠鏡觀測太陽或鄰近的恆星。然而，來自遙遠宇宙古老恆星的可見光，傳遞到我們眼前的時候，已經隨著宇宙膨脹而拉長，變為波長更長的紅外光。正是如此，眾所矚目的詹姆斯．韋伯太空望遠鏡不是將觀測主力設定在可見光，而是在紅外光，用於追蹤早期宇宙的星光。
除了可見光之外，各種不同波段的電磁輻射都是當代天文學家關注的目標。從短波（高頻率）到長波（低頻率）的電磁輻射，包括伽瑪射線、X射線、紫外光、可見光、紅外光、微波、無線電波，分別可追蹤不同物理狀態或不同時期的天體。現代天文學講求「多波段觀測」，設計不同波段的望遠鏡，因而能夠更全面還原宇宙中豐富多樣的物理現象。讀者將會看到，多波段的訊號如何幫助我們重構宇宙史。
天文觀測接收光的訊號，主要分為兩種形式—影像與光譜。所謂取得影像，其實就是拍照，不過不同波段的拍照方法不盡相同，各有專門的技術。光譜則是運用稜鏡或光柵把光分散開來，得到一條光強度隨著波長變化的曲線—這條曲線等同於天體的指紋。比起單純的影像，光譜提供龐大許多的資訊量，能夠由此推算出天體的諸多物理參數。尤其是光譜上常顯現稱為「譜線」的亮紋或暗紋，是源於原子、分子釋放或吸收特定波長的光，可據此推知天體的化學成分與物理狀態，是天文觀測不可或缺的利器。
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