2015國際光年 探索生命能量源頭

文/林琦峰(台北市立天文科學教育館 副研究員 ) |2015.01.31
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光在自然環境中扮演了重要角色,不但造就美麗光影變化,更是生命能量源頭,讓大樹可以成長茁壯、綠草如茵。圖/記者羅智華
光在自然環境中扮演了重要角色,不但造就美麗光影變化,更是生命能量源頭,讓大樹可以成長茁壯、綠草如茵。圖/記者羅智華

文/林琦峰(台北市立天文科學教育館 副研究員 )

繼2005國際物理年、2009國際天文年及2011國際化學年之後,為了紀念各種光科學的發現與應用,聯合國教科文組織將2015年訂為國際光年(International Year of Light 2015,IYL 2015)。

2015年對「光」來說是個特別的一年,1000年前阿拉伯自然科學家伊本.海賽木著作的《光學寶典》問世;200年前法國工程師菲涅耳透過各式透鏡開始研究光的波動性質,並發表重要論文;150年前英國物理學家麥克斯威爾提出光電磁傳播論;110年前現代物理學之父愛因斯坦提出光電效應理論,後來因而獲得諾貝爾獎的肯定,並於100年前提出的的廣義相對論,更是影響宇宙學發展的要素;50年前彭齊亞斯及威爾遜發現宇宙微波背景輻射,讓現代天文學家可以推論宇宙之初時大爆炸的狀況。

光在自然環境中扮演了重要的角色,日常生活中充滿了光,陽光更是各種生命能量的源頭,但陽光到底是什麼呢?太陽是銀河系兩千億顆恆星之一,是太陽系中唯一會自行發光的天體。太陽因內部的核融合反應釋出大量的能量,從內部傳到表面,最後以光與熱的形式輻射至整個太陽系,包含1億5千萬公里外的地球。

太陽光成了地球上生物賴以生存的重要條件之一,而太陽的熱是讓地球表面維持15℃舒適平均溫度的主要關鍵。太陽光的廣義定義就是太陽輻射,也就是太陽不斷以電磁波發放出來的能量。其電磁波涵蓋了很寬的波長範圍,除了眼睛看的見的可見光以外,還有紅外線、紫外線等。隨著科學家解開對光科學有更多的了解及應用,人們對太陽面貌有了更新的認識。

美國與歐洲聯合觀測太陽的計畫中,利用太陽動力學觀測衛星(SDO)、太陽地球關係觀測衛星(STEREO)及太陽與太陽風層觀測衛星(SOHO)針對太陽進行多波段觀測,清楚的呈現出2012年8月31日太陽表面的狀況。對地球來說太陽光是最新鮮、最年輕的了,而宇宙微波背景輻射則是宇宙中最古老的光!宇宙微波背景輻射約在137億年前誕生時,當時宇宙只是一個充滿能量、高溫且高壓的點。

在宇宙誕生後十的負三十五次方秒,在很短的時間內開始急速膨脹,這個時期稱為「暴漲時期」。在暴漲停止之後,宇宙裡充滿速度接近光速的基本粒子,在這種溫度很高的粒子湯中,光子會被強烈地吸收,所以最早期的宇宙是很不透明的,隨著宇宙以大霹靂膨脹能量轉變成物質,幾分鐘後溫度降低到十的九次方度左右,組成氘和氦的原子核。

隨著宇宙的絕熱膨脹,溫度逐漸冷卻下來,碰撞也漸漸變少,大霹靂30萬年後,溫度降到3000K,自由電子與質子形成中性的氫原子。與電漿狀態相比,原子對電磁輻射的影響相對地變得較低,物質對輻射的吸收能力急遽下降,宇宙逐漸變成「透明」的。此刻光較能脫離原子捕獲而能在宇宙空間中相對自由的傳播,輻射的殘跡就形成了今天的宇宙微波背景輻射,隨著太空觀測科技的進步,針對宇宙微波背景輻射的觀測也有更細膩,也讓我們有機會看見宇宙中最古老的光。

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