工具與人類演化

　　在20世紀初，人類可觀測到的宇宙範圍最遠達5萬光年之遙，也就是目前所知的一千億顆恆星聚集而成的銀河系（Milky Way）的中心。所謂一光年，是光以每秒30萬公里（更精確的說，是每秒299,792,458公尺）的速度在一年當中所行經的距離。將此速度乘以一年的秒數，四捨五入後的一光年相當於10,000,000,000,000公里。由此也可推算我們目前所觀測到的宇宙半徑為100,000,000,000,000,000,000,000公里。

　　這些天文數字不但難以看懂，也難以理解，而且大家都知道隨時還會遇到更大的數字。當我們說「在一世代當中，美國的國內生產毛額（GDP）已經由一千億美元增加到約十兆美元」時，這種說法顯然比說「由100,000,000,000美元增加到10,000,000,000,000美元」來得輕鬆愉快。

　　描述物理現象時，常會用到極大或極小的數字，科學家在遇到這類數字時，經常使用10的?次方--或稱為數量級（order of magnitude）--來處理。在這種記數法中，美國 GDP 的成長可以更簡單的說成「由美元增加至美元」。依此類推，一光年可寫成公里；而目前觀測到的宇宙邊緣距離我們光年，相當於公里或公尺。

10的次方這種記數法，也適用於越來越小的數字。粒子加速器已經將人類的感覺向內拓展到夸克（quark，構成原子核內部核子的基本粒子）的尺度，這相當於一萬兆分之一公尺，即1/10,000,000,000,000,000公尺；這個分數若寫成公尺，則無論寫或讀都容易多了。因此，目前我們所觀察到的宇宙橫跨了10的43次方：由到。在此範圍的中央偏一點的地方，亦即升往大尺度與降至小尺度的分界上，剛好是0個數量級（即100，相等於一公尺）所在的位置，也就是人類日常生活經驗最熟悉的部分。

　　因此，我們目前所觀測到的宇宙，比以往某些人所想像的「無限大」還要廣闊。上述10的次方記數法多少可以幫助我們，使難以理解的觀測尺度差異變得較容易想像。比如拿和來說，利用指數相減的原理，我們馬上知道 是的倍；也就是說，10億（）裡面含有一千萬（）個一百（）。相反的，是的107倍大；也就是說，在裡面可以容納一千萬個（十億分之一）。

　　若不藉任何儀器之助，大多數人能感覺到的範圍約略是從1,000光年外（即公尺）的星空，到眼力依稀可辨的0.1毫米（即公尺）；橫跨10的24次方。不過大家不要誤以為，人類這24個數量級的裸眼感覺世界，佔了46個數量級的宇宙的一半以上。宇宙之大，深不可測；況且，目前觀察到的宇宙已經足以容納1022個裸眼世界的距離了。

　　本書中將使用指數來處理超乎日常經驗的數據；即使不熟練的人也會覺得，這總比數那一長串的0還要容易。到現在為止，英文裡還沒有「兆」（trillion）以上的通用字，而且「兆」這個字也是最近在討論GDP時才比較常用到。不過國際上已有一個慣例，在科學論述中以希臘字來表示更大的數目，相對的也有一套描述微小世界大小的名稱。「兆」是本書所使用的最大數字單位。比較困擾的是「billion」這個字在英式和美式用法上有不同的意思：英式用法代表，美式用法則代表。本書採用美式。

　　截至1900年，光學望遠鏡和顯微鏡僅將人類的裸眼感覺分別向外、向內擴展一個數量級而已。隨後，光學儀器的改良也不過將觀察到的宇宙半徑再擴大約四個數量級。觀察範圍的大幅擴展都是拜20世紀科技發展之賜。

　　這些科技將可見光譜兩邊廣大的電磁波譜納入到了人類的感官範圍內，也就是將人類的感覺擴展到以往感覺不到的領域。比如說，無線電望遠鏡可以「看見」本星系（即銀河系）中尚未發出可見光的原始星球（proto-star），以及位於宇宙邊緣正在進行重力崩塌的似星體（quasar）。在21公分波長的觀測上，這些望遠鏡已經測繪出本星系含量最豐的氫元素在星際空間的分布。在公尺頻帶運作的伽瑪射線望遠鏡，裝設在大氣層外的人造衛星上時，可以探知極遠處許多星系的劇變。

　　隨著對空間感覺的擴展，人類所經驗的時間尺度也必須同步修訂。17世紀的聖經學者伍歇爾主教（Bishop Ussher）將宇宙創造的時刻訂在紀元前400年；但19世紀初的地質學家們為配合觀察所得，主張宇宙年齡至少必須達數千萬年以上。今天，無線電望遠鏡已經將這個膨脹中的宇宙的年齡訂在100億至150億年之間。

　　直到最近我們才知道，時間越往過去推，宇宙所佔的空間也隨之越小。能探測到公尺尺度的加速器，能模擬出太初零點幾秒時的狀況。與當時有關的重要問題，包括了所有自然力的統一、物質的起源、以及宇宙如何由目前我們尚無法探討的極微小時空誕生出來等。如果想深入探討更微小的世界，唯一的途徑是設計出更強而有力的儀器，以及獲得社會大眾的支持。

　　將指數往正的方向推進比較容易想像；人類就是生活在那些大數字所描述的宇宙裡。但必須記得，科學家在觀察橫跨46個數量級的宇宙時所遵守的規則：實驗是檢視思考是否正確的不二法門，而且實驗的結果必須接受公開的審查。但人類從未有過從宇宙外面觀察的實際經驗，因此根據規則，在這膨脹中的宇宙外面，既無空間也無時間。

　　從裡面看呢，宇宙半徑為光年，而且繼續在膨脹當中（當我們說「觀測到宇宙邊緣」時，我們等於在說看到宇宙剛誕生時的天文現象；因為宇宙自誕生後，便一直在膨脹，從沒停止過）。在過去的50年裡，望遠鏡往宇宙邊緣探索，追尋時空的膨脹，事實上等於在回溯宇宙膨脹的過程。結果，我們發覺以往的宇宙比現在更小、更密、更熱。比如說，我們在望遠鏡中看到，130億至140億年前所有星系曾發生過劇烈的變動。再往前進一步追溯，我們的儀器已經量測到凱氏3,000度的天文物體，這是宇宙誕生時爆炸的殘留物。這其中，一半靠著粒子物理學的實驗幫忙，據此發展出來的理論也告訴我們，到了宇宙最初的秒，整個宇宙半徑只有公尺。這是一個小得無法想像的宇宙。這幅圖畫也幫助我們想到，宇宙只能從裡面看，其外既無空間也無時間。當初，只有一個很重的核心，裡面一個星系也沒有，更不要說有人類了；裡面只有後來形成星系與人類的質-能。依目前最犀利的理論來推斷--其中一部分已有實驗證明--時空還曾經是個幾何上的點（沒有大小），其質-能密度為無限大。這已經接近虛無的狀態，非人類經驗所能及了。

（節錄自《科學人的年代》第一章「科學與科學家」，遠流出版）