DDS027-「宇宙膨脹說」

前文（DDS023-「宇宙有多大？」）針對「宇宙」的大小以及其形貌，做了扼要的說明。接下來，對「宇宙」這個科學議題，有興趣的讀者，可能會追著問，「宇宙」從「大爆炸（Big Bang）」的瞬間之後，就是這麼大嗎？還是它是隨著時間，由小逐漸變大的？假如是這樣的話，它還在持續變大下去嗎？而且最終會變成什麼樣子？就這樣無窮盡的，繼續變大下去嗎？坦白說，要回答你這一連串的問題，真的是會累死我的，但是既然你肯問，我也只好打起精神，「勉為其難」的試著回答你〔註：主要是因為，這些科學知識，並非我的專業，算是我自己惹來的，怪不了誰，是「命苦」也好，是「業障」也好，反正每個人總要學會「承擔」，當然其中容或有解釋不周，甚或謬誤的地方，也請方家不吝惠予指正。〕

其實，你這一連串問題，也正是「宇宙膨脹（cosmological expansion）」學說的主要內容和範疇，我常說：「做科研不難，難的是，你要問對問題，只要問對了問題，好的成果自然就出來了。」單就這一點來說，你算是初步「達陣」了，也給你自己按個「讚」吧！

早在 1920 年代後期，哈伯（Edwin  Hubble）教授首度發現，在地表上觀測，來自我們鄰近各銀河系的光線，其所造成的不同「紅移（redshift）」現象和該等銀河離我們地球的距離，存在著一個良好的比例關係（此關係現今通稱為「哈伯定律（Hubble Law）」）。自此之後，幾經修正演變，就形成了，現今天文學界普遍接受的「宇宙膨脹說」的基礎。邇至近來，科學家進而發現，「宇宙」不但自「大爆炸（Big Bang；見我部落格前文DDS006 和 DDS007）」以來持續膨脹，而且其膨脹速率愈來愈快，也就是說，我們現今的「宇宙」，正在持續不斷的加速膨脹中。下圖（from: http://majikphil.blogspot.tw/2012/03/how-big-is-universe.html）所示即是「宇宙膨脹說」的示意圖。

其次，要注意的是，以上所說的「宇宙膨脹」，指的是目前、當下的情況，在未來，隨著時間的繼續增進，「宇宙」還是會像現在這樣，持續加速膨脹下去嗎？還是到了未來某個時間點，它將以等速膨脹下去呢？甚至，是否有可能反而以減速的方式，開始收縮了呢？針對這三種可能的情形，天文學家們也提出了三個不同的可能模式（possible models of the expanding universe；參見下圖，credit: NASA and ESA）。注意該圖中的縱軸為時間，黃色箭頭所指的位置，即是目前「宇宙」的大小狀態，最右邊的圖，代表的是「繼續加速的宇宙（accelerating universe）」，中間的圖，代表的是「以等速率繼續加速的宇宙（coasting universe）」，最左邊的兩個圖，則代表「宇宙」將以減速的方式進行下去（即「減速的宇宙（decelerating universe」），後者又可分為兩種可能情形，一是持續減速，整個「宇宙」最終又回到如「大爆炸（Big Bang）」初始時一樣，另一則是，「宇宙」減速到了未來某個時間點後，又以等速繼續無限延持下去。這些不同的「模式」，有個最根本的不同點，那就是「宇宙」由初始演化到現今，所歷經的時間不同：「加速的宇宙（accelerating universe)」歷時最久，「等速的宇宙（coasting universe)」居次，而「減速的宇宙（decelerating universe)」為時最短，也就是說，依各不同模式，推算的「宇宙」年齡各有不同〔註：目前科學家咸認同的「宇宙」年齡為 138.2 億年；見我部落格前文DDS006-「大爆炸理論 (I)」〕。

此外，更要注意的是，「宇宙膨脹說」的精義指的是，「宇宙」中含有的各種大小不一銀河系的空間（space），基本上是靜止不動的（stationary），但彼此間卻隨著「宇宙」的持續膨脹，而相互遠離而去。在這裡，容我特別提醒讀者，千萬不要被誤導，以為「宇宙膨脹說」指的是各個星體，因為「宇宙」膨脹，而相互日漸遠離，要真是這樣的話，那我們地球和太陽或月亮的距離，不是會相距愈來愈遠嗎？你知道，事實上，並不是這樣的，我們銀河系（包括我們的太陽系）的空間，是靜止不動的，只是它和其他鄰近銀河的距離，相距愈來愈遠而己！換句話說，你要能清楚的區別，「空間（space）」和「宇宙（universe）」，這兩個字意上的不同，更清楚說，那就是「空間」是不會膨脹的，膨脹的只是「宇宙」而已。下圖（credit: Eugenio Bianchi, Carlo Rovelli & Rocky Kolb）以氣球為例，希望能有助於你，對這個概念的釐清和了解，該圖中的氣球代表「宇宙」，而氣球表面的白斑點，代表的是不同的銀河系，當氣球變得愈大時（表「宇宙」不斷膨脹），氣球表面的各個白斑點，基本上，並沒改變（即變大），但其與其他各白斑點的距離，卻變得愈來相距愈遠了。

以上即然談到了「宇宙膨脹說」，接下來的問題，當然不外是，「宇宙」的「膨脹速率（rate of expansion）」到底有多快？要回答這個問題，就不得不再進一步了解，所謂的「哈伯定律（Hubble Law）」，因為「膨脹速率」通常均以「哈伯常數（Hubble Constaant）」來表示。依據「哈伯」定律的公式：v = H_o x d，其中 v 是任一銀河系離我們地球而去的速度（以 km/sec 表之），d 是兩者間的距離（在天文學上以 Megaparsec (Mpc) 表之，每一個 Mpc 等於 326 萬光年，也就是等於 3.09 x 10¹⁹ 公里），而比例常數 H_o 即為「哈伯常數」，其單位為(km/sec)/Mpc（kilometers per second per Megaparsec）。這個簡單的公式，清楚的告訴我們，離我們愈遠的銀河系（galaxy），其遠離我們而去的速度愈快〔請參見下圖中，各銀河系（共有 1,355 個）離地球的「距離」與其個別「速度」的線性關係，該圖來自實際的觀測結果，因而也證實了「哈伯定律」的正確性；from: “Introduction to Modern Cosmology” by A. Liddle〕。

在過去數十年間，不同的天文學者，依據不同觀測工具所得的數據結果，推估此「哈伯常數」的值，介於 50 (km/sec)/Mpc 到 100 (km/sec)/Mpc 之間，目前大家公認最佳的實測值為 73.8 (km/sec)/Mpc （含約 3% 的誤差），但今年 3 月 21 日，「卜朗刻（Planck）」衛星，測得的最新數據為 67.80 ± 0.77 (km/sec)/Mpc。這些不斷更新的數值，彰顯了測量「宇宙」膨脹速度之困難，主要是因為它一直在持續加速膨脹中，你根本無法找到一個絶對靜止的參考座標去觀測，不管如何，依目前所得的「哈伯常數」而言，「宇宙」中各不同銀河系，依其距地球遠近的距離，大約以 70 (km/sec)/Mpc 的速度遠離我們而去。

最後，必需一提的是，即使如此，但是迄今還是有些學者，並不完全苟同此種看法。例如，Christof Wetterich（德國海德堡大學的理論天文物理學家），今年 7 月 16 日，就在Nature News（doi:10.1038/nature.2013.13379）上，提出他的不同論點：我們慣常之所以認為「宇宙」在膨脹，主要是因為，當我們觀測來自不同銀河星系，其所熾射出來的光時，這些光的「頻率（frequency）」，會偏向光譜上低頻（即紅色）的方向偏移（即所謂的「紅移（redshift）」現象）。但是，因為熾射出這些光的原子（atoms），其組成粒子（particles）的「質量」，也能影響到其光的「頻率」（「質量」愈重，「頻率」愈高），因此，當我們觀測來自遠方星系的光時，若其組成粒子（特別是電子）的「質量」，在「宇宙」窄始時較輕，但隨著「宇宙」年齡的增加，逐漸變得較重，這也能讓我們觀測者，偵測到同樣的「紅移（redshift）」現象，進而誤以為是遠方的星系，正在遠離我們而去。當然，這是另一種新的看法，還有待日後更多的科學印證〔註：有人認為Wetterich教授的這種看法，若未來能証實是正確的，那將是天文學上，自哥白尼（Nicolaus Copernicus；西元1473-1543年）、伽俐略（Galileo Galilei；西元 1564-1642年）、刻卜勒（Johannes Kepler；西元 1571-1630年）、牛頓（Issac Newton；西元 1642-11727年）、愛因斯坦（Albert Einstein；西元 1879-1955年）、哈伯（Edwin Hubble；西元 1889-1953年）後，又一次的大革命〕。