中年發福,不外乎是運動太少,飲食太好,隨著年紀的增長,身體的新陳代謝變慢,只進不出,變胖是免不了的。宇宙的發福就不一樣,宇宙的總能量是不變的,沒有額外的能量注入宇宙內,但宇宙仍舊不斷地發福、不斷地膨脹。宇宙膨脹算是很新的觀念,即便是愛因斯坦也曾認為宇宙是靜態的,不變的,直到天文學家哈柏觀測證據的出現,證實了宇宙是膨脹,成了宇宙大霹靂學說的重要證據之一。
該如何想像一個膨脹的宇宙?首先我們看看哈柏有怎樣的證據顯示宇宙正在膨脹。之前我們提到哈柏測量出仙女座星系的距離,得知星系是在銀河的外頭。除了可以測量距離外,天文學家還有辦法知道星系沿著我們視線方向的運動速度,這得靠19世紀奧地利數學家都卜勒的發現。都卜勒發現產生聲波的來源如果和收聽者有相對運動,聲波的頻率會依照相對運動的速度大小而改變,現稱之為都卜勒效應。
我們經常在馬路上遇到都卜勒效應,如,救護車拉著警報快速通過我們的時候,警報聲的音調會有顯著的變化。如果救護車朝著我們靠近,然後通過我們而遠去,在通過我們的一瞬間,聽到的警報聲會從高音調(高頻率)轉成低音調(低頻率)。這就是聲波的都卜勒效應,警報來源朝我們靠近的時候,聲波會趨向短波(高頻率),當遠離我們的時候,聲波則是趨向長波(低頻率)。
光也有都卜勒效應,在可見光範圍,藍光屬於短波高頻率的光,紅光則是長波低頻率的光,如果發光源朝向我們前進,我們看到的光會趨向藍光(短波、高頻率),一遠離我們,就趨向紅光(長波、低頻率)。趨向藍光,我們稱之為藍移,反之稱為紅移,我們在日常生活中不容易看到這種現象,因為相對運動的速度太小,但星系的運動速度很快,這種紅移和藍移的現象就很明顯。哈柏利用星光的都卜勒效應計算出星系的視向速度,將星系的距離和視向速度畫在圖表上,他發現一個驚人的規律,大多數的星系都是遠離我們的,並且離我們愈遠的星系,遠離我們的速度愈大(如圖一),這就是所謂的哈柏定律。
圖一、哈柏測量星系的距離和速度,,所得到關連(秒差距是天文常用的距離單位,一個秒差距大約3.26光年)。 圖/曾耀寰提供
圖中的每一個點代表一個星系,愈靠近右邊,代表離我們愈遠。愈靠近上面,遠離我們的速度愈大。藍線條表示愈遠的星系、遠離速度愈大,從圖一的黑點分布,可以清楚看見這種趨勢。哈柏定律代表了宇宙的某種特性─一個爆炸性的宇宙,現在的問題是宇宙如何譗爆炸豃。想像宇宙是從某一點開始,像爆竹般爆炸,爆竹碎片四散紛飛,站在爆炸點的位置,檢查飛出去的碎片距離和飛離速度,離爆炸點愈遠的碎片,由於速度較大,所以跑得比較遠,這和哈柏定律的特徵相同。這是否意味我們的地球又在宇宙中心?根據以往的經驗,我們不該再夢想地球處在宇宙的中心,一定有其他的方式解釋哈柏定律。
讓我們換個角度想像我們的宇宙,如果宇宙像個熱包子,一開始師傅揉好的包子比較小,當放入蒸籠加熱,包子膨脹起來(如圖二)。如果師傅在包子上畫了五個綠點,膨脹後的包子,五個點之間的距離也被拉長。假如站在任何一點上,觀察其他各點,也都滿足哈柏定律的特性—離得愈遠,遠離速度愈大,這是因為整個包子變大,綠點和綠點之間的距離都拉長了,從任一個點看其他綠點,離較遠的綠點,拉長的尺寸愈多,遠離速度當然也快了些。地球沒有必要站在宇宙的中心。
圖二、蒸籠熱過後的包子,整個包子變大了。 圖/曾耀寰提供
「 這次閉關靜坐的時候,我一度進入了一種很深的寂靜,我的周圍只有光,時間、空間都不存在了,我似乎觸到了師父從未指點過的境地。」電影
「 臥虎藏龍
」中李慕白緩緩地說道。宇宙的開端的確如此,現今理論認為時間和空間在大霹靂之後才開始產生,我們很難描述空間的全部之外還會有什麼,也不知道沒有時間之前發生了什麼事,天文學家從觀測結果和理論知道宇宙是從一點開始產生,並不斷地膨脹,天文學家努力的結果似乎應了余秀蓮所說:
「你得道了!」