【明慧网2005年1月10日】你可知道我们所存在的宇宙正在不断的加速膨胀当中？在二十一世纪初的现在，最新天文观测结果赋予我们的宇宙崭新的诠释。凡是探讨宇宙起源及演化过程所衍生而成的一门学问，我们即称之为“宇宙论”。然而，如何从许许多多天文观测的数据中，思索及构造科学的宇宙观是本世纪人类最大挑战之一。古代中国人认为盘古开天辟地，旧约圣经创世纪篇叙述神如何创造天地与万物，对于宇宙的描述均脱离不了神学及哲学的思维。然而，科学的宇宙观的建立，却起源于二十世纪初（西元1929），美国天文学家哈伯（Edwin Hubble）尝试观测遥远的星系所发射的星光，利用三棱镜分光原理解析星系光谱，分析各波长（也就是，各种不同颜色的光）的光谱线相对明暗程度可了解星系的表面温度，例如波长短较长的光（如红光）光谱线较波长较短的光（如蓝光）光谱线亮，代表星系表面温度低；反之，则代表星系表面温度高。然而，观察结果发现有些波长的光的光谱线消失了，而成为星系特有的特征暗线或吸收谱线。
我们知道每一种化学元素都会吸收某些波长的光。星系所发射的星光，某些波长会被周围大气气体化学元素所吸收，其余波长则会穿透星系周围的大气气体而照射到地球，造成了连续光谱中特征暗线或吸收谱线。因此，如果将这些星系吸收谱线和标准化学元素吸收光谱相比较，借此了解星系周围大气气体的化学元素组成。观察结果可发现，星系特征谱线的波长较相对应之标准化学元素光谱的波长要长些，换句话说，也就是星系特征谱线的波长均往光谱红色波长方向偏移，此现象我们称之为“红位移现象”。
什么样的光源会造成光谱线波长的偏移？根据“多普勒效应”（Doppler effect）可解释：当光源或声源和观测者之间有相对运动时，例如光源或声源远离观测者时，光源或声源所发射出的光波或声波的波长，会较观测者所接收到的光波或声波波长要长些，频率低要些。例如驶离我们的汽车，其引擎声音频率会变低，声波的波长也会变长。因此，根据多普勒效应，我们可以知道遥远的星系正在远离地球。更进一步的分析可发现，离地球愈远的星系，其远离的速度愈快，这也就是所谓的“哈伯定律”（Hubble's law）。
“哈伯定律”证实了宇宙并非是完全静止的，而是正处于迅速膨胀的状态。例如离地球一亿光年的星系（光在真空中行进一年的距离为一光年，约为九、五兆公里），远离我们的速度约略为一百五十分之一光年，假设星系远离我们的速度不变，时光倒流，则大约一百五十亿光年前，我们和一亿光年的星系处于同一点。又例如离地球二亿光年的星系，远离我们的速度约略为离地球一亿光年的星系速度二倍，约为七十五分之一光年，则大约一百五十亿光年前，我们和二亿光年的星系处于同一点。因此，我们可推论一百五十亿光年前，所有的星系均于同一点，此为宇宙的起源点。由此可估算宇宙的年龄大约为一百五十亿光年。另一方面，星系的观测主要是依靠各种波长的光的传递，且光速为物理讯息传递的速度上限，所此，我们可以说“可观测的宇宙”是有限的，其大小约为一百五十亿光年。哈伯观测的结论可说是二十世纪宇宙论重大的突破之一，它同时也开启了近代宇宙论实验及理论的探讨。然而，我们不禁要问：宇宙为什么会膨胀？
西元1965年，二位美国物理学家，威尔逊（Robert Wilson）与潘佳斯（Arno A. Penzias）在新泽西州（New Jersey State）的贝尔实验室（Bell laboratory）发现了来自外太空中所有方向的“宇宙微波背景辐射”（Cosmic Microwave Background Radiation），辐射微波的波长约为0.05公分至10公分左右，因而荣获1978诺贝尔物理奖。他们主要的贡献是，我们知道任何有温度的物体均会发射辐射，例如温度为摄氏37度的人体所发射的辐射波长约为千分之一公分，属于红外线范围，因为不在可见光的范围之内（可见光波长为0.000001公分），所以肉眼看不到，需特殊光学配备才可侦测到。微波波段的辐射相当于摄氏负270度（凯氏温度为3度），所以可推论宇宙现今的温度为摄氏负270度，而造成各方向性辐射微波。因此，我们可以想像，当时光倒流，早期宇宙应为质量密度高的炽热的火球，星系之间的重力吸引力或者万有力无法克服热膨胀效应，造成宇宙不断膨胀及星系互相远离与宇宙温度不断下降至今，余温为摄氏负270度，这为宇宙为什么会膨胀下了一个注脚。也因为星系之间的重力吸引力，宇宙应正在不断的减速膨胀中。
宇宙如何膨胀？有膨胀中心吗？我们在地球上可观测到各方向性的宇宙辐射，这表示地球是膨胀中心吗？答案是否定的。
观测结果发现：在大约十亿光年尺度下，星系的分布是均匀的，如果宇宙膨胀有膨胀中心，且距离膨胀中心愈远的星系远离膨胀中心愈快，会造成星系分布的不均匀性，而违反观测结果。因此，宇宙膨胀是没有特定的膨胀中心，每个星系均为宇宙膨胀中心。如何将宇宙膨胀图像化呢？举例而言，我们的宇宙生存在气球表面上，气球在充气膨胀过程时，气球表面上的每一点都可说是膨胀中心；换言之，在气球表面上任何一点往各方向观察，都可发现四周的点均远离观察位置，也就是每个星系均互相远离，而且之间的距离愈来愈远。
大约一百五十亿年前，宇宙有个起源，它是质量密度高的炽热的火球，而且不断膨胀、冷却至今。这样的过程我们称之为“标准宇宙模型”（Standard cosmological model），或“大爆炸模型”（big bang model）。
（原载东华大学物理咨询网站）
