住在仙女座星系或更遠處的觀測者,也有他們各自的可見宇宙,和我們的有所重疊,卻不太一樣。仙女座星系的居民可以看得到我們看不見的星系,不過這只是因為他們離那些星系比我們稍微近一點所佔的便宜,反之亦然。而他們的可見宇宙也曾經只有葡萄柚般的大小。因此,我們可以把早期宇宙想成是水果攤上一堆往各個方向無窮延伸的葡萄柚。而大霹靂很「小」這個觀念也是會引起誤會的。整個空間其實可以是無限大的。把一個無限大的空間縮小任意倍,它還是無限大的。
後退得比光速還快
另一類誤解牽涉到對於膨脹的定量敘述。1929年,美國天文學家哈伯(Edwin Hubble)發現,星系間距離的增加率,遵守一個特殊的形式:星系遠離我們的速度(v),和它與我們的距離(d)成正比,即v=Hd。其中的比例常數H,就是所謂的哈伯常數,它可以把空間向外延伸的快慢予以量化,不只針對我們周遭,也適用於宇宙中所有觀測者的周圍。
有的人對於某些星系不遵守哈伯定律這件事感到困惑。事實上,最鄰近我們的大型星系──仙女座星系,就是朝著我們移動,而非遠離。會有這樣的例外,乃是因為哈伯定律所描述的只是星系的平均行為。星系在成群的整體運動外,也可以有適度的局部運動,並受彼此間的重力牽引──銀河系和仙女座星系之間就是如此。遙遠的星系也會有微小的局部運動,不過從我們的觀點來看(距離很遠,d的值很大),這些散亂的 局部速度在與極大的遠離速度(v)相較之下,顯得極不明顯。因此對於那些星系來說,哈伯定律是相當準確的。
在光子行進的同時,它所行經的空間也在膨脹。在它到達我們之前,與其來源星系的 距離,會比根據其旅行時間所做的簡單計算結果還要來得大——大了約三倍。
<請注意,根據哈伯定律,宇宙並不是以單一的速度膨脹。有的星系以每秒1000公里的速度遠離我們,有些(距離兩倍遠的那些)則是每秒2000 公里,以此類推。事實上哈伯定律預測,在某個距離以外的星系,後退的速度會比光速快,這個距離叫做哈伯距離。由量測到的哈伯常數值來 推斷,這個距離大約是140億光年遠。
這個「星系比光速快」的預言,不就表示哈伯定律是錯的嗎?愛因斯坦的狹義相對論不是說沒有任何物體的速度可以超過光速嗎?這個問題困 惑了一代代的莘莘學子。正確的解答是,狹義相對論只適用於「正常」定義下的速度──也就是在空間中穿梭的運動。而哈伯定律中所謂的速 度,是由空間膨脹所導致的遠離速度,並不是在空間中的運動。那是一種廣義相對論效應,並不受狹義相對論的極限所限制。具有比光速快的 遠離速度,並沒有違反狹義相對論。沒有任何東西能跑得比光速快這件事,還是對的。
拉長與冷卻
對於宇宙膨脹的首次觀測,是在1910~30年間。就如同在實驗室中所測量到的,原子會放出或吸收特定波長的光。從遙遠星系傳來的光,其光 譜也會呈現出相同的圖樣,只不過這些圖樣會往較長的波長偏移。於是天文學家就說星系的光「紅移」了。對此的解釋很簡單:當空間膨脹時 ,光波隨著被拉長了。如果在光波旅行的過程中,宇宙的大小膨脹了兩倍,光波的波長就會變成兩倍,能量則減為二分之一。
【意猶未盡嗎?欲閱讀完整全文,請參閱科學人2005年4月號〈你也誤會了大霹靂?〉】
來自
http://www.sciam.com.tw/read/reads...653&DocNo=1049