加速膨脹中的宇宙──不可忽視的黑暗能量

【明慧網2005年1月10日】你可知道我們所存在的宇宙正在不斷的加速膨脹當中？在二十一世紀初的現在，最新天文觀測結果賦予我們的宇宙嶄新的詮釋。凡是探討宇宙起源及演化過程所衍生而成的一門學問，我們即稱之為「宇宙論」。然而，如何從許許多多天文觀測的數據中，思索及構造科學的宇宙觀是本世紀人類最大挑戰之一。

古代中國人認為盤古開天闢地，舊約聖經創世紀篇敘述神如何創造天地與萬物，對於宇宙的描述均脫離不了神學及哲學的思維。然而，科學的宇宙觀的建立，卻起源於二十世紀初（西元1929），美國天文學家哈伯（Edwin Hubble）嘗試觀測遙遠的星系所發射的星光，利用三稜鏡分光原理解析星系光譜，分析各波長（也就是，各種不同顏色的光）的光譜線相對明暗程度可了解星系的表面溫度，例如波長短較長的光（如紅光）光譜線較波長較短的光（如藍光）光譜線亮，代表星系表面溫度低；反之，則代表星系表面溫度高。然而，觀察結果發現有些波長的光的光譜線消失了，而成為星系特有的特徵暗線或吸收譜線。

我們知道每一種化學元素都會吸收某些波長的光。星系所發射的星光，某些波長會被周圍大氣氣體化學元素所吸收，其餘波長則會穿透星系周圍的大氣氣體而照射到地球，造成了連續光譜中特徵暗線或吸收譜線。因此，如果將這些星系吸收譜線和標準化學元素吸收光譜相比較，藉此了解星系周圍大氣氣體的化學元素組成。觀察結果可發現，星系特徵譜線的波長較相對應之標準化學元素光譜的波長要長些，換句話說，也就是星系特徵譜線的波長均往光譜紅色波長方向偏移，此現象我們稱之為「紅位移現象」。

甚麼樣的光源會造成光譜線波長的偏移？根據「多普勒效應」（Doppler effect）可解釋：當光源或聲源和觀測者之間有相對運動時，例如光源或聲源遠離觀測者時，光源或聲源所發射出的光波或聲波的波長，會較觀測者所接收到的光波或聲波波長要長些，頻率低要些。例如駛離我們的汽車，其引擎聲音頻率會變低，聲波的波長也會變長。因此，根據多普勒效應，我們可以知道遙遠的星系正在遠離地球。更進一步的分析可發現，離地球愈遠的星系，其遠離的速度愈快，這也就是所謂的「哈伯定律」（Hubble's law）。

「哈伯定律」證實了宇宙並非是完全靜止的，而是正處於迅速膨脹的狀態。例如離地球一億光年的星系（光在真空中行進一年的距離為一光年，約為九、五兆公里），遠離我們的速度約略為一百五十分之一光年，假設星系遠離我們的速度不變，時光倒流，則大約一百五十億光年前，我們和一億光年的星系處於同一點。又例如離地球二億光年的星系，遠離我們的速度約略為離地球一億光年的星系速度二倍，約為七十五分之一光年，則大約一百五十億光年前，我們和二億光年的星系處於同一點。因此，我們可推論一百五十億光年前，所有的星系均於同一點，此為宇宙的起源點。由此可估算宇宙的年齡大約為一百五十億光年。另一方面，星系的觀測主要是依靠各種波長的光的傳遞，且光速為物理訊息傳遞的速度上限，所此，我們可以說「可觀測的宇宙」是有限的，其大小約為一百五十億光年。哈伯觀測的結論可說是二十世紀宇宙論重大的突破之一，它同時也開啟了近代宇宙論實驗及理論的探討。然而，我們不禁要問：宇宙為甚麼會膨脹？

西元1965年，二位美國物理學家，威爾遜（Robert Wilson）與潘佳斯（Arno A. Penzias）在新澤西州（New Jersey State）的貝爾實驗室（Bell laboratory）發現了來自外太空中所有方向的「宇宙微波背景輻射」（Cosmic Microwave Background Radiation），輻射微波的波長約為0.05公分至10公分左右，因而榮獲1978諾貝爾物理獎。他們主要的貢獻是，我們知道任何有溫度的物體均會發射輻射，例如溫度為攝氏37度的人體所發射的輻射波長約為千分之一公分，屬於紅外線範圍，因為不在可見光的範圍之內（可見光波長為0.000001公分），所以肉眼看不到，需特殊光學配備才可偵測到。微波波段的輻射相當於攝氏負270度（凱氏溫度為3度），所以可推論宇宙現今的溫度為攝氏負270度，而造成各方向性輻射微波。因此，我們可以想像，當時光倒流，早期宇宙應為質量密度高的熾熱的火球，星系之間的重力吸引力或者萬有力無法克服熱膨脹效應，造成宇宙不斷膨脹及星系互相遠離與宇宙溫度不斷下降至今，餘溫為攝氏負270度，這為宇宙為甚麼會膨脹下了一個註腳。也因為星系之間的重力吸引力，宇宙應正在不斷的減速膨脹中。

宇宙如何膨脹？有膨脹中心嗎？我們在地球上可觀測到各方向性的宇宙輻射，這表示地球是膨脹中心嗎？答案是否定的。

觀測結果發現：在大約十億光年尺度下，星系的分布是均勻的，如果宇宙膨脹有膨脹中心，且距離膨脹中心愈遠的星系遠離膨脹中心愈快，會造成星系分布的不均勻性，而違反觀測結果。因此，宇宙膨脹是沒有特定的膨脹中心，每個星系均為宇宙膨脹中心。如何將宇宙膨脹圖象化呢？舉例而言，我們的宇宙生存在氣球表面上，氣球在充氣膨脹過程時，氣球表面上的每一點都可說是膨脹中心；換言之，在氣球表面上任何一點往各方向觀察，都可發現四週的點均遠離觀察位置，也就是每個星系均互相遠離，而且之間的距離愈來愈遠。

大約一百五十億年前，宇宙有個起源，它是質量密度高的熾熱的火球，而且不斷膨脹、冷卻至今。這樣的過程我們稱之為「標準宇宙模型」（Standard cosmological model），或「大爆炸模型」（big bang model）。

（原載東華大學物理諮詢網站）