宇宙的膨脹

宇宙膨脹現在已是不可爭論的事實，一般來說，科學家都認為，由於引力的緣故，膨脹的速度會不斷減慢，但是新的觀測顯示，宇宙膨脹正在加速。

究竟如何測定宇宙膨脹的速度呢？一個方法是測量星系光譜的紅移 (redshift) [1] 以求得它遠離我們的速度，再測量它對應的距離。1929年哈勃 (Edwin P. Hubble) 通過研究24個星系的譜線 (spectral lines)，發現這些星系遠離我們的速度是和距離成正比的 (圖一)，這個比例便是大家經常聽到的哈勃常數 (Hubble's constant)。哈勃常數越大，代表宇宙的膨脹速度越快。

然而宇宙不是等速膨脹的，所以不同時期的哈勃常數便有所不同。我們不可能回到十億年前，觀測當時星系的後退速度與距離的比例，幸而我們仍可以通過觀測遙遠星系的後退速度與距離的比例，來計算從前宇宙膨脹速度 (比方說，我們今天看到一個十億光年外的星系的光，是十億年前發出的，因此我們看到的其實是該星系十億年前的面貌)。

星系遠離我們的速度可從紅移量得知，但如何求得它們的距離呢？原來哈勃等人假設星系的總光量 (intrinsic brightness) [2] 是大致相同的。那些看來亮一點的離開我們較近，暗的則較遠；不過問題來了，不同種類和大小的星系有不同的總光量，尤其是數十億光年外的星系 (即「遠古」的星系)，其總光量和近距離星系的總光量有很大分別，所以要觀測這類星系的後退速度與距離比例有很大的困難。


圖二 宇宙膨脹速度隨時間變化的示意圖。(a) 宇宙的膨脹速度正隨時間減慢，(b) 宇宙正加速膨脹，即以往宇宙膨脹的速度小於現在宇宙膨脹的速度 。


近十年來，科學家對一種名為 Ia 型超新星 (type-Ia supernova) 的研究，令解決這問題露出曙光。Ia 型超新星是這樣形成的：兩顆星互相繞著對方旋轉，其中一顆星 (伴星) 的物質會被慢慢吸引到另一顆即將爆發的星上，當累積的質量超過某個臨界值時，這顆星便會產生超新星爆發。所有 Ia 型超新星爆發時光度都會達到約相同的極大值，由於越遠的東西看起來越暗，所以通過在地球上觀察這類星體爆發，科學家便可以推斷該星體所身處的星系與我們的距離。兩組分別來自澳洲與美國的研究人員，便利用這種變星的特性，來計算遙遠星系的退行速度與距離比例。結果發現，求得的退行速度與距離比例較小。換句話說，以往宇宙膨脹的速度竟小於現在宇宙膨脹的速度 (圖二)。

研究人員曾賞試以不同的理論解釋這一現象，若最終不能提出令人滿意的解釋，科學家最後可能要承認，宇宙真的正在加速膨脹。果真如此，那麼到底是什麼力量令它加速膨脹呢？是否需要重新引入廢棄以久的宇宙常數 (cosmological constant) [3] 呢？

現在這問題還有待討論，而宇宙是否真的加速膨脹，亦有侍更先進的技術，讓科學家們作出更精確的測量，觀察更遙遠的星體加以驗証。


註:
紅移 (redshift): 離我們遠去的物體所發出的光，其波長會變得較長，由於波長較長的光波偏向紅色，所以這種現象便叫做紅移。
總光量 (intrinsic brightness): 一個星體每秒釋放出的輻射能量。
宇宙常數 (cosmological constant): 愛因斯坦使用廣義相對論的埸方程 (field equation) 建構宇宙模型，並發現這個方程的解暗示宇宙的大小正在改變，換句話說，如果宇宙不是正在膨脹，就是正在收縮。愛因斯坦認為宇宙大小應保持不變, 因此在其埸方程中加入一個宇宙常數, 以致方程的解給出一個穩定的宇宙模型。但是哈勃的觀測結果顯示宇宙的確正在膨脹，愛因斯坦因此認為宇宙常數是他一生中最大的錯誤。

參考資料：
方勵之和李淑嫻，<<宇宙的創生>>
C. J. Hogan, R. P. Kirshmen & N. B.Suntzeff , Surveying Space-time with Supernova, Scientific American, Jananary 1999, p 46-51.
Discovery of a Supernova Explosion. Nature, Vol391, p51-54, Jananary 1 , 1998

其實幾個月前都有人問 史提芬.霍金 呢個問題，雖然佢個人極力主張呢個學說，
但連佢自己都無法以「牛頓力學定律」去解釋造成宇宙膨漲嘅第一次爆炸從何而來。
所以只好開玩笑說是上帝在擲骰子！再追問他是否信有上帝，他只說 Maybe ，是 Maybe 信定係 Maybe 有！唔肯答！！

可見佢都因為無答案而避免正面回答！

呢個問題暫時唔會有人答到你。因為科學家都研究緊呢個課題。

事實上，究竟宇宙會否無止鏡膨脹？還是最終會停下來？甚至會否反過來塌縮？科學家尚未有結論。

但以目前的天文觀測，宇宙暫時仍然不斷膨脹中，非但未有慢下來的跡象，還反而膨脹得越來越越快。