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2019-03-01空間膨脹如何影響可觀測宇宙
591 期
Author 作者
李沃龍／目前任教於臺灣師範大學物理系，研究興趣主要在宇宙學相關的議題。
宇宙學是研究宇宙整體起源與演化的特殊物理科學。由於宇宙獨一無二的特性，宇宙學與其它物理學門最顯著的不同就是：人們只能透過觀測並建構理論模型來理解宇宙的起源與演化，無法重覆其它實驗驗證關於宇宙的理論假設。空間膨脹指的是宇宙中任意2觀測者間的距離隨時間累計而增加的現象，這個概念是現代宇宙學主流學說大霹靂（Big Bang）模型的基礎，其具體表現就是所謂的哈伯－勒梅特定律（Hubble-Lemaître law）：遙遠星系的退行速度（recession velocity）與它們和地球間的距離成正比，愈遠離地球的星系，其退行速度就愈大。
由於重力作為自然界的基本作用力，本質上並不穩定，就邏輯而言，宇宙空間不斷膨脹擴張是以廣義相對論描述重力，並將其運用於大尺度時空的必然結論。但愛因斯坦在1917 年發表的宇宙學論文中，由於欠缺實際證據而拒絕動態宇宙的觀念，引入自創的宇宙常數（cosmological constant）建構出符合靜態宇宙模型，直到多年後才自承錯誤。經過一個世紀的科技進展，大霹靂宇宙已成為現代公民的基本科學素養。
宇宙紅移和時間膨脹
空間膨脹對觀測最直接的衝擊是，其改變人們所測量到來自遙遠天體的光波波長：由於光波隨著空間擴張被拉扯，整個波長展延偏向電磁波譜的紅色端，這個現象稱作宇宙紅移（cosmological redshift）。一般所觀察到的波長擴增量相對於原波長的比例稱為紅移（圖一）。
宇宙紅移會影響人們對時間流速的測定。當觀測遙遠的天文事件時，會發現事件的進程受空間擴張的影響而變慢，稱為「時間膨脹效應」。假設某遙遠天體在某個時刻朝地球的方向發出一道連續的電磁脈衝，根據狹義相對論，電磁波在真空中以有限的固定光速傳播。當此電磁脈衝穿越廣闊太空時，空間中任2點間的距離已擴大，使得每個脈衝訊號需耗費更多時間才能抵達觀測者，造成脈衝振盪的週期變長，所測得的事件進程增加時間，相較於事件發生處原始進程時間的比例，恰與紅移量一致（圖二）。因此，事件發生的位置愈遠，所測得的事件進程就愈緩慢，此現象已在遙遠超新星事件中被證實。
圖一:遙遠天體發出波長為λ的光波，由於受到空間膨脹的拉扯，所觀測到的波長延伸成λ0。波長的擴增量（λ0-λ）比上原波長即為紅移z。
著名的天文學家茲威基（Fritz Zwicky）曾於1929年提出了一個古怪而有趣的概念──光線老化（tired light），並試圖將宇宙紅移的現象歸因於「光線穿越靜態空間需耗費大批能量，導致觀測到的都是疲累不堪且波長已被延展的電磁波」，而非空間膨脹的效應。倘若採納此假說，就有必要解釋為何波長迥異的光源具有相同的紅移，而疲憊的光線也難以闡明上述超新星爆發的時間膨脹效應。......【更多內容請閱讀科學月刊第591期】