阿衡的探秘地圖

　　西元1929年，天文學家哈伯（Edwin Hubble）發現，星系遠離地球的速度（v）和該星系與地球的距離（d）成正比：v＝Hd。其中，H為哈伯常數。

【Edwin Hubble發現哈伯定律】

　　哈伯定律（Hubble's Law）是支持大霹靂理論的重要現象，證明了宇宙正在膨脹中，並依此回溯「宇宙從一個密度極大、溫度極高的太初狀態開始」的必然推論。宇宙彷彿從一個熱點開始爆炸，然後逐漸膨脹並降溫直到現在，大霹靂（Big Bang）之名也因此而來。

【Big Bang Expansion】

　　根據哈伯定律，宇宙並非以單一的速度在膨脹，有的星系以每秒1000公里的速度遠離我們，而距離兩倍遠的星系則是每秒2000公里，以此類推。換句話說，距離地球越遠的星系，遠離我們的速度越快，而且沒有上限。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，這個距離就叫做「哈伯距離」……等等！星系後退的速度比光速還快？這不就表示哈伯定律是錯的嗎？

　　Question：哈伯定律不是表示了星系後退的速度是會比光速快的，這裡為什麼說「表示哈伯定律是錯的」呢？

　　因為愛因斯坦的狹義相對論（Special Theory of Relativity）說：「沒有任何物體的速度可以超過光速」。光速為一個常數，代表任何物體移動速度的極限。若狹義相對論是正確的，那「星系比光速快」不就違反了狹義相對論？所以，哈伯定律是錯的嗎？

【Albert Einstein創建相對論】

　　狹義相對論和哈伯定律對「速度」的觀念是不一樣的，也就是定義不同。「狹義相對論的速度」是物體在空間中穿梭的運動速度，而「哈伯定律的速度」則是由空間膨脹所導致的遠離速度，並不是在空間中的運動。

　　簡單來說，我們可把宇宙比喻成氣球，人類所居住的地球就位在氣球皮上，當宇宙（氣球）不斷膨脹，空間（氣球皮）中的兩個星系（氣球皮上的兩個點）就會不斷彼此遠離。雖然相對彼此有「距離的改變」，但實際上兩者仍處在「原地」，並非真正自發性的移動穿梭，而是「空間」膨脹造成了彼此互相遠離的現象。類比搭車的例子，坐在車上的乘客移動了嗎？非也，是汽車載著乘客去移動的。

【Star Trek：The Next Generation】

　　如果您有看過風靡一時的影集Star Trek（台視譯名「銀河飛龍」，現有電影「星際爭霸戰」系列），企業號的「曲速引擎」科技就是驅使空間膨脹來達成宇宙旅行。利用空間膨脹，並沒有違背狹義相對論。

【「銀河級」企業號NSS-1701-D】

　　所以，狹義相對論、哈伯定律的「速度」是兩回事。狹義相對論說「沒有任何東西能跑得比光速快」這件事還是對的，而哈伯定律說宇宙不斷膨脹，利用空間膨脹所造成「星系比光速快」的現象依然合理。結論，哈伯定律不是錯的。

　　根據哈伯定律所做的觀測顯示，宇宙膨脹的速度會隨著時間而改變。「光子本來是無法接近我們的，不過哈伯距離並不是一個常數，它會增加，而且會擴大範圍到把光子包含進來。在這種情形下，光子就可以逐漸接近我們，最後到達這裡。」

　　Question：光子（是指跟光有關係的吧？）為什麼本來是無法接近我們的？如果光子來自於在哈伯距離以內的地方，不是總有一天到得了嗎？因為上文曾有提：「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。」哈伯距離大約是140億光年，那為什麼哈伯距離會增加還會擴大呢？而且在哈伯距離以外的光子，不是應該永遠無法接近我們嗎？因為光子離開的速度比來的速度更快？還是我對「光子」的理解大錯特錯了？

　　雖然「光子」和「光線」不太一樣，不過由於「波動－粒子二象性（Wave-Particle Duality）」，我們還是可以把光子當成「光波」來揣摩。在您的問題中，這段話的意思可以另外簡單敘述成：在哈伯距離以內的範圍，不論從哪個星系發出的光線，最後一定可以被地球上的我們觀測到。

【哈伯距離與可觀測、無法觀測的宇宙】

　　哈伯距離可看作是一條「臨界」，這條臨界以光速遠離我們，所以在臨界以外的星系所發出的光線，是無法被在地球上的我們所觀測到。就像我開著我的汽車以時速100公里追逐大於時速100公里以上駕車的您，我將無法追上，我們永遠無法相會。同樣的概念，在哈伯距離以外的星系，因為遠離我們速度比光線射向我們的速度還快，所以光子（光線）無法接近我們，無法讓我們觀測到。

　　但「哈伯距離是增加的」，因為「宇宙膨脹的速率會隨時間而改變」，換句話說，哈伯常數H會改變。由哈伯定律：星系遠離我們的速度（v），與距離（d）成正比，即v＝Hd。當v＝C（光速），Hd就是一個定值，以現今宇宙觀測而言，哈伯距離＝d＝140億光年。若哈伯常數H改變時，當H變大，d就變小，而H變小，d就變大。

　　若以直覺推論，大霹靂過後的宇宙必定逐漸冷卻與降溫，星系遠離的速度終會減慢，哈伯常數將趨向變小，所以哈伯距離將趨向「變大」、「增加」，在「原來的哈伯距離」以外的星系，將逐漸進入「增加後的哈伯距離」之內。也就是說，宇宙膨脹的速度將會趨緩，星系遠離我們速度會小於光線射向我們的速度，光子就可以逐漸接近我們，最後到達這裡，於是我們就能觀測到星系了。

　　然而，根據自西元1998年以來的觀測與實驗，卻讓許多天文學家非常驚訝，數據顯示宇宙目前仍正在「加速膨脹（Accelerating）」中。

【各種宇宙演化的模型】

　　哈伯常數是否恆為定值，目前仍在爭議，但現今已有Ia超新星標準亮度紅移測量、宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background；CMB）等觀測證據支持宇宙加速膨脹的論點，說明哈伯常數不再為常數，而是隨時間變化的數值，也就是說，宇宙膨脹的速度將隨著宇宙演化而改變。

【宇宙微波背景（CMB）】

　　宇宙加速膨脹的現象，或許表示宇宙現今仍在「向外活潑擴張」，尚未到達減速膨脹的階段，抑或空間中還存在某種未知的「黑暗能量（Dark Energy）」分布，使得宇宙蘊含的能量比我們想像還要大很多，導致了「異常」的加速膨脹現象。

　　黑暗能量目前依然是未知領域，不能否認，膨脹中的宇宙將會有超乎人類已知的物理現象發生，畢竟宇宙實在是太過浩瀚遼闊了。受到距離和光速的限制，我們使用望遠鏡所觀測到的並非「現在」而是「過去」的宇宙，「現在」的宇宙中正在發生什麼事？人類如此渺小，地球上的我們宛如滄海一粟，誰又能知道呢？