哈伯定律(Hubble's law)
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把望遠鏡對準一個又一個星系,測量它們的光,一個驚人的規律浮現:幾乎每個星系都在遠離我們,而且愈遠的星系逃得愈快。愛德文·哈伯在 1929 年發現了這件事,它回答了我們能問的最古老問題之一:宇宙是靜止的,還是在變化?誠實的解讀不是我們正坐在一場宇宙大爆炸的中心,而是空間本身正在伸展,像發酵麵糰裡的葡萄乾一樣把星系彼此拉開,於是從任何一個星系看出去,景象都是一樣的。
這條定律說:星系的退行速度 v 與它的距離 d 成正比,寫成 v = H_0 d,其中 H_0 是哈伯常數,也就是當前的膨脹率,量得約為每百萬秒差距 70 km/s(一百萬秒差距約為 326 萬光年)。這個正比關係正是均勻膨脹的指紋:如果宇宙中每一段距離每秒都以相同的比例增長,那麼愈遠的天體退行得愈快,這恰恰就是 v = H_0 d 所說的。其倒數 1/H_0 給出膨脹的粗略時間尺度,量級與宇宙年齡相當,約 138 億年。
一個關鍵的提醒:這種退行並不是穿過空間的普通運動,因此對遙遠星系而言,v 在形式上可以超過光速而不違反相對論,因為是我們與它之間的空間在膨脹,而不是星系在空間中滑行。H_0 在今天是空間上的一個常數,但並非時間上的常數;而且它確實有爭議:距離階梯法測得約 73,宇宙微波背景則推得約 67,這道落差稱為哈伯張力(Hubble tension),可能正指向新的物理。
一個位於 100 百萬秒差距外的星系,退行速度約為 v = 70 x 100 = 7000 km/s,約為光速的 2.3%。它的光抵達時發生紅移,天文學家測量該紅移,就能同時讀出它的速度,並經由這條定律讀出它的距離。
距離進、速度出:哈伯定律把紅移變成一把宇宙量尺。
儘管宇宙在膨脹,鄰近星系仍可能朝我們靠近,因為局部的重力勝過了宇宙流;仙女座星系呈藍移,未來將與銀河系相撞。哈伯定律描述的是平均的膨脹,而非任一近鄰的個別運動。