哈伯定律─距離越遠的星系，以越快的速度遠離我們：《宇宙黎明》選摘（3）

1920年，就在哈伯以造父變星的量測星系距離之前，有一場天文學的「世紀大辯論」隆重登場。兩位重量級的天文學家激烈爭辯仙女座星雲等「螺旋星雲」的地位，其中哈洛．沙普利（Harlow Shapley，1885-1972）主張銀河系就是整個宇宙，所以螺旋星雲是銀河系內的天體；希伯．柯蒂斯（Heber Doust Curtis，1872-1942）則主張螺旋星雲是銀河之外的「島宇宙」，亦即銀河系不是宇宙中唯一的星系。兩位科學家都提出有力的觀測證據，辯論難分軒輊。

1923年，哈伯利用造父變星測距，終於為這場辯論公平裁判。哈伯的觀測證實，仙女座大星雲其實是銀河系外的另一個星系，所以我們的銀河系並不等同於整個宇宙，只是宇宙中的其中一個星系而已。雖然當時哈伯的測量數據有不小的誤差，但是至少正確判斷出仙女座星系與銀河系的相對距離。這項測量結果證實銀河系只是宇宙中其中一個星系，徹底改變人類的宇宙觀。

而後，哈伯繼續在威爾遜山天文台，利用造父變星測距。1929年，哈伯發表了一篇非常重要的論文，名稱是〈銀河系外星雲之距離與徑向速度關係〉（A Relation between Distance and RadialVelocity among Extra-Galactic Nebulae）。在這項研究中，哈伯利用多顆造父變星，測定所屬星系（當時稱為銀河系外星雲）的距離，並且與徑向速度的觀測數據相比較（圖1.5）。在此之前，美國天文學家維斯托．斯萊弗（Vesto Slipher，1875-1969）以光譜測量星系的徑向速度，而這些資料在哈伯的研究中派上用場。哈伯將自己測得的距離與斯萊弗測得的速度比較，發現一個美妙的關係：星系距離與遠離我們的速度竟然呈現正比關係！這個關係後來稱為哈伯定律（Hubble's law），而距離與速度之間的比例常數稱為哈伯常數（Hubble constant）。

哈伯定律的意思是說，距離我們越遠的星系，以越快的速度遠離我們。要理解哈伯定律，我們可以用氣球來做一個簡易的演示（圖1.6）。請你在氣球表面貼上一些小珠子代表星系，接著把氣球吹開。氣球在膨脹的過程中，你會發覺星系之間創造出新的空間，把各星系彼此拉開。氣球上不論是哪個星系，都會看到所有星系正在遠離它。而且，若以任意一個星系上觀察者為基準，距離他越遠的星系，遠離他的速度就會越快。宇宙中的星系就是如此，當宇宙持續膨脹，每個星系都會看到其他所有星系都在遠離它，而且距離越遠的星系遠離得越快。 （相關報導： 星光不會消失，只是改由其他氣體重新發出：《宇宙黎明》選摘（2） ｜ 更多文章 ）

近年來，有些學者留意到，比利時科學家喬治．勒梅特（Georges Lemaître，1894-1966）的貢獻可能被哈伯的鋒芒給掩蓋了。早在哈伯提出正比關係的分析結果前，勒梅特在1927年發表一篇論文，從廣義相對論推導出的宇宙學方程式推論，宇宙膨脹下會看到星系遠離。他也初步運用斯萊弗與哈伯的觀測數據，算出了哈伯常數。不過，這篇文章只發表在比利時的法文期刊上，觸及率非常低。2018年，國際天文聯合會在維也納召開大會中投票表決，建議改用「哈伯－勒梅特定律」（Hubble–Lemaître law）取代「哈伯定律」一詞，並以78%的同意票數通過決議。國際天文聯合會最著名的投票決議大概是2006年冥王星除名，而2018年再度以投票方式做出決定。

如今人們普遍接受，大爆炸（big bang）學說是宇宙膨脹的最佳解釋。大爆炸學說認為，宇宙的演化具有時間上起源，最初是極小的高溫、高密度狀態，由於不斷膨脹而演變成今天的狀態。宇宙膨脹的過程中持續創造新的時空，使得宇宙內的星系逐漸遠離。

我們需要注意，發現宇宙膨脹不等於證實大爆炸學說。除了大爆炸學說以外，曾有其他宇宙模型嘗試解釋宇宙膨脹。大爆炸學說在科學界成為共識，是在哈伯－勒梅特定律發現三十幾年後的1960年代，宇宙微波背景輻射的觀測證據出爐以後才形成。

從「大爆炸」這個詞彙的發明，就可知道在上個世紀中葉，這個學說曾被認為是多麼荒謬。事實上，「大爆炸」一詞並不是由提倡這個理論的學者創造，反而是由反對派發明。

1949年，英國天文學家弗雷德．霍伊爾（Fred Hoyle，1915-2001）在BBC廣播節目上描述，某一套理論假設宇宙中的所有物質是在遠古的一次「大爆炸」中創造出來。事實上，霍伊爾是大爆炸理論的反對派，所以當他在節目上創造了「大爆炸」這個詞彙，被認為帶有嘲諷貶抑的意思。事後霍伊爾澄清，他僅是以誇張手法向聽眾比喻，目的只是解釋兩個理論的差別，並非貶抑對手。無論如何解讀這件事，霍伊爾創造出的詞語，後來演變成為敵對學說的通用名詞。

霍伊爾主張的理論，是與大爆炸競爭的另一種宇宙模型—穩態理論（steady-state theory）。穩態理論同意宇宙正在膨脹，但是不認為宇宙演化有個起點，宇宙更不是由高溫、高密度的極小空間膨脹開來。簡單來說，穩態理論認為宇宙膨脹不會改變整體的溫度、密度等物理性質，而是不斷創造新的物質，來保持宇宙中相同的物理狀態（圖1.7）。具體而言，這套理論認為，當星系隨著宇宙膨脹而遠離，中間就會創造出新的星系來填充空隙，使得宇宙中的星系密度保持不變。

穩態理論的主張者認為，大爆炸理論隱含著宇宙從一個奇點誕生，是不合理的推論。的確，宇宙若從密度無限大的奇點誕生，這個想法違反一般物理直覺。其實，當今建立在大爆炸模型的主流宇宙學理論，通常已不再假定宇宙的起源是個奇點，而是運用量子力學修正宇宙誕生最初期的物理，不過這是後話了。在上個世紀中葉，大爆炸與穩態理論都能解釋宇宙膨脹，所以兩套宇宙論一度激烈競爭。下一章我們會說明，宇宙微波背景輻射發現後，兩個學說終於分出勝負，至今大爆炸成為宇宙學的普遍共識。不過，向讀者公布關鍵證據之前，現在我們暫且相信大爆炸是正確的，一起來重新解析夜空悖論。 （相關報導： 星光不會消失，只是改由其他氣體重新發出：《宇宙黎明》選摘（2） ｜ 更多文章 ）

＊作者歐柏昇，國立臺灣大學物理學系博士、歷史學系學士。現為中央研究院天文及天文物理研究所博士後研究學者、德國海德堡理論研究所訪問科學家，《科學月刊》編輯委員。本文選自作者新著《宇宙黎明》（允晨文化）