【宇宙學9】為何我們說宇宙在膨脹？認識光譜和哈勃定律
抬頭望天，你會覺得星星好像固定不動，但科學家透過仔細觀察光和距離，發現整個宇宙其實在變大——而且這並不是直覺上的「星星互相飛走」，而是空間本身在伸展。以下用生活化的例子一步步拆解：光譜怎樣告訴我們距離和速度、哈勃定律的意義、為何愛因斯坦曾加入所謂的宇宙項，還有膨脹和大爆炸的直觀理解。
從光的顏色看速度：紅移、藍移與多普勒效應
想像救護車經過時那個警笛聲，高音會在靠近你的時候變尖、遠離時變低，這是多普勒效應：波的頻率隨著波源與觀察者相對運動而改變。光也是波，所以同樣會發生多普勒效應。如果一個光源往我們靠近，光的頻率會偏高，我們看到的光會偏藍（藍移）；若它遠離我們，頻率變低，光會偏紅（紅移）。
不只是顏色變化，天文學家會把星光拆成像彩虹一樣的光譜，光譜上出現一條條特定的暗線或亮線（吸收或發射線），每一種元素（例如氫、氦）都有自己固定的位置。實驗室裡的氫原子和遙遠星體中的氫原子，其光譜線位置本來是相同的，因為這些位置由原子的能階決定（量子力學的結果），和遠近無關。當我們觀察到這些已知位置的光譜線整體向紅色一側移動時，就知道那個星系正在遠離我們。
哈勃的觀察：速度跟距離成正比的驚人發現
哈勃在20世紀初收集了很多銀河的光譜，並嘗試找出每個銀河的距離（用造父變星等變亮變暗的特性，以及視差等方法來估算）。他把「遠離速度」（由紅移估算）對上「距離」，畫成圖表——這就是著名的哈勃圖（Hubble Diagram）。結果顯示一個簡單而有力的趨勢：越遠的銀河，遠離的速度越大。這個關係大致可以用一條直線連起來，也就是我們常說的哈勃定律：速度與距離成正比。
哈勃的樣本當時只覆蓋宇宙的一小部分，但科學上的一項重要假設是「宇宙學原理」：在大尺度上，宇宙是均勻且各向同性的，也就是說從任何一個位置看，整體的宇宙性質應該差不多。若哈勃在地球觀測到銀河普遍遠離，那麼換個位置觀測，原理上也會看到類似現象。
膨脹的直觀比喻：在氣球上畫點
要理解哈勃定律真正代表什麼，氣球比喻非常好用：想像在一個未充氣的氣球表面畫幾個點代表銀河，當你吹氣時，氣球表面伸展，點與點之間的距離增加。重要的是：不論你站在哪一個點上看，其他點都在遠離你，而且越遠的點增距越多。這正好對應哈勃觀察到的「距離越大，遠離速度越快」的現象。
這個比喻也指出一個關鍵：並不是銀河自己像火箭一樣穿過空間離開別的銀河，而是空間本身在膨脹，攜帶著銀河一起移動。尺度小到我們日常感受的房子、地球、太陽系，因為有結合的引力或其他作用，並不會隨宇宙膨脹而被拉開；但在非常大的尺度上（星系間尺度），膨脹就成為主導效果。
愛因斯坦、宇宙項與靜態宇宙的誘惑
在廣義相對論裡，愛因斯坦寫下了一套描述時空與物質如何互動的方程（不需要深入公式，只要知道方程決定時空的動態）。一開始愛因斯坦偏好一個靜止、不變的宇宙，為了讓方程允許這樣的解，他在方程中加入了一個「宇宙常數」（cosmological constant）。數學上，這像在方程裡放一個可以調整的常數，使得引力對抗這常數而達到平衡，讓宇宙可暫時不膨脹也不收縮。
但當哈勃的觀測顯示宇宙在膨脹後，愛因斯坦認為他原先加的那一項不是必需，因此把它視為一個「不必要的修正」。後來科學界發現，宇宙常數在現代宇宙學裡仍有重要角色（例如用來描述觀測到的加速膨脹），但關鍵是：哈勃的觀測改變了人們對宇宙是否靜止的看法。
從膨脹到大爆炸：向過去回推的結果
如果宇宙現在在膨脹，我們可以把這個過程沿時間反轉想像：過去的宇宙比現在更小、更密、更熱。把膨脹一直往回推，可以到一個非常緻密、非常小的起點——這便是大爆炸理論的基本觀念。重要的是，哈勃定律本身並不直接描述「爆炸」，而是說明宇宙尺度在變化，為大爆炸模型提供了首要的觀察基礎。
後來的觀測（例如微波背景輻射、宇宙元素豐度）補強了大爆炸的框架，但這些都是基於那個最早的、簡單的事實：我們在大尺度上看到整個宇宙在膨脹。
現代觀測與進一步驗證
從哈勃時代到現在，儀器大幅進步：視覺望遠鏡、紅外線、射電與太空望遠鏡（例如哈勃太空望遠鏡）讓我們能看到更遠、更早期的銀河，並測量它們的紅移。統計樣本變大、距離測量更精準，哈勃定律的核心觀察越來越堅固。另外，科學家也發現膨脹本身並不是簡單的「均速膨脹」，而是在不同時期有不同速度變化，這與宇宙中物質、輻射及類似宇宙常數的成分有關。
日常比喻與常見誤解
幾個容易混淆的點：第一，膨脹不是指我們在地球看到星星「飛走」，而是空間本身的尺度增加；第二，膨脹對於像太陽系或我們的直觀物件影響微乎其微，因為它們被其他力量（例如引力和電磁力）緊緊綁在一起；第三，宇宙膨脹不需要有一個中心點——在氣球比喻中，任何一個點看出去都會看到其他點遠離，沒有一個獨特的「中心」。
總結來說，哈勃的觀察把光譜中的紅移、距離測量和統計圖表結合起來，讓我們第一個能夠科學地宣告：宇宙在膨脹。廣義相對論提供了描述時空動態的理論框架，宇宙常數則是方程裡的一個可調項，曾被用來追求靜態解，但膨脹的觀測使我們改以動態宇宙為主流觀念。從這些基礎出發，科學家再加上更多觀測，建立出我們今天所知的大爆炸宇宙模型。
理解這些核心觀念後，再看天上的星光，就會知道它們不只是美麗的點，而是攜帶著一段關於空間、時間與過去的故事。
