如何知道宇宙正在變大，還是變小？

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文／鄭可安國立臺北教育大學自然科學教育學系四年級 2020-12-31 10:00

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文／鄭可安國立臺北教育大學自然科學教育學系四年級
宇宙是遠超乎我們想像的巨大空間，它的廣大程度已經不是單純的長、寬、高三個向度就可以輕易描述的，因為宇宙的存在，才將古典物理認定的三維空間概念，擴增為加入時間向度的四維時空。
既然我們以時空來描述宇宙，是不是說明宇宙的起源和時間，有著莫大的關聯性呢？沒錯，即便宇宙已經是巨大的難以估量的空間，它仍在時間的洪流中不停消長。
透過天文望遠鏡的觀測，天文學家發現當地面向宇宙中的星系發射電磁波時，有些接收到的反射頻率會偏向波長較短的藍色端，有些則會偏向波長較長的紅色端，這種現象稱為藍移／紅移。
愈近愈急愈遠愈緩
什麼是紅移和藍移？舉例來說，當我們在路上遇到急駛而過的救護車，在經過的當下，我們會感覺救護車的鳴笛聲特別急促。但當它駛離的距離愈來愈遠，就會覺得警示聲好像愈來愈平緩，直到再也聽不到救護車的聲音，這種急促、平緩感受的轉換，就是人體所感知到的頻率。
聲音需要透過空氣傳遞，傳播的速度也是固定的，當救護車往前一段距離，鳴笛聲要傳遞到我們耳朵的距離就跟著變短。這時候，停留原地的我們收到第一段警笛聲後，因為救護車持續接近的關係，下一段的聲音會在很短的時間內進到我們耳中。
所以，在同樣一段時間內，救護車接近與遠離時，我們所接收到的警笛頻率是不同的，接近時頻率高，遠離時頻率低。
縮小藍移擴大紅移
而當我們觀測宇宙中的不同星系，回收的電磁波波長之所以發生變化，也是因為星系與觀測者間的距離，發生悄悄的改變。當觀測結果偏向藍移，代表收到的電磁波頻率變短，觀測的星系正向我們靠近；反之，當目標星系正在逐漸拉遠與地球的距離，使電磁波的回傳頻率變低，波長變長，自然使得觀測結果偏向紅移。
那麼，為什麼宇宙會平白無故的發生藍移和紅移呢？目前科學家普遍認為主因是宇宙各處，反覆發生恆星的誕生和殞落過程。當恆星誕生時，能量聚集所帶來的爆炸衝擊，足以使周遭的星系向反方向移動（紅移）；反之，當恆星殞落時，由內部開始發生塌陷，形成極具吞噬能力的小型黑洞，吞噬周圍的時空，使得周遭星系的距離縮短（藍移）。
紅移和藍移的趨勢顯示宇宙，屬傾向擴張或收縮的階段，在我們頭頂這片廣大天空外的世界，正以我們難以察覺的速度在進行著變化，是不是很有趣呢？

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