宇 宙 一 致 性 原 理 ： 這 是 最 基 本 的 假 設 ， 基 本 得 很 多 書 已 把 它 當 成 太 理 所 當 然 而 不 被 列 出 。 我 們 假 設 人 類 所 知 的 物 理 定 律 ， 亦 普 遍 適 用 於 宇 宙 任 何 一 個 角 落 ， 沒 有 了 這 個 假 設 便 萬 事 皆 休 ， 甚 麼 天 文 物 理 便 會 失 去 一 切 意 義 。 遙 遠 恆 星 和 星 系 的 研 究 結 果 仍 然 支 持 這 個 假 設 。
均 勻 性 原 理 ： 這 個 原 理 假 設 宇 宙 的 物 質 是 均 勻 地 散 佈 在 整 個 宇 宙 內 。 若 我 們 只 看 宇 宙 局 部 地 方 ， 這 個 假 設 當 然 不 對 ， 例 如 在 太 陽 系 內 大 部 分 的 物 質 集 中 在 太 陽 身 上 ； 銀 河 系 內 大 部 分 的 恆 星 集 中 在 銀 盤 上 。 那 麼 究 竟 這 個 假 設 是 不 是 完 全 錯 誤 呢 ？
銀 河 系 是 本 星 系 團 其 中 一 員 ， 這 個 星 系 集 團 包 括 了 M31 仙 女 座 大 星 系 、 大 麥 哲 倫 雲 和 小 麥 哲 倫 雲 等 星 系 。 一 個 典 型 的 星 系 團 大 小 約 一 百 萬 秒 差 距 ， 包 含 大 約 1000 個 星 系 。 眾 多 星 系 團 又 再 組 成 一 個 橫 跨 1 億 秒 差 距 、 包 含 100 個 星 系 團 的 超 星 系 團 。 本 星 系 團 和 例 如 室 女 座 星 系 團 等 附 近 星 系 團 ， 便 組 成 了 稱 為 本 超 星 系 團 的 超 星 系 團 。
從 更 大 尺 度 來 看 ， 最 近 的 星 系 研 究 顯 示 ， 星 系 分 佈 有 天 文 學 家 稱 為 「 長 城 」 和 「 空 洞 」 的 大 尺 度 結 構 。 難 道 我 們 的 宇 宙 並 不 是 均 勻 的 ？ 雖 然 最 新 的 研 究 結 果 皆 顯 示 了 宇 宙 大 尺 度 結 構 的 存 在 ， 但 我 們 的 答 案 依 然 是 「 不 」 ， 我 們 仍 懷 疑 宇 宙 物 質 的 分 佈 在 更 大 更 大 尺 度 的 層 面 可 能 是 均 勻 的 。 無 論 如 何 ， 均 勻 性 原 理 大 大 簡 化 了 我 們 的 宇 宙 模 型 ， 讓 我 們 無 須 迷 失 於 複 雜 的 運 算 中 。
各 向 同 性 原 理 ： 這 個 原 理 假 設 無 論 我 們 向 宇 宙 哪 一 個 方 向 觀 察 ， 所 看 到 的 皆 會 差 不 多 。 各 向 同 性 和 均 勻 性 不 同 ， 宇 宙 可 以 是 均 勻 但 不 是 各 向 同 性 ， 或 各 向 同 性 但 不 是 均 勻 的 。
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
有 很 多 人 用 了 簡 單 的 方 法 回 答 這 個 問 題 ， 但 可 惜 絕 大 部 分 是 錯 的 。 正 確 的 解 答 應 該 是 由 於 光 線 需 要 時 間 到 達 地 球 ， 當 我 們 望 向 宇 宙 深 處 ， 我 們 其 實 不 單 止 在 看 一 些 遙 遠 的 物 體 ， 我 們 其 實 正 同 時 窺 伺 著 宇 宙 的 過 去 ， 結 果 只 要 超 越 某 一 距 離 仍 看 不 見 星 星 ， 那 麼 更 遠 之 處 亦 不 可 能 會 有 ， 因 為 在 這 之 前 宇 宙 中 還 末 有 恆 星 誕 生 ， 這 樣 便 能 解 決 奧 伯 斯 佯 謬 。 問 題 是 我 們 怎 麼 知 道 宇 宙 的 年 齡 是 有 限 的 呢 ？
我 們 通 常 用 z 來 表 示 紅 移 的 幅 度 ：
例 如 某 星 系 的 某 一 譜 線 波 長 為 515 納 米 ， 但 在 地 球 上 ， 同 一 譜 線 的 波 長 卻 為 500 納 米 ， 那 麼 波 長 的 變 化 為 15 納 米 ， 原 本 波 長 為 500 納 米 ， 所 以 紅 移 量 z 等 於 0.03 。
紅 移 是 由 多 普 勒 效 應 造 成 的 ， 所 以 星 系 紅 移 越 大 ，
表 示 它 正 以 更 高 的 速 度 遠 離 我 們 。 只 要 遠 離 我 們 的 速 度
比 光 速 低 得 多 ， 便 可 用 以 下 公 式 找 出 星 系 的 退 行 速 度 v ：
公 式 中 的 c 為 光 速 ， 即 約 3x108 米 / 秒 。 把 數 值 代 入 ， 便 可 以 得 出 以 上 例 子 的 星 系 退 行 速 度 為 每 秒 九 千 公 里 。
假 若 星 系 運 動 的 方 向 是 隨 機 的 ， 那 麼 應 該 有 一 半 的 星 系
正 在 遠 離 我 們 ， 另 一 半 則 接 近 我 們 ， 但 結 果 實 在
出 人 意 表 ， 哈 勃 發 現 不 單 絕 大 部 分 星 系 正 在 遠 離 我 們 ，
而 且 它 們 的 退 行 速 度 和 與 地 球 的 距 離 成 正 比 ， 這 個 關 係
可 以 下 式 表 示 ：
公 式 中 的 H 是 一 個 比 例 常 數 ， 我 們 稱 之 為 哈 勃 常 數 ， 而 這 個 定 律 稱 為 哈 勃 定 律 。 簡 單 來 說 ， 這 個 定 律 說 星 系 離 我 們 越 遠 ， 遠 離 我 們 的 速 度 越 高 。 哈 勃 常 數 可 能 是 最 難 以 量 度 的 天 文 參 數 ， 不 同 的 天 文 學 家 用 不 同 的 方 法 ， 得 出 不 同 的 結 果 ， 計 算 出 的 數 值 由 50 公 里 / 秒 / 百 萬 秒 差 距 至 100 公 里 / 秒 / 百 萬 秒 差 距 不 等 ， 現 在 最 被 廣 泛 接 受 的 數 值 約 為 60 公 里 / 秒 / 百 萬 秒 差 距 。 假 若 我 們 可 以 準 確 得 出 哈 勃 常 數 ， 那 麼 我 們 便 可 以 輕 易 利 用 它 計 算 出 星 系 的 距 離 。 例 如 上 例 中 的 星 系 ， 如 果 哈 勃 常 數 是 60 的 話 ， 它 便 距 離 地 球 150 百 萬 秒 差 距 。
某 程 度 上 來 說 ， 宇 宙 的 演 化 有 如 烘 葡 萄 乾 麵 包 ， 隨 著 麵 包 不 斷 脹 大 ， 葡 萄 乾 的 距 離 亦 不 斷 增 加 。 假 若 你 是 其 中 一 顆 葡 萄 乾 上 的 螞 蟻 ， 你 會 看 見 所 有 葡 萄 乾 皆 離 你 越 來 越 遠 ， 同 時 ， 離 你 越 遠 的 葡 萄 乾 ， 離 開 你 的 速 度 亦 越 快 。
大 爆 炸 理 論 亦 解 釋 了 宇 宙 紅 移 。 一 個 遙 遠 的 星 系 ， 由 於 它 的 光 線 需 要 更 長 的 時 間 才 能 到 達 地 球 ， 在 光 線 進 行 的 時 間 裡 ， 宇 宙 的 膨 脹 會 把 光 子 的 波 長 拉 長 。
利 用 大 爆 炸 理 論 亦 可 以 估 算 宇 宙 的 年 齡 ， 由 於 我 們 知 道 星 系 的 退 行 速 度 ， 只 要 我 們 來 一 個 倒 鏡 ， 計 算 所 有 星 系 回 到 原 點 所 需 的 時 間 ， 便 可 得 出 宇 宙 的 年 齡 ， 結 果 是 大 約 有 150 億 年 ( 1.5x1010 年 ) 。
宇 宙 的 質 量 密 度 決 定 了 宇 宙 的 命 運 ， 假 若 質 量 密 度 大 過 某 一 稱 為 臨 界 密 度 的 數 值 ， 引 力 便 足 以 使 宇 宙 停 止 膨 脹 ， 並 令 它 重 新 收 縮 ， 這 稱 為 封 閉 宇 宙 ； 若 質 量 密 度 比 臨 界 值 少 ， 宇 宙 便 會 無 休 止 地 膨 脹 ， 我 們 稱 之 為 開 放 宇 宙 ； 最 後 若 密 度 和 臨 界 值 一 樣 ， 便 會 得 出 一 個 平 坦 而 開 放 的 宇 宙 。
封 閉 宇 宙 就 好 像 球 體 的 表 面 ， 大 小 有 限 但 無 邊 。 開 放 宇 宙 是 無 限 大 的 ， 而 它 的 幾 何 特 性 和 雙 曲 面 相 似 。 宇 宙 的 幾 何 特 性 會 影 響 三 角 形 的 內 角 和 ， 但 這 牽 涉 到 非 歐 幾 理 得 幾 何 ， 篇 幅 所 限 ， 我 們 不 能 作 深 入 探 討 。
要 準 確 量 度 宇 宙 的 質 量 密 度 非 常 困 難 ， 最 大 的 障 礙 來 自 宇 宙 的 黑 暗 物 質 ， 這 些 物 質 眼 不 能 見 ， 我 們 仍 無 法 準 確 估 計 它 們 的 數 量 ， 引 力 透 鏡 效 應 雖 然 對 估 計 宇 宙 空 間 物 質 的 質 量 有 點 幫 助 ， 但 仍 不 足 夠 。 另 一 個 大 難 題 是 究 竟 中 微 子 有 沒 有 質 量 ？ 由 於 宇 宙 有 大 量 中 微 子 ， 即 使 每 顆 中 微 子 的 重 量 微 不 足 道 ， 但 累 積 起 來 的 數 目 卻 絕 不 能 小 覷 。
總 括 來 說 ， 雖 然 最 新 的 研 究 表 示 我 們 可 能 在 一 個 開 放 的 宇 宙 內 ﹐ 但 我 們 仍 不 能 肯 定 ﹐ 天 文 學 家 仍 需 努 力 。
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