上次我說了黑洞和相對論，今天我要繼續談談與前兩者互有關連的大霹靂。
在進入主題之前，我想稍微說明一下，「什麼叫做溫度？」如果可以想像溫度，會比較容易了解大霹靂的理論……。
各位平常會說「溫度很高」，但是，各位知道究竟什麼是「溫度」嗎？溫度指的是「能量的密度」。一個有限的空間中，聚集了多少能量呢？將它用數字表現出來，就是溫度。「某空間飄浮粒子能量的平均密度」。
例如，下圖有兩張聚集了粒子的圖片(圖 29 AB)。箭頭表示速度（運動能），兩張圖的箭頭方向和大小都完全一樣，只是 A 圖的粒子相互靠近，B 圖則分散。A 是溫度高的狀態，B 是溫度低的狀態。即使每個粒子攜帶的能量都完全相同，但只要空間大小不同，就稱之為「溫度不同」。換句話說，溫度的差別端視粒子飄浮的空間是緊密還是空曠來做區別。散布在寬敞空間溫度較低。
坐電車通勤的朋友，夏天早上通勤很難受吧。車廂內擠沙丁魚又悶又熱，相反的，到了深夜時就空盪盪，乘客分散開來，就不會那麼熱了。每個人的能量（一個人散發的熱量）雖然相同，但溫度會因為空間大小和能量密度而有差別。這個印象請各位先記下來。
順便一提，你們知道空調也是利用這個原理嗎？
冷氣機裡有一種氣體叫冷媒，它會在室內機和室外機之間來來去去（圖 30）。室外機壓縮冷媒，冷媒的溫度會變得極高，然後再藉由接觸外面空氣，讓冷媒降溫（熱只會從高處向低處傳播，所以若是刻意不讓它熱的話，就無法丟棄）。
重點來了。當冷媒從室外進入室內機時，會將它從壓縮解放開來（壓力回歸），於是它便膨脹變冷。
就好像要把熱騰騰的湯麵呼呼吹冷一樣， 將口中壓縮的空氣，從壓縮中解放，回到原有的氣壓時，就會膨脹而（呼氣）變冷。但如果不壓縮，而在同樣氣壓下吐出（像是呵氣），就不會變冷。像這樣，局部急速膨脹，又變冷的冷媒，與室內空氣接觸，就會令室內變得涼快。
這個「急速擴張」的現象，會與大霹靂的理論相關，所以也請各位先記在腦中。
掉落的蘋果與不掉落的月球
再請你們思考一個現象，把它當成另一個預備知識。為什麼月球不會掉到地球上呢？
回答這個問題的是艾薩克．牛頓（Isaac Newton，圖 31）。他是個很有名的物理學家，相信很多人都知道他。他最偉大的成就，就是歸納出「運動定律」。當時最為人所知的是「克卜勒定律」。行星依據這個定律在運行，但原因為何呢？人們還無法了解它的機制。然而牛頓解開了它的機制。
物理學家的工作，就是對世間發生的現象，解開它的原因，了解它的機制，並且給予系統化的理由。
我們常常聽到牛頓看到蘋果掉落而發現重力的故事。那個是後人附會的創作，與其說牛頓思考蘋果掉落的原因，倒不如說他想的是「為什麼天空的星星不會掉下來」。而且得出一個非常簡單的結論。那就是：「它們都在動。」
我畫一個地球與人造衛星的圖（圖 31）。人造衛星若是靜止，當然會因為重力而墜落地球。但是，只要它保持某種速度，速度（運動能量）與重力（引力）就能維持抗衡狀態，在地球周圍繞行。速度太快的話，會飛向宇宙，速度太慢就會被重力吸引而墜落地球。為了不要掉下來，它必須得卯足全力的保持平衡才行。
而就在牛頓思考為什麼星星不會墜落？為什麼行星繞著太陽周圍轉時，想出了「運動定律」。
星星為何散布在宇宙間？
好，現在開始進入今天的主題。上一回我們介紹了廣義相對論和愛因斯坦方程式（圖 32），大概只讓各位認識「有這麼一個方程式」，但它其實是個計算有多少質量，就會造成空間多大扭曲的方程式。
以「空間的扭曲」來表現重力，是廣義相對論的新創意，以前牛頓所想到的萬有引力，只說到有重量的物體，彼此會互相吸引。但在廣義相對論裡提到，空間本身會彎曲。所以像光那種沒有質量的物質，也會受到重力的影響。
將愛因斯坦方程式套用在整個宇宙時—雖然他本人也察覺到—當時的人發現了一件事：「這麼說的話……如果置之不理，星星互相拉引，最後豈不是全都凝結在一起了嗎？」
也就是說，如果在只有重力運作的空間，星球彼此會互相吸引，朝著凝結方向演進，而不會像現在這樣散布開來。歸根究柢，為什麼現在的宇宙，物質(星球)會這樣散布，而不是凝結在一起呢？
當然，同樣的質疑在牛頓力學中也成立。萬有引力—意味著所有物體都有引力，因此問題也是相同的。只是，在牛頓的時代，最多只注意到行星運動的程度，還沒有思考到全宇宙的問題。直到愛因斯坦的方程式出現，好不容易宣告「這是決定全宇宙的方程式哦」時，大家才想到：「欸，不太對耶。」
因此，愛因斯坦為了反駁這個論點，加入了「宇宙常數」這一項。因為「宇宙常數」這種排斥的力量，宇宙才能運行。
宇宙常數？
可是這個方程式出現各種問題，最大的問題在於「宇宙常數是什麼」？有些人認為：「宇宙中真的有排斥的力量？怎麼可以把不明的物體放入方程式裡呢？」
而且這個「排斥的力量」必須與「重力」完全保持平衡才行。只有和重力維持平衡狀態，天體才能處在現在的狀態—既不過分擴張，也不過度密合—完美的散布且安定的狀態。就像最前面說的人造衛星運動一樣，必須與重力維持完美的平衡，但「真的有那麼恰到好處的力量嗎？」
根據廣義相對論可以知道，質量會扭曲空間（愛丁頓在日食時做的重力透鏡實驗也證明了這一點），但是，若是如此，就與現在宇宙的狀態出現矛盾……。為解決這個矛盾，千辛萬苦加入了這個「宇宙常數」，結果卻反而招致批評。
後來—今天待會兒會說—世人明瞭宇宙一直在擴張，如果宇宙本身就在擴大的話，就不會發生因為重力互相吸引，聚合到一個點的問題。星球一直在運動，所以形成現在這種散布的狀態。也就是說，很明顯的宇宙常數是多餘的數。愛因斯坦很後悔的說：「這真是我人生最大的失敗……真不該放進這種東西。」連愛因斯坦都會搞錯呢……。
近年來，一般人也都認為，宇宙常數不能用了……但後來又發現並非如此。
從球丟出去到球落下來的幾億年瞬間
證明方程式不需要「宇宙常數」的是愛德溫．哈伯（Edwin Hubble）。哈伯經由觀測，證明了天體本身在移動—朝著某一方向遠去，也就是說宇宙在膨脹。在地球上，物體通常都會因為重力而落到地面（圖 33 ☜），但是，如果加入速度的話，就有可能反重力的前進（圖 33 ☚）。
我們都還活在「上升的瞬間」──只不過在宇宙時間中的「瞬間」，卻是數億年。至於為什麼星球並沒有因為重力影響而聚合，而是向遠處移動，因為我們剛好只看到現在這個飛上去的瞬間而已。這是哈伯的看法。
哈伯從哪裡知道星球都在遠離呢？ 因為他研究了各個天體的速度。在宇宙中，各個天體是以什麼樣的速度在移動呢？星星的光是在氫氣燃燒變成氦氣時發生的。人們了解了星星燃燒的原理，所以也經由地球上的物理學實驗，了解了星球上發生的光的波長。他們認為星星應該會發出這種波長的光。
但是，觀測這種波長的光會不會到達地球時，實際卻比預測偏移。（圖 34）全體都向著波長較長者偏移了。波長會使光產生不同的顏色，但全體都向紅色的方向（波長較長者＝能量低）。
發生了什麼事呢？我們如果用聲音（音的波長）來想想比較容易了解。救護車靠近時，警笛聲會比停車時聽起來音調更高，但遠離時，聲音會漸漸變低。聲音的波長會因耳朵與救護車的相對速度──接近或是遠離──而有變化。因為遠離時，波長會變長，這叫做都卜勒效應。
所有星星到達地球的光，會比那些星星原本發出的波長，更向紅色（波長較長）的方向偏移（這叫做「紅移」）。
也就是說，所有的天體都在遠離我們的意思。哈伯經由觀測，證明了這個現象。
你一定聽過黑洞、時間旅行、暗物質、蟲洞、希格斯粒子、空間扭曲、相對論……但你真的「知道」那是什麼嗎？快跟著《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》吧！（本書由 聯經出版）
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