騷亂中的世界第二重:哈勃宇宙

■ 嚴(yán)小平

哈勃在威爾遜山上用過的254厘米口徑的胡克望遠(yuǎn)鏡

令我們驚奇的是，我們已經(jīng)看到，1900年以后，許多物理學(xué)家仍在否認(rèn)原子的存在?，F(xiàn)在，再次令我們驚奇的是，二個(gè)令人震驚的發(fā)現(xiàn)動(dòng)搖了1900年—1930年間的宇宙學(xué)。不僅當(dāng)時(shí)令人震驚，而且今天同樣令人震驚，科學(xué)家竟然比一個(gè)世紀(jì)前思考的還要少。

首先，已經(jīng)證實(shí)我們的小小太陽(yáng)不是宇宙的中心。許多（不是全部）科學(xué)家一直堅(jiān)持16世紀(jì)初哥白尼的觀點(diǎn)，直到20世紀(jì)20年代愛德溫·哈勃和其他天文學(xué)家的觀測(cè)結(jié)果出來，才有證據(jù)證明哥白尼的錯(cuò)誤。

第二，哈勃確認(rèn)（在他之前已有人宣布過）銀河系并不是全部宇宙，相反，宇宙是由許多星系組成的，我們的銀河系只是其中微不足道的一個(gè)很小的星系。換句話說，銀河系之外有一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)。這是本文基于引力猜想的主要思想。

哈勃的結(jié)構(gòu)是我們現(xiàn)在所稱宇宙，不同于我們的區(qū)域性星系島。新的巨型反射望遠(yuǎn)鏡開始收集遙遠(yuǎn)恒星的光。1917年，洛杉磯威爾遜山上254厘米口徑的胡克望遠(yuǎn)鏡看見了第一縷光，成為哈勃獨(dú)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)的主要來源。1949年，在哈勃的指導(dǎo)下，圣地亞哥帕洛瑪山的508厘米口徑的霍爾望遠(yuǎn)鏡看到了第一縷光。20世紀(jì)20年代，利用胡克望遠(yuǎn)鏡，哈勃和彌爾頓·L.赫普森發(fā)現(xiàn)了遙遠(yuǎn)星系中的紅移。

一個(gè)世紀(jì)前，天文學(xué)領(lǐng)域一場(chǎng)“大辯論”正熱火朝天，從1900年延續(xù)到20世紀(jì)30年代。20世紀(jì)初，大多數(shù)人，包括一些天文學(xué)家仍相信我們的銀河系就是整個(gè)宇宙的日心說，并且，令人驚訝的，他們認(rèn)為我們的太陽(yáng)位于這個(gè)宇宙的中心！

“大辯論”發(fā)生在1920年。偉大的天文學(xué)家哈洛·沙普利 （1885—1972）不僅提出太陽(yáng)不是宇宙的中心，而且認(rèn)為整個(gè)宇宙由銀河系和周圍的一些螺旋星云組成。他的反對(duì)者、杰出的天文學(xué)家希柏·柯蒂斯（1872—1942） 認(rèn)為，太陽(yáng)位于銀河系中心或中心附近，但銀河系只是許多星系中的一個(gè)小星系。每個(gè)人都有他們自己的理解，結(jié)果，部分是對(duì)的，部分是錯(cuò)的。

從1900年—1930年，宇宙學(xué)和天文學(xué)一直變幻不定。也許這是現(xiàn)代混亂局面將持續(xù)多久的指示器。

新的巨型望遠(yuǎn)鏡看見了第一縷光并凝視著宇宙。在如何理解這個(gè)宇宙方面，它們所看見的東西引發(fā)了一場(chǎng)革命。當(dāng)1917年254厘米口徑的胡克望遠(yuǎn)鏡看見第一縷光的時(shí)候，一位名叫愛德溫·哈勃 （1889—1953） 的年輕天文學(xué)家開始了一系列即將改變?nèi)祟悓?duì)宇宙理解的觀測(cè)和計(jì)算。

鏈 接

1929年，E.P.哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系視向退行速度v與距離d成正比，即距離越遠(yuǎn)，視向速度越大。

哈勃定律是物理宇宙論的陳述：來自遙遠(yuǎn)星系光線的紅移與他們的距離成正比。這條定律是哈柏和米爾頓·修默生在接近十年的觀測(cè)之后，于1929年首先公式化的。它被認(rèn)為是在擴(kuò)展空間范例上的第一個(gè)觀察依據(jù)，和今天經(jīng)常被援引作為支持大爆炸宇宙學(xué)的一個(gè)重要證據(jù)。這個(gè)常數(shù)的最佳數(shù)值是在2003年使用人造衛(wèi)星威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP） 測(cè)得的，數(shù)值為71±4 km s-1 Mpc-1。在2006年的資料中對(duì)應(yīng)的是77 km s-1 Mpc-1。

在宇宙學(xué)研究中，哈勃定律成為宇宙膨脹理論的基礎(chǔ)。但哈勃定律中的速度和距離均是間接觀測(cè)得到的量。速度——距離關(guān)系和速度——視星等關(guān)系，是建立在觀測(cè)紅移——視星等關(guān)系及一些理論假設(shè)前提上的。哈勃定律原來由對(duì)正常星系觀測(cè)而得，現(xiàn)已應(yīng)用到類星體或其他特殊星系上。哈勃定律通常被用來推算遙遠(yuǎn)星系的距離。

自河外星系本質(zhì)之謎被揭開之后，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)從銀河系擴(kuò)展到了廣袤的星系世界，一些天文學(xué)家開始把注意力轉(zhuǎn)向星系。從20世紀(jì)20年代后期起，哈勃本人更是利用當(dāng)時(shí)世界上最大的威爾遜山天文臺(tái)2.5米口徑的望遠(yuǎn)鏡，全力從事星系的實(shí)測(cè)和研究工作，其中包括測(cè)定星系的視向速度，以及估計(jì)星系的距離，前者需要對(duì)星系進(jìn)行光譜觀測(cè)，后者則必須找到合適的、能用于測(cè)定星系距離的標(biāo)距天體或標(biāo)距關(guān)系。哈勃開展上述二項(xiàng)工作的目的，是試圖探求星系視向速度與距離之間是否存在某種關(guān)系。

哈勃證實(shí)銀河系不是全部宇宙，而只是一個(gè)大得多的宇宙的很微小的部分。

他還因哈勃定律而贏得聲望。在對(duì)遙遠(yuǎn)星系觀測(cè)的基礎(chǔ)上，哈勃認(rèn)為宇宙在不斷膨脹。哈勃定律是建立在以前觀測(cè)者工作的基礎(chǔ)上的，包括著名的詹姆士·凱樂、維士脫·史萊夫、威廉·坎貝爾和亨麗愛塔·勒維特。

1842年，奧地利物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家、基督徒安德里亞斯·多普勒 （1803—1853） 出版了一本天文學(xué)書，他在書中用波動(dòng)論解釋某些恒星光的顏色。波動(dòng)頻率的觀察是把波源與觀察的相關(guān)速度相結(jié)合而產(chǎn)生的。他的理論被稱為多普勒效應(yīng)。他利用這個(gè)概念試圖解釋雙子星的顏色（實(shí)際上，雙子星的顏色是由它們的溫度而不是運(yùn)動(dòng)造成的）。3年內(nèi)，其他人利用這個(gè)原理對(duì)電磁光譜的其他現(xiàn)象，包括聲音進(jìn)行了研究。

多普勒效應(yīng)可以恰當(dāng)?shù)赜糜跍y(cè)量在空間運(yùn)動(dòng)的發(fā)光物體的速度。到1848年，法國(guó)物理學(xué)家斐索（1819—1896） 發(fā)表了紅移理論。如果一顆恒星離我們而去，這就叫紅移。也就是說，當(dāng)我們感知它的時(shí)候，它的色譜移向較冷的紅色。如果一顆恒星朝我們運(yùn)動(dòng)，它的光譜則藍(lán)移至較熱的藍(lán)色。

哈勃與彌爾頓·L.赫普森一道，分析了他的前任、他自己以及赫普森觀察的結(jié)果。他和赫普森能夠量化一種趨勢(shì)線，這種趨勢(shì)線是建立在46個(gè)觀察到的星云距離的基礎(chǔ)上的。赫普森憑借自己的能力取得了卓越的成就，月球上有一個(gè)火山口就是以他的名字命名的。他是個(gè)喜歡大山的孩子，高中輟學(xué)后，他先用四輪馬車把儀器運(yùn)上洛杉磯的威爾遜山天文臺(tái)。天文臺(tái)給了他一個(gè)工作，在那兒，他對(duì)天文學(xué)產(chǎn)生了興趣。通過不斷自學(xué)，他引起了臺(tái)長(zhǎng)喬治·埃勒里·海耳的注意，成為一名工作人員。他對(duì)天文學(xué)做出了重要貢獻(xiàn)，包括與哈勃的合作。

紅移和膨脹的宇宙的發(fā)現(xiàn)，將產(chǎn)生另一種令人吃驚的理論：宇宙大爆炸。然而，為了理解大宇宙的工作方式，首先必須理解這個(gè)小宇宙。我們宇宙的概念產(chǎn)生于蒸汽機(jī)的發(fā)明和工業(yè)革命的需要。