哈勃：星云世界的水手

尹傳紅

埃德溫·哈勃小傳

愛德溫·哈勃（Edwin P. Hubble，1889～1953），美國天文學(xué)家，星系天文學(xué)和觀測宇宙學(xué)的奠基人。曾就讀于芝加哥大學(xué)、牛津大學(xué)和葉凱士天文臺，學(xué)習(xí)物理學(xué)、法律和天文學(xué)，獲天文學(xué)博士學(xué)位。期間曾短暫服役。1924年，哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系，從而揭開了探索大宇宙的新的一頁。1929年，他又發(fā)現(xiàn)星系退行的速率與星系距離的比值是一常數(shù)，成為提供宇宙膨脹實例證據(jù)的第一人，有力地推動了現(xiàn)代宇宙學(xué)的發(fā)展。著有《星云世界》、《用觀測手段探索宇宙學(xué)問題》等書。

哈勃（高中時代）用望遠(yuǎn)鏡觀測

埃德溫·哈勃做出了20世紀(jì)最偉大的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)：首次證實河外星系的存在及宇宙在不斷地膨脹。他比哥白尼、伽利略之后的任何一位天文學(xué)家都更深刻地改變了人們對宇宙的認(rèn)識，并且有力地推動了現(xiàn)代宇宙學(xué)的發(fā)展。

一個“可怕的瞬間”

19世紀(jì)末，在美國密蘇里州最高點的馬什菲爾德鄉(xiāng)間，由于沒有什么街燈照明，高空暗黑天幕上的無數(shù)星星顯得蒼白而寒冷，很難想象它們是因遙遠(yuǎn)而變得暗弱的巨大恒星。

這里有個名叫埃德溫·哈勃的8歲男孩，在他過生日那天，第一次通過他祖父組裝的一架望遠(yuǎn)鏡遙望星空。被深深迷住的他特別向父母提出，允許他今天睡得晚一些。這一愿望得到了滿足，他與祖父度過了一段美妙的時光。

兩年一晃而過。哈勃獲悉在1899年6月23日的午夜之后，將出現(xiàn)一次壯觀的月全食，十分激動。為了不錯過機會，他準(zhǔn)備整夜在屋外守候。父母同意他這么做，但提出一個條件：必須由他的小伙伴薩姆陪著。

可是，薩姆的父母卻不干。兩個小家伙央求了半天，大人才妥協(xié)。那天凌晨，他們大開眼界，親眼目睹了被“食”的月亮變暗的表面，在晨曦中慢慢地消失。多年以后，薩姆追憶此事，猜想或許這便是哈勃決心要成為一名天文學(xué)家的開始。

高中時期的哈勃高大威猛、儀表堂堂，“非常、非常陽剛”。他成績優(yōu)異，體育特長突出。不過，他對老師講的東西從不盲目接受，有時還自作聰明地提些讓老師不太高興的問題。在1906年6月14日晚舉行的畢業(yè)典禮上，高傲的哈勃經(jīng)歷了一個“可怕的瞬間”。

中年時代的哈勃

正當(dāng)大家翹首以盼全年級的榮譽最終落定之時，只見督學(xué)從他的座位上起身，板著臉說道：“埃德溫·哈勃，我已經(jīng)觀察了你整整4年，你從來沒有安靜沉思過10分鐘！”全場頓時鴉雀無聲。哈勃的父母也跟他一樣，驚訝、難堪極了。

就在這當(dāng)口，督學(xué)那惡作劇般的臉上，漸漸地透出了笑容，他沖著哈勃說道：“這是芝加哥大學(xué)給你的獎學(xué)金?！比珗鲰懫鹆藷崃业恼坡?。

可隨后哈勃卻又犯愁了，因為他做律師兼保險經(jīng)紀(jì)人的父親堅持要他讀法學(xué)，而哈勃決心要當(dāng)一名天文學(xué)家。他的妹妹告訴他，如果他“堅持要做一件如此古怪的事”，那么父親是不會讓他完成學(xué)業(yè)的。哈勃只好變通一下：在準(zhǔn)備進(jìn)修法律系的必備課程時，同時攻讀學(xué)習(xí)天文學(xué)所必須的科學(xué)與技術(shù)課程。

山上的“紳士之爭”

1910年，哈勃從芝加哥大學(xué)獲得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，隨即又在羅德斯獎學(xué)金的資助下，到英國牛津大學(xué)學(xué)習(xí)法律和天文。返回美國后，他當(dāng)了一年律師，又回到芝加哥大學(xué)及其所屬的葉凱士天文臺工作，并于1917年5月獲得了天文學(xué)博士學(xué)位。

這時期，第一次世界大戰(zhàn)仍在進(jìn)行中，哈勃拿到博士學(xué)位第3天就參軍了。他接受軍官訓(xùn)練并被授予少校軍銜，于1918年9月與戰(zhàn)友們乘船跨越大洋前往歐洲。不過，他們還沒來得及進(jìn)入戰(zhàn)場，戰(zhàn)爭就結(jié)束了。第二年8月，30歲的哈勃退役，成為加利福尼亞州威爾遜天文臺的一名職員。

這個位于山上的天文臺負(fù)有盛名，其辦公室裝扮得像是一個紳士俱樂部。天文學(xué)家們在山上雖然過著修道士般的生活，但禮儀、著裝卻十分“正規(guī)”。他們衣冠楚楚、一本正經(jīng)，男廁所門上赫然寫著“紳士專用”。嘴里總叼著一只煙斗、滿口牛津腔的哈勃，言行舉止最為考究，儼然一副英國貴族派頭。他說話時有一種律師般的技巧，使聽眾覺得自己像個陪審員，必須全神貫注地聽他神侃。

然而，爭論起學(xué)術(shù)問題來，這伙天文學(xué)家可就沒什么“紳士風(fēng)度”了。他們中的幾位（包括哈勃）常常各自為陣、互不買賬，乃至勢不兩立、彼此攻訐。此時整個天文學(xué)界正圍繞宇宙的大小和結(jié)構(gòu)展開一場大辯論，爭議的焦點是銀河系的范圍，以及夜空中可辨別且發(fā)光的云形片狀物質(zhì)（即“星云”）的性質(zhì)。占主流的意見認(rèn)為，宇宙中只包括銀河系一個星系。就是說，地球所在的銀河系或多或少構(gòu)成了整個宇宙（德國哲學(xué)家伊曼努爾·康德于1755年將那些夜空中的模糊斑紋，即可能的其他系統(tǒng)稱為“島宇宙”）。

哈勃坐在帕羅馬山上的200英寸望遠(yuǎn)鏡里工作

初來乍到的哈勃運氣不錯。他接手了一架當(dāng)時最先進(jìn)的100英寸反射望遠(yuǎn)鏡，把主要精力都投入觀測之中，對仙女座星云尤其關(guān)注。他在1922～1924年間發(fā)現(xiàn)并確定，星云并非都在銀河系內(nèi)，銀河系外也存在著巨大的天體系統(tǒng)。他把仙女座星云和其他類似的獨立星系命名為“河外星云”，其中一些星系包括幾千億顆星。這是哈勃在天文學(xué)上的第一個重大發(fā)現(xiàn)，它揭示了宇宙的新尺度和可能的新結(jié)構(gòu)，通常被認(rèn)為是宇宙學(xué)發(fā)展歷程中的一座里程碑。

哈勃對“星云”一詞情有獨鐘。現(xiàn)代天文學(xué)用語里，星云通常是指正在消亡的恒星中釋放出來的氣體云，或者說它描述的是星際間氣體和塵埃所構(gòu)成的云。而哈勃觀測到的實際上是星系，它們是遙遠(yuǎn)的恒星系統(tǒng)。哈勃從來沒有改變他的術(shù)語，部分原因是由于他的“死對頭”、最早測算出銀河系直徑的哈洛·沙普利喜歡用“星系”這個詞兒。

哈勃相信宇宙中布滿了星系。1926年左右他開始建立已知星系的分類系統(tǒng)，即根據(jù)其范圍、距離、形狀和亮度等，對它們一一分門別類。他還發(fā)明了一種估測距離的方法，即將一個完整星系的亮度與一個已知距其造父變星距離較近的星系的亮度相比。至此，哈勃所取得的成就，已足以奠定他在天文學(xué)史上的地位了。

夜空下的哈勃

哈勃的一位助手在回憶錄里描述：“他的身材高大而充滿活力，嘴邊的煙斗在夜空背景下格外清晰。微風(fēng)拂動他的軍用防水上衣，時不時從煙斗中吹出點點火花消失在黑暗中。那晚，威爾遜山的視寧度（指望遠(yuǎn)鏡顯示圖像的清晰度）很差，但哈勃從暗室沖洗完底片出來卻喜氣洋洋?！绻@樣差的視寧度下都能得到這樣的效果，’他說，‘利用這里的儀器我可以得到很多有用的照片。’他對自己要做什么和怎么做，充滿信心?！?/p>

20世紀(jì)最偉大的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)

此外的觀測中，哈勃和他的同事發(fā)現(xiàn)，他們研究的20多個星系，看起來幾乎都是在遠(yuǎn)離地球——他們收集的光譜數(shù)據(jù)表明確實存在“紅移”現(xiàn)象，即那些星系的光譜的譜線都在向紅端偏移;而且，一個星系離地球越遠(yuǎn)，紅移就越厲害。一些紅移表明，有的星系的移動速度高達(dá)1000千米/秒。

1929年，他最重要的一個結(jié)論在一篇論文中披露：那些星系的距離與它們退行的視向速度成正比。一個星系越遠(yuǎn)，它就退行得越快。這就是“哈勃定律”。換句話說，如果一個星系與我們的距離為另一個星系的3倍，那么前者就以3倍于后者的速度退離我們。

中學(xué)時代的哈勃

但是，其他一些科學(xué)家很快就抓住其精髓并進(jìn)行了拓展。為什么星系會退行？最自然、最簡單的解釋就是假設(shè)整個宇宙在膨脹。若按時間脈絡(luò)回溯，豈不是可以“抵達(dá)”某個初始時刻？1930年，英國天文學(xué)家阿瑟·愛丁頓把哈勃的新發(fā)現(xiàn)解釋為宇宙的膨脹效應(yīng)。哈勃定律意味著宇宙一直在膨脹，并為之提供了首要的觀測證據(jù)。

作為星系天文學(xué)和觀測宇宙學(xué)的開創(chuàng)者，哈勃被人們尊稱為“星云世界的水手”。1953年9月28日，他在回家途中突發(fā)中風(fēng)離世，享年64歲。據(jù)一個比較可靠的說法，這一年本來是要授予他諾貝爾物理學(xué)獎的。

哈勃撒手人寰37年過后，美國國家航空航天局將其發(fā)射的一架空間望遠(yuǎn)鏡命名為“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”。

沒有哪一位現(xiàn)代天文學(xué)家擁有比這更出色的紀(jì)念碑了。

紅移現(xiàn)象

當(dāng)光源遠(yuǎn)離觀測者運動時，觀測者觀察到的電磁波譜會發(fā)生紅移——在可見光波段，表現(xiàn)為光譜的譜線朝紅端移動了一段距離，即波長變長、頻率降低。發(fā)光的物體遠(yuǎn)離觀測者的速度越快，紅移的程度就越大。

這與聲波因為“多普勒效應(yīng)”造成的頻率變化相似。其效果類同于聽到移動中的警車所發(fā)出的警報聲，靠近時音調(diào)升高，遠(yuǎn)離后音調(diào)降低。光變紅的過程就相當(dāng)于音調(diào)降低。

愛因斯坦的感謝

得知哈勃的新發(fā)現(xiàn)，阿爾伯特·愛因斯坦尤其感到振奮。大約10年前，他就在廣義相對論中預(yù)言：宇宙不是在膨脹，就是在收縮。然而，由于這與當(dāng)時流行的“宇宙是穩(wěn)定的”這一觀念不符，他就在新推導(dǎo)出的方程式中附加了一個“宇宙常數(shù)”。

如今，哈勃的新發(fā)現(xiàn)恰恰證實了愛因斯坦預(yù)言的正確性，他不必再以那個“反引力常數(shù)”去迎合一個“靜態(tài)的宇宙”了。1931年愛因斯坦訪問威爾遜天文臺時哈勃作陪，他特別感謝哈勃讓他去掉了宇宙常數(shù)，從而糾正了自己“一生中所犯下的最大錯誤”。