騷亂中的世界第二重:哈勃宇宙

■ 嚴小平

哈勃在威爾遜山上用過的254厘米口徑的胡克望遠鏡

令我們驚奇的是，我們已經看到，1900年以后，許多物理學家仍在否認原子的存在。現在，再次令我們驚奇的是，二個令人震驚的發現動搖了1900年—1930年間的宇宙學。不僅當時令人震驚，而且今天同樣令人震驚，科學家竟然比一個世紀前思考的還要少。

首先，已經證實我們的小小太陽不是宇宙的中心。許多（不是全部）科學家一直堅持16世紀初哥白尼的觀點，直到20世紀20年代愛德溫·哈勃和其他天文學家的觀測結果出來，才有證據證明哥白尼的錯誤。

第二，哈勃確認（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很小的星系。換句話說，銀河系之外有一個更大的結構。這是本文基于引力猜想的主要思想。

哈勃的結構是我們現在所稱宇宙，不同于我們的區域性星系島。新的巨型反射望遠鏡開始收集遙遠恒星的光。1917年，洛杉磯威爾遜山上254厘米口徑的胡克望遠鏡看見了第一縷光，成為哈勃獨創性發現的主要來源。1949年，在哈勃的指導下，圣地亞哥帕洛瑪山的508厘米口徑的霍爾望遠鏡看到了第一縷光。20世紀20年代，利用胡克望遠鏡，哈勃和彌爾頓·L.赫普森發現了遙遠星系中的紅移。

一個世紀前，天文學領域一場“大辯論”正熱火朝天，從1900年延續到20世紀30年代。20世紀初，大多數人，包括一些天文學家仍相信我們的銀河系就是整個宇宙的日心說，并且，令人驚訝的，他們認為我們的太陽位于這個宇宙的中心！

“大辯論”發生在1920年。偉大的天文學家哈洛·沙普利 （1885—1972）不僅提出太陽不是宇宙的中心，而且認為整個宇宙由銀河系和周圍的一些螺旋星云組成。他的反對者、杰出的天文學家希柏·柯蒂斯（1872—1942） 認為，太陽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小星系。每個人都有他們自己的理解，結果，部分是對的，部分是錯的。

從1900年—1930年，宇宙學和天文學一直變幻不定。也許這是現代混亂局面將持續多久的指示器。

新的巨型望遠鏡看見了第一縷光并凝視著宇宙。在如何理解這個宇宙方面，它們所看見的東西引發了一場革命。當1917年254厘米口徑的胡克望遠鏡看見第一縷光的時候，一位名叫愛德溫·哈勃 （1889—1953） 的年輕天文學家開始了一系列即將改變人類對宇宙理解的觀測和計算。

鏈 接

1929年，E.P.哈勃發現河外星系視向退行速度v與距離d成正比，即距離越遠，視向速度越大。

哈勃定律是物理宇宙論的陳述：來自遙遠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之后，于1929年首先公式化的。它被認為是在擴展空間范例上的第一個觀察依據，和今天經常被援引作為支持大爆炸宇宙學的一個重要證據。這個常數的最佳數值是在2003年使用人造衛星威爾金森微波各向異性探測器（WMAP） 測得的，數值為71±4 km s-1 Mpc-1。在2006年的資料中對應的是77 km s-1 Mpc-1。

在宇宙學研究中，哈勃定律成為宇宙膨脹理論的基礎。但哈勃定律中的速度和距離均是間接觀測得到的量。速度——距離關系和速度——視星等關系，是建立在觀測紅移——視星等關系及一些理論假設前提上的。哈勃定律原來由對正常星系觀測而得，現已應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星系的距離。

自河外星系本質之謎被揭開之后，人類對宇宙的認識從銀河系擴展到了廣袤的星系世界，一些天文學家開始把注意力轉向星系。從20世紀20年代后期起，哈勃本人更是利用當時世界上最大的威爾遜山天文臺2.5米口徑的望遠鏡，全力從事星系的實測和研究工作，其中包括測定星系的視向速度，以及估計星系的距離，前者需要對星系進行光譜觀測，后者則必須找到合適的、能用于測定星系距離的標距天體或標距關系。哈勃開展上述二項工作的目的，是試圖探求星系視向速度與距離之間是否存在某種關系。

哈勃證實銀河系不是全部宇宙，而只是一個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。在對遙遠星系觀測的基礎上，哈勃認為宇宙在不斷膨脹。哈勃定律是建立在以前觀測者工作的基礎上的，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，奧地利物理學家和數學家、基督徒安德里亞斯·多普勒 （1803—1853） 出版了一本天文學書，他在書中用波動論解釋某些恒星光的顏色。波動頻率的觀察是把波源與觀察的相關速度相結合而產生的。他的理論被稱為多普勒效應。他利用這個概念試圖解釋雙子星的顏色（實際上，雙子星的顏色是由它們的溫度而不是運動造成的）。3年內，其他人利用這個原理對電磁光譜的其他現象，包括聲音進行了研究。

多普勒效應可以恰當地用于測量在空間運動的發光物體的速度。到1848年，法國物理學家斐索（1819—1896） 發表了紅移理論。如果一顆恒星離我們而去，這就叫紅移。也就是說，當我們感知它的時候，它的色譜移向較冷的紅色。如果一顆恒星朝我們運動，它的光譜則藍移至較熱的藍色。

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果。他和赫普森能夠量化一種趨勢線，這種趨勢線是建立在46個觀察到的星云距離的基礎上的。赫普森憑借自己的能力取得了卓越的成就，月球上有一個火山口就是以他的名字命名的。他是個喜歡大山的孩子，高中輟學后，他先用四輪馬車把儀器運上洛杉磯的威爾遜山天文臺。天文臺給了他一個工作，在那兒，他對天文學產生了興趣。通過不斷自學，他引起了臺長喬治·埃勒里·海耳的注意，成為一名工作人員。他對天文學做出了重要貢獻，包括與哈勃的合作。

紅移和膨脹的宇宙的發現，將產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，首先必須理解這個小宇宙。我們宇宙的概念產生于蒸汽機的發明和工業革命的需要。