照亮宇宙的燈塔

在宇宙的某個角落，漂浮著一顆暗淡的藍點，這就是我們的家園——地球。這顆藍點上的生物，用他們的好奇心和智慧，一次又一次地揭開宇宙的神秘面紗。其中，最讓人驚嘆的一次探索，來自一位名叫埃德溫·哈勃的天文學家。100年前，正是這位堅韌的科學家仰望星空，不斷追問著那些讓人困惑的謎團，才終于讓我們找到了照亮宇宙的“燈塔”。

19世紀末到20世紀初，隨著光譜學的發展，天文學家對宇宙開展了更加深入的探索，逐漸揭開了這些神秘星云的面紗。在19世紀60年代，天文學家對星云發出的光進行分解，發現其中一些星云的光譜與灼熱的氫氣相吻合，說明那里只有星際氣體。而其他一些星云的光譜更為復雜，類似于恒星的光譜。統計表明，大約2/3的星云實際上屬于后者，不少星云還顯示出復雜的旋轉結構，因此在當時被稱為“螺旋星云”。然而，這些進展卻引發了更多的疑問：這些螺旋星云到底是在銀河系內部還是外部？當時的人們對此無法達成共識。

天文學家注意到，螺旋星云中的一些恒星會偶爾發生被稱為“新星”的爆發。新星的特性在于它們的固有亮度大致相同，天文學家稱之為“標準燭光”。這意味著，新星可以用來測量距離。比如，如果你近距離觀察一枝燃燒的蠟燭，它會顯得很亮。但是，如果你站在遠處看，它就顯得暗了許多。這是因為光在從光源發出后以球形擴散，而你離光源越遠，光照到你的部分就越少。因此，通過測量新星的亮度，我們就可以大致推測出它距離我們有多遠。

1917年，天文學家在被認為是螺旋星云的仙女星系中發現了4顆非常暗淡的新星。這些新星的暗淡程度表明，仙女星系距離地球大約1000萬光年。大約在同一時間，美國天文學家哈洛·沙普利利用另一種恒星—天琴RR型變星作為標準燭光，測量了銀河系的大小，卻發現其直徑只有幾十萬光年。

沙普利認為螺旋星云是銀河系中的天體，而銀河系就是整個宇宙。然而，另一位天文學家柯蒂斯不同意這個觀點，他認為螺旋星云實際上是獨立的星系。于是，一場關于宇宙的世紀大辯論開始了。

1920年年初，美國科學院為提升其影響力，計劃組織一場面向公眾的辯論，并邀請兩位知名的科學家參與。雖然有人提議可以開展一場關于冰川的辯論，但威爾遜山天文臺臺長喬治·海爾堅決反對，他認為應該選擇最前沿的科學問題，以期產生更大的社會影響力。因此，他推薦了兩個辯題，即愛因斯坦的相對論以及宇宙的尺度。

由于相對論在當時被認為過于超前，美國科學院最終選擇了關于宇宙的尺度這個辯題。有了辯題，接下來就是選出辯手。根據海爾的建議，沙普利和柯蒂斯被選為最合適的參與者。沙普利作為正方，他堅持銀河系就是宇宙的全部；而柯蒂斯作為反方，他相信“宇宙島”理論，認為銀河系外還有很多其他星系。雙方爭論的焦點，就在于銀河系究竟有多大。

1920年4月26日，這場舉世矚目的世紀大辯論在美國紐約市的史密森自然歷史博物館拉開帷幕。沙普利主要依據球狀星團的觀測數據，提出銀河系的直徑約為30萬光年；柯蒂斯則基于黃矮星的分析，認為銀河系直徑僅為3萬光年。事實上，目前的天文觀測結果顯示，銀河系實際直徑應為10萬光年。那么為何這兩位頂尖的天文學家都沒有得出正確的結論？原因在于，他們采用的距離測量方法存在問題。

其實，無論是球狀星團還是黃矮星，都不能作為可靠的測距標準燭光。后來的經驗表明，最靠譜的測距工具是勒維特發現的造父變星。造父變星作為一類亮度呈周期性變化的天體，其光變周期和光度相關。所以，被認為是宇宙中最靠譜的標準燭光。

盡管這場世紀大辯論吸引了大量的公眾關注，但并未改變天文學界的分歧。具體來說，對于仙女星云這樣的螺旋星云到底是屬于銀河系還是獨立星系的問題，各方依然是“公說公有理，婆說婆有理”。直到3年后，一位年輕人才為這場世紀大辯論畫上了句號，這個人就是美國天文學家埃德溫·哈勃。

哈勃和沙普利是來自密蘇里州的老鄉，他們的出生地相距不過150千米。哈勃比沙普利小4歲，出生在一個中產階級家庭。他從小學業成績就非常優秀，而且身材高大，是個體育特長生。哈勃的外公在他8歲的時候送給他一臺天文望遠鏡，這激發了他對天文學的興趣。然而，由于父親的要求，他大學和研究生階段分別是在芝加哥大學和牛津大學主修法律。后來，從英國學成歸國的哈勃，并沒有從事法律工作，因為他沒能通過美國的司法考試。所以，他只好跑到家鄉的一所高中教數學，并且兼任校籃球隊教練，成了名副其實的“教數學的體育老師”。不久后，他在一位教授的幫助下，得以重返芝加哥大學攻讀天文學博士學位。

1914—1917年，哈勃在隸屬于芝加哥大學的耶基斯天文臺學習和工作，他的天文學生涯也正是從那一時期開始的。當時，他的研究課題是用一臺約1米口徑的折射望遠鏡拍攝微弱星云的照片，這是當時最好的望遠鏡之一，也是有史以來最大的折射望遠鏡。哈勃研究了星云的本質特征，并通過外觀對星云進行了分類。到1917年的時候，基于這些觀測，他確信有些星云一定位于銀河系之外，尤其是那些巨大的螺旋星云。

然而，他的這些觀點在當時并未得到進一步的發展。1917年4月，因為第一次世界大戰的緣故，哈勃在完成博士論文答辯后就去參軍了。盡管哈勃參加了殘酷的世界大戰，但他在美國本土駐扎了一年多才被派往歐洲，而且他在法國服役的那段時間也沒有真正上過戰場。

不久，他就以少校的軍銜退役，隨即被喬治·海爾以年薪1500美元聘請到威爾遜山天文臺。1919年9月，哈勃回到威爾遜山天文臺，成為天文臺的正式工作人員。威爾遜山天文臺是現代天文學的圣地，在哈勃到來前不久，這里剛建成了2.5米口徑的胡克望遠鏡，這臺望遠鏡在接下來的30多年里一直是全世界最大、最先進的光學望遠鏡。

在這里，哈勃遇到了他一生的競爭對手，那就是沙普利。哈勃和沙普利都將胡克望遠鏡對準了仙女座星云和其他星云。然而，沙普利不久后便離開了威爾遜山天文臺，接任了哈佛大學天文臺臺長。這樣一來，哈勃就得到了更多寶貴的觀測時間。正是得益于大型望遠鏡的使用和攝像技術的改進，哈勃成功地抓住了人生機遇。在強大望遠鏡的加持以及照片長期曝光的操作下，星云中那些原本肉眼看不見的現象，在他的底片中接二連三地出現。值此，哈勃一鳴驚人。

1923年10月4日夜晚，哈勃將胡克望遠鏡對準了仙女座星云的旋臂。雖然當時的觀測條件并不理想，但他還是成功拍攝了一張照片。在40分鐘的曝光后，照片上出現了一個點，看起來像是仙女座星云中一個可疑的新星。當然，這也有可能只是沖洗照片時不小心留下的痕跡。這一新發現立刻引起了哈勃的好奇，他在第二天晚上再次進行觀測，并且延長了曝光時間。當他將新拍攝的仙女座星云照片與之前的照片進行對比后，他又發現了兩顆新星。按照慣例，他在照片上將這些新星標記為“N”（nova）。第二天，他帶著新發現滿懷喜悅地離開了天文臺。

回到辦公室后，哈勃開始仔細對比天文臺的底片檔案，他發現其中一顆被他標記為新星的星，其實在過去的記錄中就已經出現過。這意味著這顆星并不是新星，而是一顆時隱時現的變星。這個發現讓哈勃興奮不已，他立刻將照片上的“N”擦掉，寫上了“VAR”（variable）。這個毫不起眼的星點，讓他神魂顛倒。在核實無誤后，哈勃激動不已，他十分確定這就是變星，而且正是造父變星，這是在仙女座星云中首次發現造父變星。

很快，哈勃畫出了這顆星的光變曲線，并測出其光變周期是31.415天。他又利用被測恒星視星等以及造父變星的周光關系得出了最終結論，這顆恒星離地球約有90萬光年。沙普利在很早前就已經確定了用周光關系測定造父變星距離的基準，所以哈勃能夠據此輕松估計出仙女星云與地球的距離。

此前，沙普利通過星團的測量發現，銀河系比所有人想象得都要大，以至于他認為銀河系就是整個宇宙，而宇宙的大小也不過是30萬光年。然而，哈勃發現仙女座星云中的造父變星到地球的距離是沙普利宣稱宇宙直徑的3倍。毫無疑問，仙女座星云是銀河系之外的另一個恒星世界。

在接下來的幾個月里，哈勃在仙女座星云中又發現了1個造父變星和9個新星，而且根據它們得出的結論也都是一致的。此外，哈勃在其他星云中也發現了造父變星和新星。1924年2月19日，依然沉浸在興奮中的哈勃給沙普利寫了一封信，他在信中開門見山說道：“親愛的沙普利：你可能會有興趣知道，我已經在仙女星云中找到了一顆造父變星……”他還在信中附上了一幅描述這顆星的光強變化的曲線圖。雖然這顆亮度只有18等的星極其微弱，但其光強變化周期卻長達31天。根據周光關系，如此長的周期表明這顆恒星的內在亮度極其明亮，參照其微弱的視覺亮度，說明它距離地球非常遙遠。

據沙普利的高徒塞西莉亞·佩恩回憶，沙普利在看到哈勃的來信后便立刻領悟到，他自己的宇宙圖景已經完全被摧毀了，他無奈地哀嘆道：“這封信摧毀了我的整個世界。”沙普利為此倍感惆悵與失落，他認為，他當年若留在威爾遜山，這些偉大的發現也許就沒有哈勃什么事了。

1924年年底，美國科學促進會在華盛頓舉行了為期6天的年會。美國天文學會也一起湊熱鬧，同時舉行年會。普林斯頓大學教授亨利·諾里斯·羅素，也就是赫羅圖的創建者之一，曾多次給哈勃去信邀請他參會，并且暗示他的論文一定能夠贏得天文學會的年度大獎。

哈勃的發現不僅在天文學圈子里不脛而走，就連《紐約時報》等媒體也紛紛報道了哈勃發現遙遠宇宙的消息。但是，哈勃遲遲沒有提交論文，他害怕自己的數據或推論存在紕漏，于是躲在威爾遜山上繼續拍攝照片，希望能掌握更多的數據。在羅素的反復催促下，哈勃終于給他寄去了一篇論文稿。他自己則繼續待在威爾遜山，并沒有去參加會議。

1925年的元旦注定要成為一個重要的歷史性時刻。在喬治·華盛頓大學新建的大禮堂里，羅素宣讀了哈勃題為《螺旋星云中的造父變星》的論文。哈勃在論文中報告說，他已經在仙女座星云中找到了12顆造父變星，在另一個星云中找到了22顆，而在其他一系列星云中，他也看到了變星的跡象。不僅如此，他還報告說已經能夠清晰地看到星云的外緣，是由一顆顆可辨認的恒星組成。所以，這些星云不僅非常遙遠，也不像沙普利猜測的那樣由氣體塵埃組成，而是像銀河系一樣群星璀璨。

關于“宇宙島”的爭論終于平息了，一個超乎人類想象的大宇宙呈現在人們的面前。銀河系之外是更為廣闊的世界，有無窮無盡的星系分布在無垠的宇宙中。自此，天文學進入了一個全新的時代。