骚乱中的世界第二重:哈勃宇宙

■ 严小平

哈勃在威尔逊山上用过的254厘米口径的胡克望远镜

令我们惊奇的是，我们已经看到，1900年以后，许多物理学家仍在否认原子的存在。现在，再次令我们惊奇的是，二个令人震惊的发现动摇了1900年—1930年间的宇宙学。不仅当时令人震惊，而且今天同样令人震惊，科学家竟然比一个世纪前思考的还要少。

首先，已经证实我们的小小太阳不是宇宙的中心。许多（不是全部）科学家一直坚持16世纪初哥白尼的观点，直到20世纪20年代爱德温·哈勃和其他天文学家的观测结果出来，才有证据证明哥白尼的错误。

第二，哈勃确认（在他之前已有人宣布过）银河系并不是全部宇宙，相反，宇宙是由许多星系组成的，我们的银河系只是其中微不足道的一个很小的星系。换句话说，银河系之外有一个更大的结构。这是本文基于引力猜想的主要思想。

哈勃的结构是我们现在所称宇宙，不同于我们的区域性星系岛。新的巨型反射望远镜开始收集遥远恒星的光。1917年，洛杉矶威尔逊山上254厘米口径的胡克望远镜看见了第一缕光，成为哈勃独创性发现的主要来源。1949年，在哈勃的指导下，圣地亚哥帕洛玛山的508厘米口径的霍尔望远镜看到了第一缕光。20世纪20年代，利用胡克望远镜，哈勃和弥尔顿·L.赫普森发现了遥远星系中的红移。

一个世纪前，天文学领域一场“大辩论”正热火朝天，从1900年延续到20世纪30年代。20世纪初，大多数人，包括一些天文学家仍相信我们的银河系就是整个宇宙的日心说，并且，令人惊讶的，他们认为我们的太阳位于这个宇宙的中心！

“大辩论”发生在1920年。伟大的天文学家哈洛·沙普利 （1885—1972）不仅提出太阳不是宇宙的中心，而且认为整个宇宙由银河系和周围的一些螺旋星云组成。他的反对者、杰出的天文学家希柏·柯蒂斯（1872—1942） 认为，太阳位于银河系中心或中心附近，但银河系只是许多星系中的一个小星系。每个人都有他们自己的理解，结果，部分是对的，部分是错的。

从1900年—1930年，宇宙学和天文学一直变幻不定。也许这是现代混乱局面将持续多久的指示器。

新的巨型望远镜看见了第一缕光并凝视着宇宙。在如何理解这个宇宙方面，它们所看见的东西引发了一场革命。当1917年254厘米口径的胡克望远镜看见第一缕光的时候，一位名叫爱德温·哈勃 （1889—1953） 的年轻天文学家开始了一系列即将改变人类对宇宙理解的观测和计算。

链 接

1929年，E.P.哈勃发现河外星系视向退行速度v与距离d成正比，即距离越远，视向速度越大。

哈勃定律是物理宇宙论的陈述：来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正比。这条定律是哈柏和米尔顿·修默生在接近十年的观测之后，于1929年首先公式化的。它被认为是在扩展空间范例上的第一个观察依据，和今天经常被援引作为支持大爆炸宇宙学的一个重要证据。这个常数的最佳数值是在2003年使用人造卫星威尔金森微波各向异性探测器（WMAP） 测得的，数值为71±4 km s-1 Mpc-1。在2006年的资料中对应的是77 km s-1 Mpc-1。

在宇宙学研究中，哈勃定律成为宇宙膨胀理论的基础。但哈勃定律中的速度和距离均是间接观测得到的量。速度——距离关系和速度——视星等关系，是建立在观测红移——视星等关系及一些理论假设前提上的。哈勃定律原来由对正常星系观测而得，现已应用到类星体或其他特殊星系上。哈勃定律通常被用来推算遥远星系的距离。

自河外星系本质之谜被揭开之后，人类对宇宙的认识从银河系扩展到了广袤的星系世界，一些天文学家开始把注意力转向星系。从20世纪20年代后期起，哈勃本人更是利用当时世界上最大的威尔逊山天文台2.5米口径的望远镜，全力从事星系的实测和研究工作，其中包括测定星系的视向速度，以及估计星系的距离，前者需要对星系进行光谱观测，后者则必须找到合适的、能用于测定星系距离的标距天体或标距关系。哈勃开展上述二项工作的目的，是试图探求星系视向速度与距离之间是否存在某种关系。

哈勃证实银河系不是全部宇宙，而只是一个大得多的宇宙的很微小的部分。

他还因哈勃定律而赢得声望。在对遥远星系观测的基础上，哈勃认为宇宙在不断膨胀。哈勃定律是建立在以前观测者工作的基础上的，包括著名的詹姆士·凯乐、维士脱·史莱夫、威廉·坎贝尔和亨丽爱塔·勒维特。

1842年，奥地利物理学家和数学家、基督徒安德里亚斯·多普勒 （1803—1853） 出版了一本天文学书，他在书中用波动论解释某些恒星光的颜色。波动频率的观察是把波源与观察的相关速度相结合而产生的。他的理论被称为多普勒效应。他利用这个概念试图解释双子星的颜色（实际上，双子星的颜色是由它们的温度而不是运动造成的）。3年内，其他人利用这个原理对电磁光谱的其他现象，包括声音进行了研究。

多普勒效应可以恰当地用于测量在空间运动的发光物体的速度。到1848年，法国物理学家斐索（1819—1896） 发表了红移理论。如果一颗恒星离我们而去，这就叫红移。也就是说，当我们感知它的时候，它的色谱移向较冷的红色。如果一颗恒星朝我们运动，它的光谱则蓝移至较热的蓝色。

哈勃与弥尔顿·L.赫普森一道，分析了他的前任、他自己以及赫普森观察的结果。他和赫普森能够量化一种趋势线，这种趋势线是建立在46个观察到的星云距离的基础上的。赫普森凭借自己的能力取得了卓越的成就，月球上有一个火山口就是以他的名字命名的。他是个喜欢大山的孩子，高中辍学后，他先用四轮马车把仪器运上洛杉矶的威尔逊山天文台。天文台给了他一个工作，在那儿，他对天文学产生了兴趣。通过不断自学，他引起了台长乔治·埃勒里·海耳的注意，成为一名工作人员。他对天文学做出了重要贡献，包括与哈勃的合作。

红移和膨胀的宇宙的发现，将产生另一种令人吃惊的理论：宇宙大爆炸。然而，为了理解大宇宙的工作方式，首先必须理解这个小宇宙。我们宇宙的概念产生于蒸汽机的发明和工业革命的需要。