■ 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。現(xiàn)在,再次令我們驚奇的是,二個(gè)令人震驚的發(fā)現(xiàn)動搖了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)家的觀測結(jié)果出來,才有證據(jù)證明哥白尼的錯誤。
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“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。他的反對者、杰出的天文學(xué)家希柏·柯蒂斯(1872—1942) 認(rèn)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(gè)小星系。每個(gè)人都有他們自己的理解,結(jié)果,部分是對的,部分是錯的。
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τ钪胬斫獾挠^測和計(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器(WMAP) 測得的,數(shù)值為71±4 km s-1 Mpc-1。在2006年的資料中對應(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。哈勃定律原來由對正常星系觀測而得,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,人類對宇宙的認(rèn)識從銀河系擴(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2.5米口徑的望遠(yuǎn)鏡,全力從事星系的實(shí)測和研究工作,其中包括測定星系的視向速度,以及估計(jì)星系的距離,前者需要對星系進(jìn)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(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。在對遙遠(yuǎn)星系觀測的基礎(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(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)動造成的)。3年內(nèi),其他人利用這個(gè)原理對電磁光譜的其他現(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量在空間運(yùn)動的發(fā)光物體的速度。到1848年,法國物理學(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,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線,這種趨勢線是建立在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。天文臺給了他一個(gè)工作,在那兒,他對天文學(xué)產(chǎn)生了興趣。通過不斷自學(xué),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(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。