徐興無

（合肥國軒高科動力能源有限公司工程研究總院 230012）

地球是宇宙的中心嗎？太陽系是銀河系的中心嗎？銀河系就是整個宇宙嗎？圍繞這些問題，人類歷史上曾有過長期激烈的觀念碰撞，進(jìn)而一步一步地加深了對宇宙的認(rèn)識。而沙普利(Harlow Shapley)則扮演著哥白尼革命的擁護(hù)者和反對者兩個截然不同的角色，耐人尋味。

一、沙普利生平簡介

沙普利于1895年11月2日出生于美國的密蘇里州的一個農(nóng)民家庭，自幼家境貧寒，早年沒有受過系統(tǒng)的教育。小學(xué)輟學(xué)后，一邊做新聞記者一邊自學(xué)，隨后沙普利僅花了一年半的時間就完成了6年的中學(xué)學(xué)業(yè)。中學(xué)畢業(yè)后沙普利準(zhǔn)備到密蘇里大學(xué)讀新聞專業(yè)，得知該專業(yè)要延遲一年開學(xué)，就隨便按字母順序選個專業(yè)，第一個是“Archaeology(考古學(xué))”，他不認(rèn)識這個詞，就選了第二個“astronomy(天文學(xué))”專業(yè)。在密蘇里大學(xué)獲得碩士學(xué)位后，沙普利得到了普林斯頓大學(xué)的研究生獎學(xué)金，師從羅素(H.N.Russel)進(jìn)行天文學(xué)研究。1913 年獲得博士學(xué)位后，沙普利到了著名的威爾遜山天文臺工作，時年29歲。

圖1 沙普利年輕時的畫像(筆者根據(jù)照片素描)

沙普利性格直爽、固執(zhí)、詼諧。他甚至在進(jìn)行天文觀察時“順便”觀察螞蟻，發(fā)現(xiàn)螞蟻白天溫度高時比晚上涼快時跑得要快得多，并寫了一篇《論長頸螞蟻的熱運(yùn)動》的論文。幽默詼諧由此可見一斑。

在天文學(xué)觀測和研究方面沙普利是勤奮而狂熱的。在羅素的指導(dǎo)下沙普利獲得了大量的觀測數(shù)據(jù)，取得了豐碩的成果。1920年曾作為主辯方之一參加了關(guān)于“島宇宙”的大辯論。1921至1952年擔(dān)任哈佛大學(xué)天文臺臺長。

沙普利1924 年被選為美國科學(xué)院院士，1933～1944 年任美國藝術(shù)和科學(xué)院主席，1943～1947 年任北美科學(xué)研究協(xié)會Sigma Xi會長，1947年任美國先進(jìn)科學(xué)協(xié)會會長(AAAS)。

沙普利于1914 年和瑪莎·貝茨(M.Betz)結(jié)婚，他們有一個女兒和四個兒子。其中一個兒子勞埃德·沙普利(L.S.Shapley)獲得了2012 年的經(jīng)濟(jì)學(xué)諾貝爾獎。

沙普利于1972年10月20日去世，享年87歲。

二、哪里是宇宙的中心

在古人的觀念里，地球就是宇宙的中心。托勒密(C.Ptolemy)的“地心說”就是一個典型的代表。1543 年，哥白尼(N.Copernicus)在他的《天體運(yùn)行論》中提出了“日心說”，認(rèn)為地球是圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)的，太陽才是“宇宙的中心”。由此引發(fā)了一場深刻的天文學(xué)革命。此后伽利略(G.Galileo)用自制的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，銀河是由許許多多像太陽一樣的恒星組成的。1755 年，英國天文學(xué)家赫歇爾(W.Herschel)繪制了一張扁而平的銀河系結(jié)構(gòu)圖，太陽在銀河系的中心。二十世紀(jì)初天文學(xué)、宇宙學(xué)的研究，都是以銀河系為基礎(chǔ)而進(jìn)行的。

1911 年，沙普利在攻讀博士學(xué)位時的課題是“食雙星的研究”。所謂“食雙星”，是一種相互繞行的兩顆星，一顆暗一顆亮，繞行的時候就像發(fā)生“日食”一樣，一會兒暗一會兒亮。還有一種光度呈周期性變化的恒星—造父變星。造父變星是一種變星，其光變周期和它的光度成正比。也就是說，變星的光度越大，光變周期就越大，并且極有規(guī)律。最重要的是，光變周期是很容易通過觀測(拍照)得到的，測到了光變周期就知道了光度。而光度及視亮度和距離是有著固定關(guān)系的。比如已知是1000W的燈泡，放在不同的距離測得的視亮度是不同的，但是有關(guān)系公式。所以造父變星可以用來作為測量星系距離的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。沙普利首次確認(rèn)，造父變星不是食雙星，而是一種脈動變星。沙普利創(chuàng)造出一種簡單的辦法，去標(biāo)定造父變星的真實(shí)光度。然后利用球狀星團(tuán)中的造父變星，測繪出銀河系中球狀星團(tuán)的分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)銀河系的中心在人馬座附近，而太陽則處于銀河系的邊緣。

圖2 沙普利通過測量球狀星團(tuán)中的造父變星得到的銀河系結(jié)構(gòu)模型(圖中藍(lán)色圓點(diǎn)表示球狀星團(tuán)，紅色圓點(diǎn)表示太陽，位置并不在銀河系的中心)

事實(shí)上，沙普利的銀河模型符合哥白尼原理。也就是說，地球不是宇宙的中心，太陽也不是。但是，宇宙的中心在哪？宇宙到底有多大？

1920年4月26日，在美國華盛頓國家科學(xué)院舉行了一場“大辯論(great debate)”。會議通知的標(biāo)題就是“到底有多少宇宙？”。沙普利認(rèn)為，銀河系的尺寸是30 萬光年，那些旋渦星系是銀河系的一部分。而另一位美國天文學(xué)家柯蒂斯(H.D.Curtis)則認(rèn)為，銀河系的尺寸約3萬光年，那些觀察到的遙遠(yuǎn)的旋渦星系是銀河系之外的“宇宙島”星云，宇宙中有無數(shù)個這樣的“宇宙島”。換句話說，沙普利的宇宙是以銀河系為中心的宇宙，而柯蒂斯的宇宙則是包含無數(shù)像銀河系這樣的星系的更廣袤無邊的宇宙。

沙普利的支持證據(jù)之一是他認(rèn)為旋渦星系是由塵埃組成的，之二是范瑪寧(A.van Maanen)的旋渦星系自轉(zhuǎn)的觀測數(shù)據(jù)：觀測到的旋渦星系以每年十萬分之一周的速度在旋轉(zhuǎn)。如果這些旋渦星系是和銀河系一樣大小的星系，且處于銀河系之外的話，則邊緣的恒星要以每秒48300千米的速率旋轉(zhuǎn)，這是不可思議的。但范瑪寧的測試方法有很大爭議(后來證明是錯誤的)?？碌偎沟闹饕摀?jù)則是根據(jù)光譜分析那些旋渦星系就是由恒星組成的星系，而根據(jù)他掌握的數(shù)據(jù)銀河系不可能有沙普利所說的那么大。

由于沒有足夠的數(shù)據(jù)支持，這場“大辯論”沒有勝利者。直到1924年2月下旬，沙普利收到一封哈勃(E.Hubble)的信，信中說根據(jù)他的觀測數(shù)據(jù)確認(rèn)，那些旋渦星系距銀河系約90萬光年，的確是處于銀河之外的“河外星云”，這就等于宣布了柯蒂斯的勝利。沙普利沮喪地說：“這封信毀了我的宇宙”。

1929 年哈勃正式發(fā)表了反映星系退行速度和與地球距離關(guān)系的“哈勃定律”，為宇宙膨脹理論以及大爆炸宇宙學(xué)提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

圖3 美國國家科學(xué)院“大辯論”會議通知翻譯件(部分)

三、總結(jié)與評價

毫無疑問，沙普利是一位偉大的天文學(xué)家。他最偉大的貢獻(xiàn)是確認(rèn)了太陽不在銀河系的中心，這是繼哥白尼革命之后的又一場天文學(xué)革命。其意義甚至超出了天文學(xué)領(lǐng)域，對人類的觀念變革都起到了巨大的作用。

但是，沙普利卻是個半截子哥白尼革命者(不過后來他承認(rèn)自己錯了)，他的“銀河系是宇宙中唯一的星系”的理論又違反了哥白尼原理。由此我們看到，一方面，沙普利是由觀測數(shù)據(jù)得到“太陽不處于銀河系中心”這一結(jié)論的，并沒有堅強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，另一方面，這也充分表明：人類觀念的進(jìn)步是異常艱難曲折的。

現(xiàn)代宇宙學(xué)認(rèn)為，宇宙是膨脹著的、均勻的、各向同性的，也就是說，宇宙沒有“中心”。怎樣理解這個“無中心”的宇宙呢？目前可觀測范圍內(nèi)的宇宙是否就是全部宇宙呢？這個問題留給有興趣的朋友去思考及解決。