哈勃与赫马森

第三章　哈勃与赫马森

1925年以后，斯里弗放弃了星云的研究转向其他课题。当他离开这个领域时，哈勃与赫马森适时踏了进来，并且用威尔逊山上更大的望远镜继续斯里弗的工作。斯里弗本人从未想到他的量度工作与宇宙膨胀有任何关连，他对星云的运行有完全不同的解释。斯里弗相信我们太阳所属的银河系是在太空中飘流，带着太阳和地球一起走。根据他的解释，其他星云的运行只不过是我们自己运行的反映而已。

实际上，斯里弗扮演了一个非常重要的角色。多年以后，哈勃对斯里弗的量度工作如是说：“在一个崭新的领域中，第一步是最伟大的一步。一旦迈出了这一步，道路就已被开辟出来，大家就能跟着前行。”但只有哈勃感觉到斯里弗的量度工作预示着许多伟大的发展。哈勃有点石成金的才干，能够选中重要的课题。他说服了赫马森来与他联手共创大业。他们合力利用当时世界最大的100英寸望远镜来研究星云运行的问题。

量度星云运行速度的技术需要无比的耐性和细心。赫马森是一个自学成才的天文学家，他最初在威尔逊山天文台做骡车夫和清洁工人，以“技术精湛”闻名。所以，哈勃与赫马森共襄大业是很自然的事。很多年后，哈勃还情深意切地写道：“赫马森的进展非常突出。他首先观察一些斯里弗量过的星云，当他对自己的技术和成果有了信心之后，他就向前迈步。从一簇星云到另一簇星云，一直到望远镜所能达到的极限。”

赫马森计算了很多斯里弗用24英寸望远镜看不见的远方星云的运行速度。他探索太空的深处，远超过一亿光年之外。在这么辽阔的范围中，所有他测量过的星云都证实了斯里弗的发现：它们都以高速离地球而去，有些甚至以每小时一亿英里的惊人速度疾驰。

当赫马森在量度星云的运行速度时，哈勃则在测量它们的距离。这些距离是整幅拼图所缺的一些碎块。用望远镜拍摄的星云照片不能告诉我们它到底离我们有多远，因为一件巨大的物体从远处看来可能又小又暗。这些螺旋星云是否真的是巨大雄伟，在太空边缘飞驰的天体，抑或只是较小而较接近我们的明亮物体而已？天文学家若不能断定这些明亮的螺旋体到底是哪一个，就无法解释这些星云的快速移动有何意义。

少数的天文学家持第一种看法：他们主张这些螺旋天体是个别独立的宇宙或真正极巨大又极遥远的星云，它们各自包含了亿万颗恒星。太阳只是组成其中一个独立宇宙的众多恒星之一，在浩瀚的太空中，我们的银河系不过是很多很多个小点之一而已。

但是，其他的天文学家却为无数独立的宇宙深感不安，因为从整体看，这样一来，不是将我们整个银河系降到无足轻重的地位了吗？所以他们偏向第二种解释，认为周围的螺旋天体只不过是很小、很近的物体——像小风车一样的气体在星际间的太空中盘旋。主张这种看法的有些人甚至争辩说，每个螺旋体都是新近诞生的一个太阳系。当一颗新星在螺旋体的中心形成时，随着它有一小群的行星从周围的气体中凝聚出来。一位英国的物理学家，詹姆斯·琼斯（James Jeans）对这些螺旋体的看法更为神秘，他认为这些螺旋体可能是从存在于另一层面的另一宇宙涌进我们宇宙的一些渠道，就像墙上的一道裂缝，让气体通过它，从一个房间进入另一个房间一般。

哈勃解决了这项争议。首先，他利用威尔逊山上那100英寸的望远镜，非常小心地拍摄了附近的几簇螺旋星云，他的照片显示出每簇螺旋星云内部都包含了极大数目的恒星，证实了这些螺旋体的确都是些独立的小宇宙，或称星云，跟我们的银河星云非常相似。再进一步看，既然这些螺旋星云包含了这么多的恒星，它们必定非常大，然而它们从望远镜中看起来又那么小。这意味着它们距离我们极远，远远超越了我们星云的境界。这是宇宙之大的第一个明确的征兆。

这些螺旋体到底有多远呢？哈勃认为只要找到这个答案，他就可以揭开斯里弗所观察星云远离我们而去的谜底了。他用了一个很简单的方法判断距离，也就是每一个在没有月光的黑夜的小路上开汽车的人所用的方法。如果有车从前方开过来，只要看它的车头灯有多亮就可推断距离了。如果灯光很亮，说明车子已经近了；若灯光较暗，则说明车子还远。按照这个推理，哈勃利用其他星云所包含恒星的亮度来判断距离。他采用驾车者的经验定规：星云中的恒星愈暗，它的距离愈远。^[1]就这样，哈勃测定了附近10多簇星云的距离。其中大多数的星云都在100万光年

图3.1　100英寸的天文望远镜

以外，其中最远的星云竟超过了700万光年。

这些距离相当惊人，远远超过我们银河系10万光年的距离。过去有少数人猜想宇宙可能会很大，但在哈勃测量成功之前，并没有人知道宇宙竟有这么广袤。

哈勃得到这些星云距离的数据之后，就回头思考斯里弗对这些星云运行速度的计算，他还有赫马森最新观察的数据相助。他用一张方格纸将这些星云的运行速度与距离标画出来之后，就发现了它们之间惊人的关系，称为“哈勃定理”：一簇星云距离我们愈远，它运行的速度就愈大。这一定理其实早已由戴斯特根据爱因斯坦的相对论预测出来了。两人在这定理上一致的见解对天文学家产生了极大的震撼。

到这时候，理论和观察都指出宇宙是在膨胀，也指出时间有一个开始。然而爱因斯坦开始时仍然拒绝这些新发现，坚持宇宙是固定不变的。直到1930年，他终于宣告说：“哈勃和赫马森新发现的遥远星云的光线所呈现的红移现象似乎更适合一个观点，就是宇宙一般的结构并不是固定不变的。”

在1930年代，弗里德曼所推论出来的“宇宙在膨胀”的模式和乔治斯·莱麦德（Georges Lemaitre，1894-1966，比利时天文学家和神父）所推论出来的一个与此相似的宇宙已成为众所周知了。当然哈勃也在这时发表了他著名的“宇宙膨胀定律”。同时关于热力学第二定律应用在宇宙上所指出的事实也有许多议论：宇宙像一个时钟，它绞紧的发条正在渐渐放松。倘若它是在放松，那么在从前某一个时间它必定是完全绞紧的。英国当代最负盛名的天文学家亚瑟·埃丁顿曾写道：“我们若是没看错的话，就必须将宇宙绞紧发条的时间看作自时光之始到现时之间某一点。”至于那是何时发生的以及这宇宙的发条是何人绞紧的，或如何绞紧的，在1920年代及1930年代期间，尤其令神学家、物理学家和天文学家们感到困惑。

图3.3　高倍镜下所见到仙女星云的边缘

图3.2　仙女座星云

图3.4　哈勃在操作威尔逊山上的100英寸望远镜

哈勃许多伟大的发现都是借着威尔士山上虎克望远镜取得的（图3.4）。许多年来，这是世界上最大的望远镜。在1920年代后期，哈勃开始使用这100英寸望远镜来断定宇宙是否真的在膨胀。为此他需要知道所有星系的距离及它们的运行速度。他开始利用一种名叫“脉动变星”的星体作尺度来测量它们的距离，这种星的准确亮度可从通过对我们银河系中类似的星体的研究而知。在对其他星系的“脉动变星”光暗的程度进行推算后，他就能估算出这些星系的距离。他使用这100英寸望远镜来估算距离是发现“哈勃定理”的关键。

这些仙女座星云的照片（图3.2）显示了哈勃如何证明这个发光的螺旋体和其他与它相似的天上光体都是包含极多恒星的星云（或称宇宙岛）的。用低倍镜看来（图3.3），这簇星云好像一个弥漫的大光体。（图中散布的点状光体是我们所属星系中的恒星。）但仔细观察，会发现这弥漫的大光体显出斑驳的特征，因为这是由无数独立的恒星构成的图像。在用高倍镜看星云边缘的一小角落时，这些个别的恒星一颗颗都看得清楚。

在这簇星云中央最明亮的区域是一大群极度密集的恒星，彼此挤拥得连最大的望远镜也不能把它们分开。这些恒星是很古老的，就是这簇星云新生时最先形成的星体。

在这簇星云的上边和下边那两个光体是细小的卫星性星云，被仙女星云的引力吸住，就像月亮被地球的引力吸住一样。每簇卫星性星云包含着好几十亿颗恒星。

【注释】

[1]要用这方法去准确地测量星云间的距离还有一个复杂的问题。那就是星云中各恒星的亮度差异可以很大。哈勃利用一种作参照的星叫脉动变星（Cepheid variables），它的真正亮度可以从我们银河系中类似的星来测定。在1，000万光年距离以内这方法都能适用。在这范围以外的星云所包含的脉动变星就已太暗淡，看不见了。对于更远的太空中的星云，哈勃设计了另一些方法去测量。例如，采用整个星云的亮度为距离的指标。