从哈勃到哈勃深空场（二）—膨胀在气球上的宇宙

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本期为从哈勃到哈勃深空场第二篇，上一篇为：《》

本期将介绍一下内容：

1，哈勃工作的意义

2，哈勃利用造父变星测距法估测的宇宙有多大

3，星系发光的红移现象是什么

4，哈勃定律是什么

5，哈勃定律解释了宇宙间的什么秘密

6，爱因斯坦为什么失眠

河外星系初窥端倪

在开启本期内容之前，先放几张精美图片作为开胃菜。

当我们仰望星空时，几乎看到的每一颗星星都来自银河系，虽然从非常久远的古代，人们就认识了银河。但是对银河系的真正认识还是从近代开始的。

甚至到了20世纪上半叶，天文学界仍普遍认为银河系就是整个宇宙。

但这真的不怪他们，银河系实在是太大了，有多大呢？它的直径足足够十万光年！

然而并非看到的每一颗“星星”都来自银河系，编号为M31的仙女座大星系和M33的三角座大星系，宛如两片云彩挂在夜空中。我们距离它们有26个银河系那么远。同时，它们也是肉眼可见的河外星系。

哪怕在后来人们发现其他星系后，仙女座大星系也是十分调皮而怪异的：星团中存在大量的超星系（爆掉的恒星），更重要的是这些超新星都非常微弱，仿佛离我们十分遥远

上期（）我们讲到哈珀通过测算仙女座大星系的距离发现它远在银河系之外，这一发现在1924年底由美国天文学会正式公布，尽管哈珀本人没有参加这次会议，但是当他的论文被宣读完毕，在场的所有天文学家都意识到1920年的天文界世纪大辩论就此终结了。

埃德温·哈勃（Edwin Hubble）于1923年在威尔逊山天文台（Mount Wilson Observatory）使用100英寸Hooker望远镜拍摄的仙女座“星云”的照相底片。底片中哈勃将他发现的那颗改变人类对宇宙认识的造父变星清楚地标注了出来，时间是1923年10月6日。右图为哈勃绘制地这颗造父变星的星光曲线

哈勃的工作让当时的天文学家认识到，星云不是银河系中的发光气体云，或者某个天体，而一定是像银河系一样的，由千亿颗星星构成的真正的另一个星系。所以当坚持认为银河系就是整个宇宙的沙普利收到哈珀观测结果的信件时，坦言“这封信毁了我的宇宙”。

从此，银河系不再是整个宇宙。 它更像是海滩上的一粒小沙子； 一个拥有无数舞者（星系）的芭蕾舞剧。地球所在的太阳系是在银河系第三旋臂即猎户旋臂上。而在2014年的一项研究中，天文学家将银河系附近的区域的数千个星系绘制后发现，我们的银河系并非一个孤单的宇宙岛，它处在一个包含着10万个星系的更为广泛的 超星系团 中，这个超星系团被称为Laniakea。当然这都是后话了

哈珀的工作为当时的科学家打开了一扇窗户，揭开了银河系之外宇宙的面纱。1925年，哈勃再次利用造父变星测距法测定了人马座星云NGC6822的距离，证实该旋涡星云其实也是一个河外星系。此后更多的星系被一个个发现，它们就像一个个岛屿一样遍布广袤的宇宙。

1850年德国红堡提出的宇宙岛概念，将宇宙视为大海，银河系和其他类似天体系统则视为大海中的岛屿。哈珀的工作使人类认识的宇宙的尺度从一个宇宙岛（银河系）一下子扩大到无数个宇宙岛（河外星系），从而揭开了探 索宇宙结构的新篇章。

星际大航海——宇宙有多大

在哈珀工作的基础上，全世界的天文学家开启了星际“大航海”，他们像四百多年前的哥伦布那样，利用遍及世界各个角落的大型天文望远镜寻找包含造父变星的星系。随着研究的深入和天文学家的努力，更大更遥远的星系开始遍及整个宇宙，进入人类的视野。

仙女座星系下的加利福尼亚州圣加布里埃尔山的威尔逊山天文台鸟瞰图，图片摄于1931年，保存于芝加哥大学图书馆

哈勃先用胡克望远镜去测量更为遥远宇宙的目标，他由数千年光年远的球状星团，延伸到造父变星测量所能达到的极限，也就是以300万光年为半径、包括20个星系的范围。由那里起，他再用旋涡星系旋臂中的蓝色超巨星作为粗略的测量标尺，进而测量一个更远的、包括200个星系的范围，这个范围距离我们3000万光年。这是当时天文望远镜所能观测宇宙范围的极限了。

当时天文学家已经能够观测到数千个亮度不一的星系，不过，这些星系都很暗淡，很多甚至无法分解成单个的恒星，因此从中分辨出造父变星就更困难了。

新的发现带来了新的难题，人类再次回到最初面临的那个问题：如何才能测定更远星系的距离呢？宇宙，究竟有多大呢？

聪明的哈珀又想出了一个巧妙的办法，他假设每个星系的绝对亮度都相差不大（尽管这样会带来不小的误差，但相对于估算值的大小而言是可以容忍的），既然已经知道了仙女座大星系离我们的距离，就可以通过其他星系的视亮度与仙女座大星系视亮度差距来计算它们相距多远，再利用仙女座大星系离我们的距离就能够得到其他星系与地球之间的距离。

哈勃用这种新的测量法很快探究到了当时的宇宙极限。

哈勃测算的宇宙有多大呢？！

远超10亿光年！

这个计算结果让哈勃大吃一惊，连他都不相信，离我们最遥远的星系居然有10亿光年之远，我们的宇宙之大，超出了所有人的估计。

让他们更想不到的是，这仅仅是人类在认识宇宙尺度上跨出的第一步，70多年后，另外一个“哈珀”又有了更加惊人的发现。

从多普勒到光的红移——一个生动却错误的类比

在日常生活中你我都有过这样的经验：当一辆车面前驶过时，当车向你的位置驶来时，你会发现鸣笛越来越尖锐，而当车逐渐远去时，鸣笛声调也 就随之逐渐降低了。这一现象的背后其实是一种物理原理，被称作“多普勒效应”——当车辆向你靠近时，声波被压缩，频率增高，声音变得尖锐；反之声波波长被 拉升，声调降低。

声音是一种波，当声源离我们越来越近，同一段时间内耳朵听到的“声音”越来越多，波长相当于被压缩了，频率就越来越大，音调也就越来越高；而声源离我们越来越远时，耳朵在同一段时间内收到的“声音”也越来越少，波长就会被拉长，声音的频率越来越小，音调也越来越低。声音的这种现象最先由奥地利的数学家物理学家多普勒在1842年发现并研究的，因此声音的这种性质也被称为“多普勒效应”。当时多普勒还定量研究了声源与自己相对运动速度和波长变化之间的关系。

后来人们进一步发现，多普勒效应实际上对所有的波都是成立的。而我们知道，光实际上就是一种电磁波，自然也就存在多普勒效应：当一个光源远离我们而去时，光波会被拉长，从光谱上看，光波向着红端移动。这样，通过多普勒效应您就可以理解“红移现象”了吧。

当光源靠近观测者时，在观测者看来光源发出的光向着光谱蓝端移动；反之，当光源远离观测者时，观测者收到的光向着光谱红端移动。原理与多普勒效应相同

星系发出的光有没有类似的红移效应呢？最开始测量星系星系红移的并不是人们常说的哈勃，而是集数学天赋和科学素养于一身的杰出天文学家斯里弗（Vesto Slipher）。正是他的开创性工作，指引了后来的哈勃观测星系红移。让我们来看看这个天文学史上的巨匠：

1914年斯里弗发现：夜空中的星云都在远离地球而去，因为它们的光谱普遍存在光谱红移的现象。而且，他还发现越暗的星云远离太阳系的速度就越快。但是当时斯里弗还无法确定星云的本质是什么，也就无法确切地阐释这一现象的原因。在进行了十几年的研究后，被测量误差困扰的斯里弗不得不放弃了这个领域。然而他却不知道， 他的天纵英才为打开宇宙大门准备好了撬杠，十年后，另一位巨匠，操起这把撬杠，将那扇蒙昧人类双眼的“大门”砸了个稀巴烂

时间转眼到了1928年，由于哈勃的工作，天文学家已经知道了星云其实是银河系外的恒星世界。而这些伟大的发现也为哈勃带来了巨大的声誉。当他和妻子在欧洲旅行的时候，处处受到人们的欢呼，好像他们是皇家贵族。频繁社会活动使得哈勃亲自观测星系的时间减少，却没有减少他对星系世界奥秘的渴求。在欧洲的旅行中，哈勃获得了灵感，开始酝酿一个新的观测计划。

哈勃和他的团队，图片由加州理工学院档案馆提供

1928年的一天，美国威尔逊山天文台的天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）询问他的观测助手赫马森 （Milton L Humason）：“你是否愿意和我一起试验一下测量星云的红移？”这一年哈勃39岁，已经是美国科学院最年轻的院士。

机遇倾向有准备的人

不知你身边是不是存在这样的人，上帝永远站在他那边。

哈勃就是这样一个人。

相比斯里弗而言，哈勃有很大的优势。首先，哈勃有着观测数百个星系的经验，对测量河外星系距离轻车熟路，因此研究河外星系红移和距离之间的关系对他而言水到渠成，而这对探索宇宙的结构有着极其重要的意义。

斯里弗利用洛厄尔天文台望远镜得到的观测数据一直为科学界怀疑，而哈勃使用的是当时实际上最先进，最大也是最好的天文望远镜——威尔逊山天文台的100英寸胡克望远镜。因此哈勃不但可以比斯里弗拍摄更暗的星系，而且可以以更高的精度获得红移。

100英寸（2.5米）口径的胡克望远镜造好之时，正是天文学家为了星云本质问题而束手无策的时候，从1917年到1947年，它一直是世界上最大的望远镜。胡克望远镜也被认为是世界上最高产的天文望远镜，通过它天文学家确认了宇宙的基本结构概念，得到膨胀理论的证据

哈勃还有一个得力助手、天文学界技术最熟练的观测专家之一赫马森（Milton LasellHumason，1891～1972）。拍摄星云的光谱，需要长时间的曝光，对天文学家的观测技巧和耐心要求很高，而赫马森是一个世界级的天文观测师。

赫马森14岁辍学，没有受过高等教育，开始是以杂工的身份加入威尔逊山天文台，但他高超的望远镜操作能力很快折服了天文台的天文学家沙普利 （Harlow Sharpley） 和台长海尔（George Hale），成为了正式的驻站观测人员。在过去十几年里，威尔逊山天文台最重要的观测结果都有他的功劳。哈勃自己当然也是一个优秀的观测家，但是现在他已经慢慢离开观测第一线，赫马森就成了保证他计划成功的重要一环。

红移现象——隐藏在光波中的惊天大秘密

研究星系红移过程中哈珀发现，几乎所有的星系都存在红移现象，红移现象不是个例，而是宇宙中星系普遍存在的规律。而且星系离我们越远，红移现象得就越厉害。哈勃的工作并没有就此止步，紧接着他用了好几年时间，测定了上百个星系的红移大小，并将红移大小换算成了视向速度，将之与星系距离显示在一张图上：

这张图的纵坐标为换算成视向速度的星系红移大小，横坐标为哈勃利用造父变星测距法观测到的星系距离。稍稍对数学敏感的朋友就会发现，视向速度与星际距离大致呈正比例关系

一看到这张图，哈勃立即发现视向速度和星系距离成正比例关系，并由此提出了大名鼎鼎的哈珀定律：V=HD，这里V表示星系远离我们的退行速度，D表示星系的距离，H表示哈珀常数，也就是说星系的退行速度与距离之比是一个定值，这个定值就是哈珀常数。

哈勃定律是近100年来，天文学发展的一个重要里程碑，也是现代宇宙学的基石之一。有一种说法是在1927年的时候，比利时天文学家勒梅特就已经在比利时的一个期刊上发表了一篇关于宇宙膨胀的文章。鉴于发表勒梅特论文的比利时期刊有限的流通量，以及他使用的是法语，人们认为他的非凡发现在当时很大程度上不为天文学界知晓。但是哈勃在1929年发表的发现很可能受到了勒梅特的影响，因为在1928年7月，勒梅特和哈勃在莱顿举办的IAU第三界会议上会面，会议期间，他们讨论了表明宇宙膨胀的天文学证据。

爱因斯坦失眠了

看起来哈珀定律就是个简单不过的数学公式，然而伟大的爱因斯坦看到这个公式却激动地睡不着觉，因为这个公式背后蕴含着一个惊天秘密。

让我们来介绍这几位大佬：左侧第一位就是哈勃的助手赫马森；左侧第二位就是哈勃；中间那位就是大名鼎鼎的阿尔伯特·迈 克耳孙，他精确测量了光速，完成了著名的迈克耳孙－莫雷实验，获得了1907年诺贝尔物理学奖，同时是美国芝加哥大学物理系第一任系主任；左侧第五位是爱因斯坦。照片摄于1931年，威尔逊山天文台图书馆

星云“红移”出现了多普勒效应无法解释的现象，多普勒效应中，波长的拉长幅度在波发出的那一瞬间就已经决定了，之后波在传播中就不会变化。而哈勃定律和观测数据显示，从遥远星系发出的光在随着时间在不断拉长，在光谱上是向着红端移动的，这就说明光波在宇宙空间传播时被“拉长”。这个来自深邃宇宙的诡异现象完全颠覆了多普勒效应带给我们的直观认识，立即引起了所有物理学家和天文学家极大地兴趣。

星系都存在着红移现象，而且距离地球越远的星系红移现象越剧烈

更加诡异的是哈珀定律适用于宇宙中任何观测点，你站在宇宙中任何一个位置观看，都会发现所有的星系在离你而去。毕竟地球是宇宙空间再普通不过的点。

实际上，可观测宇宙的时空体积正在扩大，哈勃定律就是对此的直接物理观察。 它以宇宙膨胀为基础，也是支持宇宙大爆炸模型的证据。

只有一种情形下才会出现这种景观，那就是宇宙整体在膨胀。就像一只吹大的气球一样。

举个不算恰当的例子（这个类比很生动、形象，被几乎所有的科普书所采用）：把一个气球吹大，对于气球表面这个二维“宇宙”而言，就相当于空间正在膨胀，如果在气球上用笔点几个点代表星系，就会看到随着气球的膨胀，这几个点彼此的距离会增大，代表星系彼此远离。反之，收缩的时候这些点的距离会减小。但是很明显，气球表面这个二维“宇宙”是没有边界的。在球面上并没有哪个点是特殊的，以每个点为中心看去，别的点都在远离这个参照点，因此可以说每个点都是中心。用一句行话来说，这个二维宇宙是“有限无界”的。

哈珀所观测到的宇宙就像这样的一只气球，所有的星系都在互相远离，这说明我们的宇宙正在膨胀中，这里的宇宙膨胀并不是宇宙在一个已经存在的某个空间中向外扩张，而是空间本身在不断膨胀拉伸。宇宙膨胀并不表示宇宙存在边界。不要问宇宙外面是什么，因为人类对宇宙本身仍不了解。

这就是这个看上去简简单单的哈珀定律告诉我们的宇宙秘密。

科学研究中实验与理论匹配完美的情况不多，而真正大师级的人物，他们的理论往往能够与实际数据相吻合又能预测未来。爱因斯坦的广义相对论就是这样的理论模型。哈勃对于红移现象观测的数据恰恰位于广义相对论曲线看起来比较线性的那一段。

而吻合的关键就在这条直线的斜率，在哈珀定律中，就是那个哈珀常数了。在当时样本数量十分有限，尽管这样却已经能够揭示一些端倪了。天文观测技术不断进步到现在，哈珀常数的观测更是越来越精确。

当远在欧洲的爱因斯坦读到哈珀的论文惊讶地好几天睡不着觉，因为哈珀的发现与爱因斯坦提出的广义相对论互为印证。爱因斯坦乐颠颠地来到威尔逊天文台，亲自趴在天文望远镜上遥望星空，试图要验证一下哈勃地定律。

爱因斯坦一直秉持静态宇宙观，而爱因斯坦的广义相对论方程告诉他，宇宙要么膨胀，要么收缩为一个点，为了使自己的广义相对论产生静态解，这位20世纪物理学教父亲自操刀设计修改了广义相对论方程，添加了一个被称为宇宙学常数的量，并认为这就是宇宙地正确状态。直到哈勃的论文发表之后他都将信将疑地来威尔逊山“视察”

但真正让爱因斯坦吃惊的是他自己开始因为不相信宇宙会膨胀而生生地在他的广义相对论方程中添加了一个不必要的常数，用以维持宇宙的稳定。据说，这是爱因斯坦一生中自认为最大的错误（这一直为俄裔物理学家伽莫夫津津乐道）。

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