第76章 科学面前无高低

第3站【膨胀中的宇宙】

哈勃出生在美国，马什菲尔德。

他的父亲是当地有名的律师。

哈勃是家中的第三个孩子，少年时期的哈勃是学校最优秀的学生不仅学习成绩名列前茅并且在体育方面显示出过人的天赋。

他在跳高，撑杆跳，支链球，铁饼等项目上的成绩都被载入了中学的历史记录当中。

在大学，哈勃是全国最优秀的大学篮球中锋之一。

然而，少年的哈勃最希望从事的专业却是天文学，可能他在高中时期的【自然科学】教师起了重要作用。

和今天多数的家长一样，哈勃的父亲坚决反对哈勃从事这样没有钱图（前途）的事业。

哈勃并没有和父亲过多争执。

事实上，他解决问题的方法，是取得一个【法律学位】来满足他的父亲。

哈勃中学毕业后，进入芝加哥大学，以优异的成绩得到了【准学士学位】，之后，他获得了非常难得的【罗兹奖学金】去欧洲深造。

并在牛津大学的女王学院拿到了他父亲所希望的法律学位。

但在哈勃的父亲去世后，他又转回了天文学领域。

在摩尔顿的推荐下，他开始在叶凯士天文台攻读博士学位。

在读博期间，哈勃主要致力于为【暗星云】拍照的工作，虽然成绩卓著，但是他的注意力开始由简单的观测星云转移到探究星云的本质上。

1920年，哈勃也是威尔逊山天文台的年轻天文学家，大辩论之后。

沙普利引得哈弗天文台台长的职务，这对他来说是一份巨大的荣誉，但同时，他离开了威尔逊山的物镜口径为2.5米的望远镜。

这使他永远失去了获得人类天文学史上获得最伟大发现的机会。

而哈勃很快成为了威尔逊山天文台旗手人物。

那时的哈勃早已经敏锐的意识到‘大辩论’争论的关键是如何定出所谓的【漩涡星云】的位置。

而研究的路径是已经被沙普利指明了，那就是去寻找漩涡星云中的【造父变星】。

那时的哈勃拥有世界上最优秀的望远镜以及大量的观测时间。

结局世纪争论只是时间问题。

1923年，在沙普利任在和各路人马论战的时候，哈勃观测到了【仙女座大星云】悬臂上的一颗【亮星】。

这颗恒星在发现不久前还非常暗淡，但是在1923年10月初的几天里，突然便亮！

一开始，哈勃认为这是一颗新星，【新星】是【白矮星】短暂的爆发现象。

所谓【白矮星】是小质量恒星演化的终点，密度非常高。

【白矮星】有时会和其他恒星组成【双星系统】在这些双星中。

有的【白矮星】会利用引力作用，【吸积】同伴的物质，这些物质会在白矮星表面慢慢堆积，最终会产生短暂的【核聚变反应】，从而使得亮度在短时间内急剧升高。

哈勃通过检视之前的底片，忽然意识到，这个突然出现的天体其实并不是一颗新星，而是一颗造父变星。

这样，哈勃就能测量大仙女座的距离了！

利用造父变星的周期，光度关系，哈勃测得【仙女座星系】距离地球是100万光年。

这个距离是沙普利银河模型的三倍多，不但意味着【仙女座大星系】是独立于【银河系】之外的存在，也意味着，原本它应该非常亮，发光能力不逊色于银河系。

仙女座大星云一定也是一个巨大的恒星世界！

哈勃发现【造父变星】后，沙普利是他第一个写信通知的同行，这个消息对沙普利来说犹如‘晴天霹雳’！（这里晴天霹雳的意思是，沙普利被高武世界的武者用【晴天霹雳掌】击中要害，整个人从身体到心灵，从心灵到灵魂都被雷的外焦里嫩。）

更不用说这击破他宇宙模型的一击，利用的就是他自己研究出来的‘武器’，甚至哈勃用来测量【周光关系】的底片很多都是沙普利发现，留下备案的。

一段时间内，沙普利似乎希望，这是哈勃犯下的低级错误。

但不断有更多的【变星】，在其他的漩涡星云中被发现。

所有的数据都在支持哈勃的论断！

大部分螺旋星云确实是和银河系一样巨大的恒星系统！有的甚至比银河系大的多的多！

宇宙的疆域远远大于银河系。

1928年的一天。

哈勃询问他的观测助手，米尔顿·赫马森：

‘亲爱的，米尔顿同志！你是否原意和我测量下一星云的【红移】？’

这一年，哈勃39岁，是美/国科学院最年轻的院士。

四年前，他测量一系列星云的距离，使人类第一次确定，银河系并非宇宙的全部，夜空中的一个个星云实际上是一个个和银河系一样璀璨的大星系世界，恒星系统群世界。

这就是所谓的【河外星系】。

这个伟大的发现，为他带来了巨大的声誉。

当他和妻子在欧洲旅行的时候，处处受到人们的欢迎，好像他们是皇家贵族。

频繁的社会活动，使得哈勃亲自爬上望远镜的时间大大减少。

却没有减少，他对探索，星际世界奥秘的渴求。

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。

所谓【红移】是指，【星系光谱】的移动。

星系发出的光并不是单色的，而是由不同波长的光组合成的。大家可以度娘一下，搜索关键词【美丽的星云照片】，你会知道，【种花家】物镜直径5公里的【超级光学望远镜】的视角下，宇宙是多么的美丽！

用【光谱仪】把星系的光分解成不同频率的光，我们就得到了星系的光谱。

如果星系相对地球有运动，按照【多普勒效应】，星系的光谱会发生移动。

当，星系朝向地球运动时，星系发出的光，波长会变短一些。

假如，星系远离地球而去，星系发出的光，波长就会长一些。

天文学家习惯将短波长方向称作蓝端，而将长波长方向称作红端。

因此，星系光谱的变化就被对应的称作【红移】或【蓝移】。

早在1914年。

美/国天文学家，维斯托·梅尔文·斯利弗，就宣称，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【宇宙学红移】的现象。

而去，斯利弗发现，越暗淡的星云远离太阳系的速度就越快。

但是在1914年，斯利弗还无法确定，星云的本质是什么，也就无法阐释这一现象背后的原因。

在进行了近10年的研究后，被测量误差困扰的斯利弗不得不放弃了这个领域。

然而，哈勃在1923年10月的发现让人类知道了，那些【漩涡星云】其实是【银河系】外的超级恒星群世界。

测量【星云红移】或许应该正确的称为【河外星系红移】，实际上就是测量河外星系远离银河系的速度。

在哈勃看来研究光谱移动，将会为研究宇宙空间的疆域提供重要线索。

哈勃知道，自己具有两个斯利弗并不具备的优势。

第一个优势是哈勃有办法测定【河外星系】的距离。

因此，他可以研究河外星系红移和对地距离之间的关系，而这对探索宇宙的结构具有重要意义。

哈勃的第二个优势是，他可以使用，当时世界上最好的望远镜，威尔逊山天文台100英寸（约2.5米）的胡克望远镜。

当时科学界对斯利弗提供的数据质量表示怀疑，猜测他观测到的数据红移可能不够准确。

胡克望远镜远比斯利弗使用的洛颚尔天文台望远镜强大。

因此，哈勃不但可以比斯利弗拍摄更暗的星系，而且可以更高的精度获得【红移】数据。（老斯这是吃了装备的亏啊！老斯只想说，宝宝心里苦，但是宝宝不说！）

事实上，哈勃还有第三个优势，那就是赫马森的经验。

拍摄星云的光谱需要长时间曝光，对天文学观测者需要的耐心和技巧要求很高。

而米尔顿同志是威尔逊天文台最优秀的观测天文学家。

米尔顿·赫马森同志14岁辍学，没有受过高等教育，最开始是以杂工的身份进入威尔逊天文台。

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和台长海尔，成为正式的驻站观测人员。

在过去的十几年里，威尔逊山天文台，很多重要的观测结果都有他的功劳。

当然，哈勃自己也是一个优秀的观测家，但，他已经慢慢离开观测第一线。

米尔顿同志就成了保证哈勃计划成功的重要一环。

在科学探索的领域，科学家们传统意义上的基础文化显得苍白无力。

科学面前，无学业、血统、物质财富方面的高低贵贱之分，谁对宇宙（这里的宇宙指包括可观测宇宙内一切微观、宏观可见物质、不可见物质）认知更加深刻，谁就是爷！

让我们来稍微回顾一下，哈勃测量星系距离的手段，在上一章，我们已经谈论过【三角视差法】。

这是天文学最准确的测量距离方法。

地球在公转轨道上运行的时候，远处的恒星在【天穹】上的位置，会因为观测者视线方向的变化，而产生相对【恒星背景】的位移。

观测者通过观测目标天体，在一年中，相对【恒星背景】的变化，就可以通过【三角视差法】计算出目标天体的距离。

但是三角视差法，无法测量非常远的距离。

那些非常远的天体在天穹上的移动角度太小了。

例如，哈勃当初就无法利用视差法计量【河外星系】的距离，而不得不用【造父变星测距法】。

造父变星测距的思路，和三角视差法完全不同，造父变星是一种所谓的标准烛光，它们就好比一个个出场功率标定的灯泡。

天文学家通过比较这些‘灯泡’的观测亮度和它们的真实亮度，就可以计算它们的距离。

书友们请注意！

灯泡的额定功率需要实验校准。

【造父变星】的周光关系也需要其他独立的观测校准。

怎么做呢？

天文学家，首先要对太阳系附近的【造父变星】进行视差法测距，这样，这些造父变星就有了一个独立而且精准的测量。

通过这个距离就可以标定他的周光关系。

之后，天文学家就可以把标定好的周光关系，用于更远处的【造父变星】了！

【造父变星】在恒星中算是比较明亮的，但它毕竟只是一颗【恒星】。

当河外星系距离银河系超过150万光年后。

即使，威尔逊天文台的望远镜也无法分辨出其中的造父变星。

这时，哈勃必须寻找新的标准烛光来测定距离，而新的【标准烛光】又需要新的【造父变星】来校准。

利用不同的测距方法，一级接着一级向宇宙深处迈进！

这样一来，哈勃就可以构建，宇宙的距离阶梯了。

三角测距是哈勃的第1阶梯。

造父变星是第2阶梯。

哈勃同志和赫马森同志寻找的第3阶梯是星系中最亮的恒星。

哈勃同志做了一个简单的假设，认为它们的绝对亮度与【银河系】中最亮的恒星相同。

这种假设的前提是，所有的星系都有非常相似的恒星亮度分布。

哈勃的第4阶梯是星系团的亮星系。

他假设在星系团中第5亮的星系总是具有相似的亮度。

哈勃的第3和第4阶梯观测检验，用今天的眼光（本文出版于2011年）来看远不如前2级阶梯稳固。

无论如何，哈勃利用了它们开始了自己的宇宙探索。

哈勃的计划，野心勃勃。

他们观测的第1个星系就斯利弗观测的所有星系都暗。

这显示了胡可望远镜的强大威力（当然了在种花家全球最强光学望远镜【盘古望远镜】，5公里直径，5000米的口径下，其他国家的天文望远镜都是弟弟。）

这个星系像预料中的一样显示出比之前所有观测的星系都高的【红移】。

它以大约3000公里/秒的速度逃离地球。

这个数据是之前，斯利弗最高测量到的星系红移数据的2倍。

到1929年，哈勃和赫马森已经收集了40多个星系的红移。

虽然能够测量距离的星系只有24个。

1929年，哈勃发表了这批观测结果，这篇划时代的论文只有短短6页。

在论文中，哈勃将这些星系的红移和他们的距离对应起来，画在一张图上。

通过这篇论文，人们惊奇的发现这些星系远离地球的速度，正比于【距地距离】。

哈勃用大写字母K，代表星系退行速度和星系距离的比值。

计算出v=H0*D（v=K*D）

MPC=500公里/秒

其中，v是由红移现象测得的星系远离速率，H0（K）是哈勃常数，D是星系与观察者之间的距离。

这里的MPC是一种天文距离单位。

其中v是由红移现象测得的远离速率，一般表示为km/s。H0是哈勃常数，在弗里德曼方程中对应着数值H（通常称为哈勃参数，是一个取决于时间的值，由时间的观测得来，以下标0来区别。）此常数在宇宙中对任意保角时间（conformal  time）而言皆是相同的。  D是光相对于观测者的惯性坐标系穿越星系的适当距离，以百万秒差距（Mpc）作为测量单位。

1秒差距大约等于3.26光年。

换句话说，哈勃的观测，意味着326万光年外的星系，正以每秒500公里的速度远离地球。

这就是著名的【红移距离关系】。

为了纪念哈勃的贡献。

后来的研究者，将这个关系称作【哈勃定律】并用HO代替K表示为这个定律中的基本比例系数。

H是哈勃姓氏的首字母。

为什么星系会存在红移距离关系呢？

在1929年的论文中，哈勃没有过度阐释，这个关系的内涵，只是谈到它可以反应了宇宙学家们谈到的【时空效应理论】，并没有进一步阐述。


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