照亮宇宙的燈塔

在宇宙的某個(gè)角落，漂浮著一顆暗淡的藍(lán)點(diǎn)，這就是我們的家園——地球。這顆藍(lán)點(diǎn)上的生物，用他們的好奇心和智慧，一次又一次地揭開宇宙的神秘面紗。其中，最讓人驚嘆的一次探索，來自一位名叫埃德溫·哈勃的天文學(xué)家。100年前，正是這位堅(jiān)韌的科學(xué)家仰望星空，不斷追問著那些讓人困惑的謎團(tuán)，才終于讓我們找到了照亮宇宙的“燈塔”。

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，隨著光譜學(xué)的發(fā)展，天文學(xué)家對宇宙開展了更加深入的探索，逐漸揭開了這些神秘星云的面紗。在19世紀(jì)60年代，天文學(xué)家對星云發(fā)出的光進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)其中一些星云的光譜與灼熱的氫氣相吻合，說明那里只有星際氣體。而其他一些星云的光譜更為復(fù)雜，類似于恒星的光譜。統(tǒng)計(jì)表明，大約2/3的星云實(shí)際上屬于后者，不少星云還顯示出復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，因此在當(dāng)時(shí)被稱為“螺旋星云”。然而，這些進(jìn)展卻引發(fā)了更多的疑問：這些螺旋星云到底是在銀河系內(nèi)部還是外部？當(dāng)時(shí)的人們對此無法達(dá)成共識(shí)。

天文學(xué)家注意到，螺旋星云中的一些恒星會(huì)偶爾發(fā)生被稱為“新星”的爆發(fā)。新星的特性在于它們的固有亮度大致相同，天文學(xué)家稱之為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。這意味著，新星可以用來測量距離。比如，如果你近距離觀察一枝燃燒的蠟燭，它會(huì)顯得很亮。但是，如果你站在遠(yuǎn)處看，它就顯得暗了許多。這是因?yàn)楣庠趶墓庠窗l(fā)出后以球形擴(kuò)散，而你離光源越遠(yuǎn)，光照到你的部分就越少。因此，通過測量新星的亮度，我們就可以大致推測出它距離我們有多遠(yuǎn)。

1917年，天文學(xué)家在被認(rèn)為是螺旋星云的仙女星系中發(fā)現(xiàn)了4顆非常暗淡的新星。這些新星的暗淡程度表明，仙女星系距離地球大約1000萬光年。大約在同一時(shí)間，美國天文學(xué)家哈洛·沙普利利用另一種恒星—天琴RR型變星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，測量了銀河系的大小，卻發(fā)現(xiàn)其直徑只有幾十萬光年。

沙普利認(rèn)為螺旋星云是銀河系中的天體，而銀河系就是整個(gè)宇宙。然而，另一位天文學(xué)家柯蒂斯不同意這個(gè)觀點(diǎn)，他認(rèn)為螺旋星云實(shí)際上是獨(dú)立的星系。于是，一場關(guān)于宇宙的世紀(jì)大辯論開始了。

1920年年初，美國科學(xué)院為提升其影響力，計(jì)劃組織一場面向公眾的辯論，并邀請兩位知名的科學(xué)家參與。雖然有人提議可以開展一場關(guān)于冰川的辯論，但威爾遜山天文臺(tái)臺(tái)長喬治·海爾堅(jiān)決反對，他認(rèn)為應(yīng)該選擇最前沿的科學(xué)問題，以期產(chǎn)生更大的社會(huì)影響力。因此，他推薦了兩個(gè)辯題，即愛因斯坦的相對論以及宇宙的尺度。

由于相對論在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為過于超前，美國科學(xué)院最終選擇了關(guān)于宇宙的尺度這個(gè)辯題。有了辯題，接下來就是選出辯手。根據(jù)海爾的建議，沙普利和柯蒂斯被選為最合適的參與者。沙普利作為正方，他堅(jiān)持銀河系就是宇宙的全部；而柯蒂斯作為反方，他相信“宇宙島”理論，認(rèn)為銀河系外還有很多其他星系。雙方爭論的焦點(diǎn)，就在于銀河系究竟有多大。

1920年4月26日，這場舉世矚目的世紀(jì)大辯論在美國紐約市的史密森自然歷史博物館拉開帷幕。沙普利主要依據(jù)球狀星團(tuán)的觀測數(shù)據(jù)，提出銀河系的直徑約為30萬光年；柯蒂斯則基于黃矮星的分析，認(rèn)為銀河系直徑僅為3萬光年。事實(shí)上，目前的天文觀測結(jié)果顯示，銀河系實(shí)際直徑應(yīng)為10萬光年。那么為何這兩位頂尖的天文學(xué)家都沒有得出正確的結(jié)論？原因在于，他們采用的距離測量方法存在問題。

其實(shí)，無論是球狀星團(tuán)還是黃矮星，都不能作為可靠的測距標(biāo)準(zhǔn)燭光。后來的經(jīng)驗(yàn)表明，最靠譜的測距工具是勒維特發(fā)現(xiàn)的造父變星。造父變星作為一類亮度呈周期性變化的天體，其光變周期和光度相關(guān)。所以，被認(rèn)為是宇宙中最靠譜的標(biāo)準(zhǔn)燭光。

盡管這場世紀(jì)大辯論吸引了大量的公眾關(guān)注，但并未改變天文學(xué)界的分歧。具體來說，對于仙女星云這樣的螺旋星云到底是屬于銀河系還是獨(dú)立星系的問題，各方依然是“公說公有理，婆說婆有理”。直到3年后，一位年輕人才為這場世紀(jì)大辯論畫上了句號(hào)，這個(gè)人就是美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃。

哈勃和沙普利是來自密蘇里州的老鄉(xiāng)，他們的出生地相距不過150千米。哈勃比沙普利小4歲，出生在一個(gè)中產(chǎn)階級(jí)家庭。他從小學(xué)業(yè)成績就非常優(yōu)秀，而且身材高大，是個(gè)體育特長生。哈勃的外公在他8歲的時(shí)候送給他一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡，這激發(fā)了他對天文學(xué)的興趣。然而，由于父親的要求，他大學(xué)和研究生階段分別是在芝加哥大學(xué)和牛津大學(xué)主修法律。后來，從英國學(xué)成歸國的哈勃，并沒有從事法律工作，因?yàn)樗麤]能通過美國的司法考試。所以，他只好跑到家鄉(xiāng)的一所高中教數(shù)學(xué)，并且兼任校籃球隊(duì)教練，成了名副其實(shí)的“教數(shù)學(xué)的體育老師”。不久后，他在一位教授的幫助下，得以重返芝加哥大學(xué)攻讀天文學(xué)博士學(xué)位。

1914—1917年，哈勃在隸屬于芝加哥大學(xué)的耶基斯天文臺(tái)學(xué)習(xí)和工作，他的天文學(xué)生涯也正是從那一時(shí)期開始的。當(dāng)時(shí)，他的研究課題是用一臺(tái)約1米口徑的折射望遠(yuǎn)鏡拍攝微弱星云的照片，這是當(dāng)時(shí)最好的望遠(yuǎn)鏡之一，也是有史以來最大的折射望遠(yuǎn)鏡。哈勃研究了星云的本質(zhì)特征，并通過外觀對星云進(jìn)行了分類。到1917年的時(shí)候，基于這些觀測，他確信有些星云一定位于銀河系之外，尤其是那些巨大的螺旋星云。

然而，他的這些觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)并未得到進(jìn)一步的發(fā)展。1917年4月，因?yàn)榈谝淮问澜绱髴?zhàn)的緣故，哈勃在完成博士論文答辯后就去參軍了。盡管哈勃參加了殘酷的世界大戰(zhàn)，但他在美國本土駐扎了一年多才被派往歐洲，而且他在法國服役的那段時(shí)間也沒有真正上過戰(zhàn)場。

不久，他就以少校的軍銜退役，隨即被喬治·海爾以年薪1500美元聘請到威爾遜山天文臺(tái)。1919年9月，哈勃回到威爾遜山天文臺(tái)，成為天文臺(tái)的正式工作人員。威爾遜山天文臺(tái)是現(xiàn)代天文學(xué)的圣地，在哈勃到來前不久，這里剛建成了2.5米口徑的胡克望遠(yuǎn)鏡，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡在接下來的30多年里一直是全世界最大、最先進(jìn)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

在這里，哈勃遇到了他一生的競爭對手，那就是沙普利。哈勃和沙普利都將胡克望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了仙女座星云和其他星云。然而，沙普利不久后便離開了威爾遜山天文臺(tái)，接任了哈佛大學(xué)天文臺(tái)臺(tái)長。這樣一來，哈勃就得到了更多寶貴的觀測時(shí)間。正是得益于大型望遠(yuǎn)鏡的使用和攝像技術(shù)的改進(jìn)，哈勃成功地抓住了人生機(jī)遇。在強(qiáng)大望遠(yuǎn)鏡的加持以及照片長期曝光的操作下，星云中那些原本肉眼看不見的現(xiàn)象，在他的底片中接二連三地出現(xiàn)。值此，哈勃一鳴驚人。

1923年10月4日夜晚，哈勃將胡克望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了仙女座星云的旋臂。雖然當(dāng)時(shí)的觀測條件并不理想，但他還是成功拍攝了一張照片。在40分鐘的曝光后，照片上出現(xiàn)了一個(gè)點(diǎn)，看起來像是仙女座星云中一個(gè)可疑的新星。當(dāng)然，這也有可能只是沖洗照片時(shí)不小心留下的痕跡。這一新發(fā)現(xiàn)立刻引起了哈勃的好奇，他在第二天晚上再次進(jìn)行觀測，并且延長了曝光時(shí)間。當(dāng)他將新拍攝的仙女座星云照片與之前的照片進(jìn)行對比后，他又發(fā)現(xiàn)了兩顆新星。按照慣例，他在照片上將這些新星標(biāo)記為“N”（nova）。第二天，他帶著新發(fā)現(xiàn)滿懷喜悅地離開了天文臺(tái)。

回到辦公室后，哈勃開始仔細(xì)對比天文臺(tái)的底片檔案，他發(fā)現(xiàn)其中一顆被他標(biāo)記為新星的星，其實(shí)在過去的記錄中就已經(jīng)出現(xiàn)過。這意味著這顆星并不是新星，而是一顆時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的變星。這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓哈勃興奮不已，他立刻將照片上的“N”擦掉，寫上了“VAR”（variable）。這個(gè)毫不起眼的星點(diǎn)，讓他神魂顛倒。在核實(shí)無誤后，哈勃激動(dòng)不已，他十分確定這就是變星，而且正是造父變星，這是在仙女座星云中首次發(fā)現(xiàn)造父變星。

很快，哈勃畫出了這顆星的光變曲線，并測出其光變周期是31.415天。他又利用被測恒星視星等以及造父變星的周光關(guān)系得出了最終結(jié)論，這顆恒星離地球約有90萬光年。沙普利在很早前就已經(jīng)確定了用周光關(guān)系測定造父變星距離的基準(zhǔn)，所以哈勃能夠據(jù)此輕松估計(jì)出仙女星云與地球的距離。

此前，沙普利通過星團(tuán)的測量發(fā)現(xiàn)，銀河系比所有人想象得都要大，以至于他認(rèn)為銀河系就是整個(gè)宇宙，而宇宙的大小也不過是30萬光年。然而，哈勃發(fā)現(xiàn)仙女座星云中的造父變星到地球的距離是沙普利宣稱宇宙直徑的3倍。毫無疑問，仙女座星云是銀河系之外的另一個(gè)恒星世界。

在接下來的幾個(gè)月里，哈勃在仙女座星云中又發(fā)現(xiàn)了1個(gè)造父變星和9個(gè)新星，而且根據(jù)它們得出的結(jié)論也都是一致的。此外，哈勃在其他星云中也發(fā)現(xiàn)了造父變星和新星。1924年2月19日，依然沉浸在興奮中的哈勃給沙普利寫了一封信，他在信中開門見山說道：“親愛的沙普利：你可能會(huì)有興趣知道，我已經(jīng)在仙女星云中找到了一顆造父變星……”他還在信中附上了一幅描述這顆星的光強(qiáng)變化的曲線圖。雖然這顆亮度只有18等的星極其微弱，但其光強(qiáng)變化周期卻長達(dá)31天。根據(jù)周光關(guān)系，如此長的周期表明這顆恒星的內(nèi)在亮度極其明亮，參照其微弱的視覺亮度，說明它距離地球非常遙遠(yuǎn)。

據(jù)沙普利的高徒塞西莉亞·佩恩回憶，沙普利在看到哈勃的來信后便立刻領(lǐng)悟到，他自己的宇宙圖景已經(jīng)完全被摧毀了，他無奈地哀嘆道：“這封信摧毀了我的整個(gè)世界。”沙普利為此倍感惆悵與失落，他認(rèn)為，他當(dāng)年若留在威爾遜山，這些偉大的發(fā)現(xiàn)也許就沒有哈勃什么事了。

1924年年底，美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)在華盛頓舉行了為期6天的年會(huì)。美國天文學(xué)會(huì)也一起湊熱鬧，同時(shí)舉行年會(huì)。普林斯頓大學(xué)教授亨利·諾里斯·羅素，也就是赫羅圖的創(chuàng)建者之一，曾多次給哈勃去信邀請他參會(huì)，并且暗示他的論文一定能夠贏得天文學(xué)會(huì)的年度大獎(jiǎng)。

哈勃的發(fā)現(xiàn)不僅在天文學(xué)圈子里不脛而走，就連《紐約時(shí)報(bào)》等媒體也紛紛報(bào)道了哈勃發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)宇宙的消息。但是，哈勃遲遲沒有提交論文，他害怕自己的數(shù)據(jù)或推論存在紕漏，于是躲在威爾遜山上繼續(xù)拍攝照片，希望能掌握更多的數(shù)據(jù)。在羅素的反復(fù)催促下，哈勃終于給他寄去了一篇論文稿。他自己則繼續(xù)待在威爾遜山，并沒有去參加會(huì)議。

1925年的元旦注定要成為一個(gè)重要的歷史性時(shí)刻。在喬治·華盛頓大學(xué)新建的大禮堂里，羅素宣讀了哈勃題為《螺旋星云中的造父變星》的論文。哈勃在論文中報(bào)告說，他已經(jīng)在仙女座星云中找到了12顆造父變星，在另一個(gè)星云中找到了22顆，而在其他一系列星云中，他也看到了變星的跡象。不僅如此，他還報(bào)告說已經(jīng)能夠清晰地看到星云的外緣，是由一顆顆可辨認(rèn)的恒星組成。所以，這些星云不僅非常遙遠(yuǎn)，也不像沙普利猜測的那樣由氣體塵埃組成，而是像銀河系一樣群星璀璨。

關(guān)于“宇宙島”的爭論終于平息了，一個(gè)超乎人類想象的大宇宙呈現(xiàn)在人們的面前。銀河系之外是更為廣闊的世界，有無窮無盡的星系分布在無垠的宇宙中。自此，天文學(xué)進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。