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让爱因斯坦认错的牛人：提起“哈勃”你只知道望远镜？

admin2022-12-04 05:41 573人已围观

简介让爱因斯坦认错的牛人：提起“哈勃”你只知道望远镜？

他改变了人们对宇宙的看法，现今的天文学家正沿着他所开创的方向研究宇宙，在太空巡天的一架巨型望远镜也是以他的名字所命名的，他就是美国天文学家埃德温・哈勃。

埃德温・哈勃

埃德温・哈勃生于美国密苏里州。他在芝加哥大学学习，直到毕业多年以后，芝加哥大学的不少老师还记得他。这个高大而腼腆的男孩仪表堂堂，不善言辞也不喜欢交际，除了语言课，其他的成绩都很优秀。出类拔萃的体育特长，使他在校很出名，仅在 1906 年的一次田径赛上，他一口气赢得了撑杆跳、铅球、铁饼、链球、立定跳高、助跑跳高和接力赛的 7 项冠军，同年又创造了伊利诺伊州的跳高纪录，除了田径，他还喜好篮球、足球和长跑，在一群热爱长跑的男孩子中，总能看到这个高大的身影，他还是芝加哥大学高校篮球冠军队的主力队员。

1914 年 5 月，哈勃实现了自己的梦想，来到芝加哥天文台学习和工作，1917 年从这里获得博士学位后，哈勃接到了加州帕萨迪纳威尔逊山天文台的邀请，这是一个绝佳的机会，但在博士毕业答辩后，因一战爆发，他参了军，1919 年，他身着一身军装来到了威尔逊山天文台。

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哈勃和他的妹妹露西

哈勃很幸运，他在恰当的时间来到了一个恰当的地方。当时的天体物理学作为一门新兴的学科刚刚起步，威尔逊天文台成为这一领域的观测中心点，而当时在世界上最具威力的天文观测工具 ——100 英尺高，口径 2.5 米的胡克望远镜，经过了近 10 年的组装刚刚建成。踌躇满志的哈勃脱下军装即投入了工作。

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胡克望远镜

在其后的 10 年里，哈勃着手研究有关宇宙的两个最基本问题，宇宙到底多大？存活了多久？要弄清这两个问题，就要知道某个类星系距离我们多远，它正在以什么方式运动。天文观测日复一日、年复一年，在冬夜的山顶上，要忍受刺骨的寒风，在白天还要面对繁复而毫无生气的数字，对一般人来说，这是一个寂寞难耐的工作，但哈勃却痴迷其中。

在这一时期，著名天文学家、哈佛大学的哈罗・沙普利（Harlow Shapley），后来也是他所遭遇的一位最强大的竞争对手，因为刚完成了对银河系尺度的测量而蜚声世界。恰好这时，哈佛学院的一位天才的女天文学家亨利埃塔・勒维特（Henrietta Leavitt）提出了一个非常聪明的方法，这就是以造父变星作为天体距离的基准，这个方法成为哈勃工作的基础。

造父变星是一种具有“心跳”特征的红巨星，通常又被称为标准烛光星。在燃烧剩余燃料的过程中，造父变星不仅非常明亮，亮度的明暗变化也有着特定的周期，因而很容易辨识它们。

通过造父变星在天空中不同角度的大小，可以计算出它们之间的相对位置，再利用观察造父变星的亮度，即可以测算出所在星系与地球的相对距离。沙普利得到的结果是，银河系的宽度是 30 万光年，然而根据现在的测量结果，银河系整体像一个中心略厚的大圆盘，直径是 10 万光年，中心厚度是 1.2 万光年。在当时，由于沙普利的声望，天文学界普遍认为，30 万光年就是宇宙的尺度了。

从 1919 年开始，哈勃在加州威尔逊山天文台，利用胡克望远镜先后观测了包括仙女座、三角座在内的几个涡旋星系，测量它们到地球的距离。

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1923 年 10 月他有了第一个新发现，这是仙女座星座 M31 星云中的一颗新星。他仔细地反复考察了过去在同一位置上，由其他天文学家也包括沙普利所拍摄的照片，辨认出这颗星是仙女座的一颗变星，于是，他利用勒维特的方法测量这个变星的距离。他发现这颗变星所在的 M31 星云与地球的距离竟然有百万光年之遥。一开始，他对自己得到的结果表示怀疑，接着，他又考察了包括三角座在内的其他几个涡旋星系，发现这些星系也远远地越过了银河系之外，不仅如此，它们也像银河系那样，自身就拥有千百万颗恒星。

哈勃所观测到的结果表明，实际的宇宙要比人们设想的大很多，银河系只是宇宙众星系之一。这个结论在当时很难叫人接受，无疑像当初由日心说代替地心说那样，颠覆了前人对宇宙的认识。

哈勃的发现遭到了包括沙普利为首的许多天文学家的反对。尽管如此他还是把观测结果和想法发表在《纽约时报》上。他把论文正式递交到美国天文学会，并于 1925 年 3 月 15 日正式发表在《美国国家科学协会公报》上。《纽约时报》称这是一个重大发现，且在报道中说：“哈勃博士发现的涡旋星云，证实它也像我们自己的（银河系）一样，是一个‘宇宙岛’世界。”后来的天文观测证实哈勃是对的。哈勃的发现，把人们对宇宙前沿的认识向外扩展了几百万光年。由于这一伟大的发现，哈勃荣获了美国科学学会奖和波顿・利文斯顿委员会颁发的奖金。

哈勃的成果仅是个开始，他再次有了更大的突破。1929 年，他利用帕洛马山天文台的 5 米口径望远镜，对过去发现的星系逐个做了重新考察，他发现，从遥远星系发出的光波波长都变长了，谱线都朝向红端移动，这无疑是多普勒效应在光波中的反应，称为“红移”现象，是光源在远离我们移动的结果。哈勃由此断定，遥远的星系不仅在远离我们退行，星系间也在彼此远离。

有了这个发现，哈勃激动不已，他利用光谱 “红移”量的大小，计算出遥远星系彼此远离的速度。经仔细研究，他发现了一个重要的规律，这就是“星系彼此远离的速度与它们之间的距离成正比”。后来这个规律被称为“哈勃定律”，而速度与距离的比值就是“哈勃常数”。

哈勃随后的一个结论就更是惊天动地，他说：“这意味着，宇宙可能开始于一次令人难以置信的大爆炸，也就是宇宙大爆炸。”关于宇宙大爆炸，哈勃的说法与比利时神父乔治・勒梅特的说法如出一辙，但两个人沿不同的途径，一个从天文观测，一个从理论推导，两人殊途同归，得到了同样的结论。

1927 年，勒梅特首先得到了爱因斯坦引力场方程的解，根据这个解的性质，他指出宇宙在膨胀，同时也最先提出宇宙起源于一个“原始原子”，由于这个不稳定的“原始原子”发生的大爆炸，创造了现今的宇宙，致使宇宙至今还持续膨胀着。可惜的是，勒梅特的论文发表在一家不出名的刊物上，没有引起人们的注意。勒梅特的理论计算和哈勃的观测一拍即合，它们又出自同一个时期，因而对天文学有很强的震撼力。

哈勃的这一发现造成了轰动，颠覆了过去传统天文学界的看法，宇宙并不像人们所想象的那样，是稳定静止的。在哈勃的发现之前，爱因斯坦得知，他的引力场方程得出了一个膨胀宇宙的解，然而爱因斯坦却认为宇宙应该处于稳定之中，“为维持宇宙的稳定”，特意在方程中添加了一个宇宙项。

在得知哈勃的结果之后，爱因斯坦，这位著称于世界的老物理学家特意来到威尔逊山与哈勃会面，以表达他的感激之情，并称自己“犯下了有生以来最大的一个错误”。

让爱因斯坦认错的牛人：提起“哈勃”你只知道望远镜？

这次会面的合影，左起第二人是哈勃，第四人是艾尔伯特・迈克尔逊，第五人就是爱因斯坦，摄于威尔逊天文台的图书馆。

在十多年的观测中，哈勃一共获得了 46 个河外星系的数据，这些结果都符合哈勃定律而无一例外。哈勃对宇宙膨胀的发现，证实了意大利天文学家勒梅特关于宇宙起源的假设，他与勒梅特两人共同推动了天文学的进展，引发了宇宙大爆炸理论的出现，并由此开创了宇宙学。

让爱因斯坦认错的牛人：提起“哈勃”你只知道望远镜？

哈勃与发现“红移”的天文望远镜的合影

对宇宙的膨胀人们常有一种误解，以为宇宙星系向着四外退行就像球体的膨胀一样，实际上，宇宙的膨胀与球体膨胀有着本质的区别。球体膨胀是以一点为中心，向着四外胀大，但是宇宙的膨胀却不仅没有中心，而且是各向均匀的，或者说，宇宙的膨胀是以任何一个时空点为中心向外散开的。

哈勃常数标志着宇宙膨胀的速度，但这个“膨胀速度”与一般速度不同，在它的单位分母中多了一个“百万秒差距”，即每百万秒差距千米每秒。“百万秒差距”是一个距离的单位，它的大小约为 326 万光年。由于这个距离加在了哈勃常数单位的分母上，“宇宙常量”的意义变得与一般的速度不同。宇宙常量的值约为 68 每百万秒差距千米每秒，这个值意味着与观察者的距离每增加一个“百万秒差距”的距离时，星系间的远离速度就要增大 68 千米每秒。由此表明，离观察者越远，宇宙退行的速度也就越大，这个退行速度的奇特性质正是宇宙膨胀没有中心的表现。

哈勃把一生奉献给了天文事业，他改变了人们对宇宙的认识。很可惜的是，当时的诺贝尔委员会没能认清哈勃这一成果在天体物理学中的价值，更没有给予足够的重视，天文学界也没有足够的准备来接受这一可贵的成果，因而在当时，哈勃的发现并没有获得应有的影响。1953 年，哈勃因突发心脏病去世，在他去世后不久，诺贝尔奖委员会做出回应，把天文学成果也纳入了具有评审资格的范围。

半个世纪之后，人们开始认识到这位最伟大的世纪天文学家的重要，2008 年 3 月 6 日，美国发行邮票纪念哈勃，邮票的设计者维克多・斯塔宾在设计文献记录上写道：“哈勃是广袤宇宙的开拓者，也是复杂宇宙的揭秘者，正是他对遥远星系一丝不苟的严谨研究，证明了河外星系的存在，如果不是在 1953 年突然去世，当年的诺贝尔奖非他莫属。”

来源：《科学史上的 365 天》，略有删改

作者：魏凤文武轶

编辑：张润昕

本文来自微信公众号：原点阅读（ID：tupydread），作者：魏凤文、武轶，编辑：张润昕