《一路走来的宇宙 02》

一百年前，人们对宇宙的了解非常有限。所有的星体都被认为属于一个大的系统，就是我们的银河系。其中有一些模糊的气状的物质，称为星云，但不知为何物。1923年，哈勃仔细观察标号为M31的星云，发现其中有几个造父变星。现在我们知道造父变星是进入老年期的不稳定恒星。它的外部气团会不断的快速收缩和膨胀，导致温度和光亮周斯性的变化。在夜空中不动的北极星就是一个造父变星。1908年，列维特发现造父变星的实际亮度和光变周期有联系。周期越长，实际亮度越大。一个恒星的表观亮度随距离增加而变弱。所以，我们可以通过比较造父变星光变周期和它的表观亮度推算出它离观测点地球的距离。这是在视差法之外更大尺度的距离测量方法。哈勃计算出M31星云距离地球有一百万光年。而当时所知道的银河星系大小只有八万光年不到。哈勃认为除了银河系，宇宙中还存在别的星系。星云M31就是离银河系最近的仙女座星系。哈勃几乎一夜成名。这一发现是了不起的成就。它打破了当时人们在天文学上长时间以来的固有观念。

哈勃进而确认了好些河外星系。既然星系的距离和状态确定下来，下一步自然是观测星系的运动。1912年，史利弗成功地观察到星系光谱的移动。根据多普勒效应，接近地球运动的恒星发射的光波波长变短，远离地球运动的恒星的波长变长。多普勒效应在连续光谱里很难观测到，但是在物质的特征谱线的精确测量下可以体现出来。1929年，哈勃在十八个星系（后来增加到四十六个）的氢钙离子光谱的观测中发现了一致的红移现象，光波波长变长。这意谓着星系在远离我们，而且远离速度正比于星系的距离。这就是哈勃定律。事实上，哈勃观测的星系距离地球还是太小，而且误差很大，他计算出来的星系速度与距离的相关性并不高。按照温伯格的说法，哈勃发表了一个他想要得到的结果。

哈勃自己并没有对这个观测结果有更深入的解读。但是，一些敏锐的物理学家立刻意识到哈勃定律直接证实宇宙是动态的，而且正在膨胀。当爱因斯坦知道哈勃的结果时，他有一番即欣慰又懊悔的心情。1915年，爱因斯坦由探索物质与时空的关系建立了广义相对论和场方程。他的理论解释了万有引力，也精确解答了水星近日点进动的问题。爱丁顿在1919年的日全食的观测中证实了广义相对论预言的光在引力场作用下的弯曲。现在，广义相对论是宏观尺度上天文学和天体物理学的基础。但是，当用于描述宇宙时，广义相对论就遇到了麻烦。这其实是从牛顿时代遗留下来的问题。一个内含物质的宇宙，即使是均匀分布的物质，在物质之间相互吸引的作用下，是不可能处于静止状态。为了与静止宇宙的印象相吻合，爱因斯坦在他的场方程里引入一个宇宙学常数和宇宙学项。而在1924年，弗里德曼得到广义相对论的几个可能解，并且指出由宇宙学项支持的静态宇宙是不稳定的。哈勃定律证实一个实际膨胀的宇宙，符合广义相对论的宇宙理论。这样，宇宙学项就纯属多余了。爱因斯坦认为这是他一生中犯的最大的错误。但是到了1998年，天文观测确定宇宙里存在神秘的能量，正在加速膨胀。宇宙项又有了作为宇宙能量来源的新的意义。这不能不说明爱因斯坦奇特的天赋和直觉。

相独立于弗里德曼，比利时的天主教神父兼物理学家勒梅特也从爱因斯坦场方程中得到同样的宇宙解。他于1927年预言了膨胀的宇宙和哈勃定律。追溯到初始，勒梅特认为宇宙起源于一个原始原子。这应该是宇宙大爆炸理论的初创。但是，勒梅特的假说在之后的几十年里不受重视。勒梅特身兼科学和神学两职。他声称两者可以各自独立。我们不知道他对待科学和宗教真实的个人态度。天主教是容忍大爆炸学说的，认为它和神创论一致。

哈勃就河外星系和宇宙膨胀的发现彻底改变了人类对宇宙的认知。他不仅成了科学界的明星，也是好莱坞明星圈里的明星。他的朋友就有卓别林和嘉宝。好莱坞的名人们还会去参观威尔逊山观测台和胡克望远镜。现在威尔逊观测台也是一个旅游景点，对公众开放。1953年，哈勃死于中风。他的妻子没有公开他的死讯和葬礼，至今我们都不知道哈勃最后的栖身之所。一个揭示宇宙秘密的人最终成了一个秘密。爱因斯坦于1955年去世。1925年，三十七岁的弗里德曼在克里米亚度完蜜月回家。在火车上买些梨子吃，而感染上病菌去世。他没有等到哈勃定律的发现。勒梅特于1966年去世。两年前，宇宙微波背景辐射被发现，证明了宇宙大爆炸的假说。勒梅特从他的同事那里得知了这个消息。

--写于2022年8月10日（图片来自网络）