观测不到宇宙的尽头，那人类是怎样发现它在「不断膨胀」的？

发布者：鼓捣么宁 2023-9-27 16:03

为什么可观测宇宙之外天体发出的光永远都无法到达地球？

答案是，因为宇宙在膨胀。

为了讲清楚其中的道理，先做一个类比。

想象一个巨大的气球，上面有一只小蚂蚁，正以光速在气球表面爬行。如果气球静止不动，那么蚂蚁就能到达气球表面的任意位置；换句话说，蚂蚁能看到气球表面的全貌。但如果气球本身也在以光速膨胀，那么蚂蚁就无法保证到达气球表面的任意位置了；这意味着，蚂蚁只能看到以其所在位置为中心的一小块区域。蚂蚁能看到的这一小块区域，就是它的“可观测气球表面”。

维斯托·斯里弗

同样的道理，如果宇宙本身也在膨胀，我们就只能看到以地球为中心的一小块宇宙区域，也就是可观测宇宙。

那么问题来了：人类到底如何发现宇宙在膨胀？天文爱好者可能会脱口而出：“这还用问吗？宇宙膨胀是美国大天文学家哈勃在 20 世纪 30 年代初发现的。”

但我要告诉你的是，真实的历史并没有这么简单。

推倒第一张多米诺骨牌的人其实并不是哈勃。此人在我们之前的旅行中曾露过一面。他就是美国天文学家维斯托·斯里弗。

1914 年，斯里弗基于之前讲过的多普勒效应，提出了一种测量星系径向速度的新方法。他用这种新方法研究了 15 个随机选取的螺旋星云，然后惊讶地发现，这 15 个随机选取的螺旋星云都在远离地球而去。

这是人类首次观察到宇宙膨胀的迹象。从这个意义上讲，斯里弗才是发现宇宙膨胀的第一人。

在 1914 年的美国天文学年会上，斯里弗做了一个报告，介绍了自己的发现。报告结束后，全场的天文学家都起立鼓掌，其中就包括当时刚刚成为芝加哥大学博士生的哈勃。

不过，斯里弗后来的学术之路却遍布荆棘。

斯里弗任职的罗威尔天文台，当时只有一台口径为 0.6 米的反射式望远镜。口径如此之小的望远镜，根本无法看到远处的暗淡天体。按理说，罗威尔天文台应该尽快添置口径更大的望远镜。但是 1916 年，罗威尔因病逝世。随后他的遗孀为了争夺遗产，跳出来和天文台打了一场长达 10 年的官司。在这 10 年间，天文台的运营大受干扰，添置新望远镜的计划也被迫搁浅。“巧妇难为无米之炊。”斯里弗就这样退出了竞争的行列。

正所谓“工欲善其事，必先利其器”。要想取得最具革命性的天文学突破，还是要靠最大、最先进的天文望远镜。当时全世界最大、最先进的天文望远镜在哪里呢？答案是美国威尔逊山天文台。

20 世纪 20 年代，威尔逊山天文台最耀眼的明星，就是哈勃。他利用标准烛光，发现银河系只是一个小小的宇宙孤岛。

哈勃

这让他一飞冲天，30 多岁就当选为美国科学院院士和英国皇家学会外籍院士。

1928 年，哈勃在欧洲开会期间，听到了用多普勒效应测量遥远星系速度的最新进展。这唤起了他 14 年前听斯里弗学术报告的回忆。哈勃随即想到这样的问题：遥远星系的径向速度与它们到地球的距离之间，到底有什么关系？

回到威尔逊山天文台后，哈勃开始研究这个问题。测量星系距离，一直是哈勃的拿手好戏；但是测量星系径向速度，哈勃就不太熟悉了。所以，他决定找一个熟悉星系速度测量的助手。他找的这个助手，叫米尔顿·赫马森。

米尔顿·赫马森

赫马森的早年经历异常坎坷。由于家庭原因，他 14 岁就辍学了。

为了谋生，他打过各种零工。1908—1910年，他受雇于威尔逊山天文台，其工作是赶着一支驴队，把建筑材料和物资送上威尔逊山，以支持天文台的建设。在此期间，他认识了一个天文台工程师的女儿，并和她结了婚。1917年，在岳父的推荐下，赫马森当上了威尔逊山天文台的看门人。

尽管出身不好，赫马森却很有上进心。每天晚上，他都会去找天文台的工作人员学习天文摄影技术。没过多久，他就可以独当一面了。

后来，赫马森用猎枪打死了一只偷吃他岳父的山羊的美洲狮，这让他在威尔逊山天文台出了名。他的天文摄影才能，也逐渐引沙普利的注意。

沙普利决定，让赫马森来做自己的观测助手。赫马森抓住了这次机会，表现让沙普利十分满意。1920 年，在沙普利的强力推荐下，只有小学学历的赫马森被任命为威尔逊山天文台的正式职员，到了 1922 年，他又被破格提拔为助理天文学家。

但没受过高等教育，还是给赫马森的学术生涯蒙上了一层阴霾。由于基础不牢和命运不济，他曾两次与重大发现失之交臂。

第一次发生在 1919 年。当时，受一位天文学家的启发，赫马森开始在一个特定的天区搜索太阳系的第九颗行星，并且拍摄了一大堆的照片。他对第九颗行星的搜索，最后以失败告终。到了 1930 年，也就是冥王星被发现的那一年，赫马森的两个朋友重新检查了他之前拍摄的照片。结果发现，赫马森早在 11 年前就已经拍到了冥王星；但悲剧的是，他自己没认出来，所以就丢掉了冥王星之父的殊荣。

第二次发生在 1920 年。那年夏天，赫马森在仙女星云中发现了几个很异常的天体：其亮度会出现周期性的变化。这让他不禁怀疑，自己找到了仙女星云中的造父变星。这个发现，比哈勃在仙女星云中找到造父变星，进而确定仙女星云不在银河系内的历史性突破，要早好几年。兴奋不已的赫马森，立刻标记了这些异常星在仙女星云中的位置，并把结果拿给了沙普利去看。

但不幸的是，坚信银河系是宇宙全部的沙普利，对赫马森的发现根本不屑一顾。他先是盛气凌人地向赫马森解释为什么这些异常星不是造父变星，随后拿出手帕把所有数据抹掉。在这个大权威面前，赫马森没敢坚持自己的想法。这样一来，他就与 20 世纪最重要的天文发现之一擦肩而过。

1928 年，赫马森等到了自己的第三次机会。那年，从欧洲归来的哈勃把赫马森叫到了自己的办公室，邀请他一起研究遥远星系径向速度与它们到地球距离之间的关系。两人决定分工合作。赫马森利用多普勒效应，测量遥远星系的运动速度；哈勃则基于标准烛光，测量这些星系到地球的距离。

1928 年末，赫马森开始了他的测量工作。测量的第一个目标，赫马森故意挑选了一个离地球很远、让斯里弗鞭长莫及的河外星云。为了拍摄这个河外星云的光谱，赫马森在威尔逊山天文台上度过了两个寒冷的夜晚。结果显示，这个河外星云的光谱确实发生了很大的红移。也就是说，它确实在以很高的速度远离地球而去。

赫马森马上给正在焦急等待的哈勃打了电话。听到此消息的哈勃立刻跑回办公室，对赫马森的观测结果进行核对。最后哈勃证实，这个星云正在以 3000 千米 / 秒的速度远离地球。这个数字比斯里弗发现的星系径向速度的最高纪录，还要大整整 1.5 倍。这次观测，后来被哈勃称为赫马森的“星团奇遇”。

到了 1929 年，哈勃和赫马森已经测量了 46 个星系的距离和速度。结果显示，所有的星系都在远离地球。由于其中一大半的星系数据都存在着很大的误差，哈勃只采用了那些他特别信任的数据。基于这些星系的观测数据，哈勃发表了一篇名为《河外星云距离与其径向速度的关系》的论文。

但是，这篇划时代的论文并没有把赫马森列为作者。正因为如此，赫马森后来并没有获得自己应得的荣誉和认可，而仅仅被视为“哈勃背后的男人”。

星系径向速度与到地球距离的关系

这篇论文的核心结论见上图。此图横轴代表星系到地球的距离，其单位是百万秒差距（100 万秒差距约等于 326 万光年）；而纵轴代表星系的径向速度，其单位是千米 / 秒。图中的众多圆点，代表哈勃和赫马森测量的那些星系。从图中可以看出，星系的径向速度与它到地球的距离正相关：星系离地球越远，它的退行速度（即远离地球的速度）就越大。

但是正相关仅仅是一个定性的结论。要从定量的角度确定此图中星系退行速度与它们到地球距离之间的数学关系，就没那么容易了。此时的哈勃展现了他惊人的洞察力。他在图中画了一条穿过数据点的直线，然后宣称星系的退行速度正比于它们到地球的距离。

单纯看图 4.5，哈勃的结论完全是个人臆想。但是历史最后证明了哈勃的洞见。

此后两年，哈勃和赫马森一直在测量更遥远星系的速度和距离。他们找到的最遥远的星系，其退行速度高达 20 000 千米 / 秒，而距离则超过 1 亿光年。

1931 年，哈勃与赫马森合写了一篇名为《河外星云的速度 - 距离关系》的论文。这篇论文的核心结论见下图。这回，星系的观测数据与哈勃画的直线完美契合。星系的退行速度与它们到地球的距离成正比。这个结论被人们称为哈勃定律。正是由于这条哈勃定律，人类终于意识到宇宙在膨胀。毫无疑问，这是天文学史上最伟大的发现之一。