《一路走來的宇宙 02》

一百年前，人們對宇宙的了解非常有限。所有的星體都被認為屬於一個大的係統，就是我們的銀河係。其中有一些模糊的氣狀的物質，稱為星雲，但不知為何物。1923年，哈勃仔細觀察標號為M31的星雲，發現其中有幾個造父變星。現在我們知道造父變星是進入老年期的不穩定恒星。它的外部氣團會不斷的快速收縮和膨脹，導致溫度和光亮周斯性的變化。在夜空中不動的北極星就是一個造父變星。1908年，列維特發現造父變星的實際亮度和光變周期有聯係。周期越長，實際亮度越大。一個恒星的表觀亮度隨距離增加而變弱。所以，我們可以通過比較造父變星光變周期和它的表觀亮度推算出它離觀測點地球的距離。這是在視差法之外更大尺度的距離測量方法。哈勃計算出M31星雲距離地球有一百萬光年。而當時所知道的銀河星係大小隻有八萬光年不到。哈勃認為除了銀河係，宇宙中還存在別的星係。星雲M31就是離銀河係最近的仙女座星係。哈勃幾乎一夜成名。這一發現是了不起的成就。它打破了當時人們在天文學上長時間以來的固有觀念。

哈勃進而確認了好些河外星係。既然星係的距離和狀態確定下來，下一步自然是觀測星係的運動。1912年，史利弗成功地觀察到星係光譜的移動。根據多普勒效應，接近地球運動的恒星發射的光波波長變短，遠離地球運動的恒星的波長變長。多普勒效應在連續光譜裏很難觀測到，但是在物質的特征譜線的精確測量下可以體現出來。1929年，哈勃在十八個星係（後來增加到四十六個）的氫鈣離子光譜的觀測中發現了一致的紅移現象，光波波長變長。這意謂著星係在遠離我們，而且遠離速度正比於星係的距離。這就是哈勃定律。事實上，哈勃觀測的星係距離地球還是太小，而且誤差很大，他計算出來的星係速度與距離的相關性並不高。按照溫伯格的說法，哈勃發表了一個他想要得到的結果。

哈勃自己並沒有對這個觀測結果有更深入的解讀。但是，一些敏銳的物理學家立刻意識到哈勃定律直接證實宇宙是動態的，而且正在膨脹。當愛因斯坦知道哈勃的結果時，他有一番即欣慰又懊悔的心情。1915年，愛因斯坦由探索物質與時空的關係建立了廣義相對論和場方程。他的理論解釋了萬有引力，也精確解答了水星近日點進動的問題。愛丁頓在1919年的日全食的觀測中證實了廣義相對論預言的光在引力場作用下的彎曲。現在，廣義相對論是宏觀尺度上天文學和天體物理學的基礎。但是，當用於描述宇宙時，廣義相對論就遇到了麻煩。這其實是從牛頓時代遺留下來的問題。一個內含物質的宇宙，即使是均勻分布的物質，在物質之間相互吸引的作用下，是不可能處於靜止狀態。為了與靜止宇宙的印象相吻合，愛因斯坦在他的場方程裏引入一個宇宙學常數和宇宙學項。而在1924年，弗裏德曼得到廣義相對論的幾個可能解，並且指出由宇宙學項支持的靜態宇宙是不穩定的。哈勃定律證實一個實際膨脹的宇宙，符合廣義相對論的宇宙理論。這樣，宇宙學項就純屬多餘了。愛因斯坦認為這是他一生中犯的最大的錯誤。但是到了1998年，天文觀測確定宇宙裏存在神秘的能量，正在加速膨脹。宇宙項又有了作為宇宙能量來源的新的意義。這不能不說明愛因斯坦奇特的天賦和直覺。

相獨立於弗裏德曼，比利時的天主教神父兼物理學家勒梅特也從愛因斯坦場方程中得到同樣的宇宙解。他於1927年預言了膨脹的宇宙和哈勃定律。追溯到初始，勒梅特認為宇宙起源於一個原始原子。這應該是宇宙大爆炸理論的初創。但是，勒梅特的假說在之後的幾十年裏不受重視。勒梅特身兼科學和神學兩職。他聲稱兩者可以各自獨立。我們不知道他對待科學和宗教真實的個人態度。天主教是容忍大爆炸學說的，認為它和神創論一致。

哈勃就河外星係和宇宙膨脹的發現徹底改變了人類對宇宙的認知。他不僅成了科學界的明星，也是好萊塢明星圈裏的明星。他的朋友就有卓別林和嘉寶。好萊塢的名人們還會去參觀威爾遜山觀測台和胡克望遠鏡。現在威爾遜觀測台也是一個旅遊景點，對公眾開放。1953年，哈勃死於中風。他的妻子沒有公開他的死訊和葬禮，至今我們都不知道哈勃最後的棲身之所。一個揭示宇宙秘密的人最終成了一個秘密。愛因斯坦於1955年去世。1925年，三十七歲的弗裏德曼在克裏米亞度完蜜月回家。在火車上買些梨子吃，而感染上病菌去世。他沒有等到哈勃定律的發現。勒梅特於1966年去世。兩年前，宇宙微波背景輻射被發現，證明了宇宙大爆炸的假說。勒梅特從他的同事那裏得知了這個消息。

--寫於2022年8月10日（圖片來自網絡）