阿西莫夫：音高的重要性

【譯者之言：音高隨速度和運(yùn)動(dòng)方向的變化，被稱“多普勒效應(yīng)”，該效應(yīng)同樣適用于光波，這就為天文學(xué)家們提供了強(qiáng)大的工具，去了解很多關(guān)于宇宙大小和年齡的信息?！?/p>

22歲的時(shí)候，我娶了一位漂亮的姑娘。（她不是我現(xiàn)在親愛(ài)的妻子珍妮特，那是另外一個(gè)故事了。）

我為此感到有點(diǎn)緊張。畢竟，我既不英俊又不愛(ài)運(yùn)動(dòng)，不富有也不老練，也沒(méi)有許多其他可能吸引女人的東西，我非常害怕這個(gè)年輕的姑娘會(huì)突然意識(shí)到這一點(diǎn)。

我知道我很聰明，但我不確定我這種特殊的天資，是否得到了展現(xiàn)（我們只認(rèn)識(shí)幾個(gè)月），如果已得到展現(xiàn)，她是否留下了印象。那么，我覺(jué)得我不能丟掉機(jī)會(huì)，去做一些轟動(dòng)的事情，一些可能會(huì)給她留下深刻印象的事情。

這樣，當(dāng)我們?cè)谝患疑絽^(qū)度假酒店度蜜月時(shí)，有一天酒店宣布當(dāng)晚將有一場(chǎng)智力競(jìng)賽，歡迎志愿者參加，我的手立刻舉了起來(lái)。

我認(rèn)為，我是有機(jī)會(huì)贏得哈迪斯雪球的，而且我相信，這肯定會(huì)給我新婚妻子留下深刻的印象。

那天晚上，我排在第三位，在前兩個(gè)人回答了他們的問(wèn)題后，輪到了我，我站了起來(lái)。觀眾們立刻自發(fā)地發(fā)出了笑聲。他們并沒(méi)有嘲笑前兩名選手，但你們看，我太緊張了，而緊張的時(shí)候，我臉上的表情比安靜時(shí)，會(huì)顯得更加愚蠢。所以他們笑了。

（我的妻子，也在觀眾中，明顯感到無(wú)地自容，想躲起來(lái)。）

主持人接著說(shuō)：“在不同的句子中使用“pitch”這個(gè)詞，以展示這個(gè)詞的五種不同的含義?！?/p>

我臉上焦慮的表情變得更加明顯，而觀眾們還在瘋狂地起哄。我沒(méi)有去注意，只是在集中自己的思緒。當(dāng)笑聲平息下來(lái)時(shí)，我盡可能大聲、清楚地說(shuō)道，“John pitched the pitch-covered ball as intensely as though he were fighting a pitched battle，while Mary singing in a high-pitched voice，pitched a tent. （約翰把涂滿瀝青（pitch-covered）的球狠狠地扔（pitched）出去，就像在激戰(zhàn)（pitched battle）一樣，而瑪麗一邊飆著高音（high-pitched voice）唱歌，一邊搭建了（pitched）一個(gè)帳篷。）”

然后，在隨后死一般的寂靜中，我說(shuō)道（恐怕還帶著狡猾的微笑），“就這一句話?！?/p>

當(dāng)然，我后來(lái)贏得了比賽，也給我的妻子留下了深刻的印象。但有趣的是，這件事為我招致了所有其他客人的敵意。我想，那是因?yàn)榇蠹叶加幸环N普遍的感覺(jué)，我沒(méi)有權(quán)利看起來(lái)那么愚蠢，而實(shí)際卻不愚蠢。

我現(xiàn)在提到這件事情，原因是，在我開(kāi)始計(jì)劃寫一篇短文，打算描述pitch（音高，在我所造句子中的第四個(gè)意思）是如何告訴我們，很多關(guān)于宇宙的大小和年齡信息的時(shí)候，這個(gè)近半個(gè)世紀(jì)前的小經(jīng)歷，就浮現(xiàn)在了我的腦海中。

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讓我們從聲音開(kāi)始。當(dāng)某個(gè)東西振動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生聲音。當(dāng)聲音向一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，它會(huì)壓縮所進(jìn)入?yún)^(qū)域的空氣，并將所離開(kāi)區(qū)域的空氣變稀薄。然后在振動(dòng)過(guò)程中會(huì)反轉(zhuǎn)方向，并發(fā)生反向。隨著振動(dòng)的繼續(xù)，會(huì)形成大量的連續(xù)壓縮，根據(jù)溫度、壓力等條件，每個(gè)壓縮都以分子運(yùn)動(dòng)的自然速度離開(kāi)聲源。

因此，聲音是一系列交替的空氣壓縮和變稀，在撞擊鼓膜時(shí)，會(huì)使它按照原先的振動(dòng)方式發(fā)生振動(dòng)。通過(guò)一系列復(fù)雜的生理適應(yīng)，鼓膜振動(dòng)被傳到大腦，大腦就會(huì)將收到的東西理解為聲音。

壓縮-變稀的交替可以被認(rèn)為是一種波形，而從一個(gè)壓縮區(qū)域到下一個(gè)壓縮區(qū)域的距離就是波長(zhǎng)。

普通物體，在發(fā)生振動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量復(fù)雜的振動(dòng)，這相應(yīng)會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)范圍很廣的波，混亂而復(fù)雜地融合在一起，產(chǎn)生我們大腦所理解成的“噪音”。

然而，有些物體會(huì)以相對(duì)簡(jiǎn)單的方式振動(dòng)，并會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)范圍非常小的聲音。大腦將其結(jié)果理解為一個(gè)音符，它比噪音讓人感覺(jué)要愉快得多。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，原始人發(fā)現(xiàn)了制造令人愉快的聲音的裝置，這些聲音的組合，我們稱之為音樂(lè)。

我們所知道的，第一次對(duì)聲音進(jìn)行的科學(xué)研究，是由希臘哲學(xué)家畢達(dá)哥拉斯（Pythagoras）（公元前560-480年），通過(guò)撥動(dòng)不同長(zhǎng)度的琴弦進(jìn)行的。他發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)弦比短弦振動(dòng)更慢，長(zhǎng)弦也比短弦產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的聲音。換句話說(shuō)，就是振動(dòng)差異（物理事實(shí)）導(dǎo)致了音高差異（生理解釋）。

隨著聲音的來(lái)源向你靠近或遠(yuǎn)離你，音高也會(huì)發(fā)生變化，但在19世紀(jì)之前，這并不是一件容易被注意到的事情。

首先，隨著音源速度的增加，音高的變化會(huì)更大，而在早期的幾個(gè)世紀(jì)里，很少有東西能移動(dòng)得足夠快，同時(shí)還能產(chǎn)生足夠的聲音，讓音高的變化能引起人們的注意。

其次，普通的聲音是嘈雜的，而波形的復(fù)雜性使得人們不容易分辨出音高的變化。

如果一個(gè)吹號(hào)的人騎著一匹疾馳的馬靠近你，從你身邊經(jīng)過(guò)，然后遠(yuǎn)離你，也許你能分辨出號(hào)的音高的差異。但是，你不得不承認(rèn)，不太可能有這樣的情景巧合。

不過(guò)，在19世紀(jì)40年代，西歐和美國(guó)都在修建鐵路?；疖嚂?huì)以合理的速度行駛，而為了警告人們離開(kāi)，它會(huì)發(fā)出一聲單音符的汽笛聲，當(dāng)火車接近可能遇到人的地方時(shí)，汽笛聲會(huì)非常響。

這意味著，有一件事會(huì)變得非常明顯。如果你在觀察一列火車呼嘯著駛近時(shí)，它的汽笛聲震耳欲聾，而當(dāng)它從你身邊經(jīng)過(guò)后，汽笛聲的音高又會(huì)猛然降下來(lái)。

然而，對(duì)火車上的人來(lái)說(shuō)，他們聽(tīng)到的汽笛聲音高，似乎比觀察火車靠近的人聽(tīng)到的音高要低，但似乎又比觀察火車離去的人聽(tīng)到的音高要高。而且，對(duì)火車上的人來(lái)說(shuō)，音高會(huì)保持不變。

因此，假設(shè)兩個(gè)人站在鐵軌附近，相距幾英里的兩個(gè)地方?；疖囋趦蓚€(gè)人之間的鐵軌上行駛?；疖嚱?jīng)過(guò)，遠(yuǎn)離第一個(gè)人，并在接近第二個(gè)人?；疖嚿系娜寺?tīng)到某個(gè)音高的汽笛聲。被經(jīng)過(guò)的人會(huì)聽(tīng)到比它更低的音高，而正被接近的人則會(huì)聽(tīng)到比它的更高的音高。三個(gè)觀察者在同一時(shí)刻報(bào)告了不同的音高。

為什么會(huì)是這樣呢？實(shí)際上，道理很簡(jiǎn)單，我懷疑，在畢達(dá)哥拉斯時(shí)代，如果已經(jīng)有了鳴著汽笛的火車，他也一定早就搞清楚了。

1842年，奧地利物理學(xué)家克里斯汀·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）（1803-1853年）解釋了這個(gè)原因。他是這樣推理的。

假設(shè)火車相對(duì)于觀察者靜止不動(dòng)；也就是說(shuō)，火車和觀察者都沒(méi)有移動(dòng)，或者觀察者在移動(dòng)的火車上，這樣兩者都以完全相同的速度移動(dòng)。在這種情況下，火車的汽笛聲會(huì)有規(guī)律地發(fā)出壓縮脈沖，你會(huì)聽(tīng)到一個(gè)不變的音高。

但假設(shè)火車正在接近你。汽笛聲向你發(fā)出一波壓縮波。但火車同時(shí)也在接近你，所以第

一波壓縮波比列車靜止的情況下更靠近你。下一波都會(huì)比前一波更靠近你。所有的壓縮波總

體都比列車靜止時(shí)更靠近你。這意味著，波長(zhǎng)被縮短了，因此，你會(huì)聽(tīng)到比列車靜止時(shí)更高

的音高。

如果火車正駛離你，事情就正好相反。每一波連續(xù)的壓縮波形成時(shí)的距離，都會(huì)比以前更遠(yuǎn)，而不是火車靜止時(shí)的距離。波長(zhǎng)變長(zhǎng)，你聽(tīng)到的音高就變低了。

多普勒接著開(kāi)始研究一種數(shù)學(xué)關(guān)系，將音高與聲源接近或遠(yuǎn)離的速度聯(lián)系起來(lái)。這意味著，從音高的變化中，我們就可以知道火車是在駛近，還是在駛離，以及它在以什么速度行駛。

這樣，音高隨速度和運(yùn)動(dòng)方向的變化，就被稱為了“多普勒效應(yīng)”。

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1848年，法國(guó)物理學(xué)家阿爾曼德·希波呂特·路易斯·菲佐（Armand Hippolyte Louis Fizeau）（1819-1896年）指出，多普勒效應(yīng)并不只局限于聲音。任何波形，特別是在光中的波形，都會(huì)表現(xiàn)出類似的效果。這種廣義化有時(shí)被稱為“多普勒-菲佐效應(yīng)”，但菲佐被嘲弄了，因?yàn)槿藗兺祽惺〉袅藘蓚€(gè)音節(jié)，繼續(xù)稱之為多普勒效應(yīng)，即使它被應(yīng)用于光。

當(dāng)然，我們通常看到的光（來(lái)自太陽(yáng)、來(lái)自恒星、來(lái)自煤油燈、來(lái)自白熾燈）是一組不同波長(zhǎng)的復(fù)雜波；有些波長(zhǎng)太長(zhǎng)或太短，以至于我們根本看不見(jiàn)它們。那么，普通的光就類似于我們所說(shuō)的與聲音有關(guān)的噪聲。

假如一束光線只包含一個(gè)波長(zhǎng)，如果光源接近你，波長(zhǎng)就會(huì)縮短，如果光源遠(yuǎn)離你，它就會(huì)變長(zhǎng)。就像一個(gè)特定的聲音波長(zhǎng)，會(huì)隨著距離變長(zhǎng)或縮短而改變音高一樣，一個(gè)特定的光波長(zhǎng)會(huì)隨著距離的變長(zhǎng)或縮短而改變顏色。

長(zhǎng)波的光是紅色的。隨著波長(zhǎng)變短，顏色逐漸以橙色、黃色、綠色、藍(lán)色和紫色的順序變化，而整個(gè)被稱為“光譜”。因此，如果光的波長(zhǎng)因?yàn)楣庠丛谶h(yuǎn)離你而變長(zhǎng)，它的顏色會(huì)轉(zhuǎn)向光譜的紅色端，這被稱為“紅移”。如果波長(zhǎng)因?yàn)楣庠丛诮咏愣s短，它的顏色就會(huì)轉(zhuǎn)向光譜的紫色端。這應(yīng)該被稱為“紫移”，但科學(xué)家稱之為“藍(lán)移”，原因我不了解。

但是，發(fā)射光的不是一個(gè)光源，而是帶有廣泛波長(zhǎng)范圍的光源，通常根本不會(huì)產(chǎn)生明顯的轉(zhuǎn)移。所有的波長(zhǎng)都會(huì)向紅色或紫色整體移動(dòng)。如果它們向紅色移動(dòng)，有些波長(zhǎng)會(huì)落在紅色的末端，變得看不見(jiàn)，而其他通常太短而看不見(jiàn)的波長(zhǎng)，會(huì)變得足夠長(zhǎng)，而出現(xiàn)在光譜的紫色末端。相反，如果波長(zhǎng)都在向紫色末端移動(dòng)，情況也是如此。在這兩種情況下，你實(shí)際看到的都沒(méi)有太大的變化。

我們可以做一個(gè)類比。想象一下，有一根長(zhǎng)長(zhǎng)的沒(méi)有任何特征的棍，而你只能通過(guò)一個(gè)六英寸寬的狹縫看到它的一小部分。不管棍朝哪個(gè)方向移動(dòng)，你都一直只能看到它的一小部分。因?yàn)樗鼪](méi)有任何特征，你將無(wú)法知道它移動(dòng)了多遠(yuǎn)，甚至不知道它朝哪個(gè)方向移動(dòng)。

另一方面，如果在棍上有某種標(biāo)記，那么你就可以立即通過(guò)觀察標(biāo)記位置的變化，來(lái)判斷它的移動(dòng)的方向和移動(dòng)速度。

事實(shí)上，光線中是存在標(biāo)記的。1814年，德國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·馮·弗勞恩霍夫（Joseph von Fraunhofer）（1787-1826年）首次注意到太陽(yáng)光譜中包含許多暗線。這代表了在連續(xù)光譜中缺失的光的波長(zhǎng)，因?yàn)樘?yáng)的大氣層吸收了這些波長(zhǎng)。每一條暗線都存在于光譜中某個(gè)固定的位置。

如果光源正在接近，所有的波長(zhǎng)都會(huì)轉(zhuǎn)向紫色，那么暗線也會(huì)轉(zhuǎn)向紫色。如果光源正在遠(yuǎn)離，那么暗線就會(huì)轉(zhuǎn)向紅色，通過(guò)觀察各種暗線的位置，人們可以判斷光源是在接近還是在遠(yuǎn)離，以及它在以什么速度接近或遠(yuǎn)離。

更重要的是，這個(gè)測(cè)定是與距離無(wú)關(guān)的。不管一個(gè)物體是在附近，還是在幾百萬(wàn)英里之外，還是在幾百萬(wàn)光年之外。如果可以得到它的光譜，并記錄到暗線的位置，就足夠了。

但也存在一個(gè)困難。聲音移動(dòng)相當(dāng)慢；每秒只有0.331公里（或每小時(shí)741英里）。以20英里平均時(shí)速行駛的火車，速度是聲速的2.7%，這足以引起音高的明顯變化。

而光的傳播速度約為每秒30萬(wàn)公里（每秒186000英里），或者大約正好是聲音速度的100萬(wàn)倍。如果光源以每秒50公里（每秒31英里）的速度移動(dòng)，這仍然不到光速1%的1/50，而這只會(huì)在光譜的暗線上產(chǎn)生非常小的變化。

直到1868年，英國(guó)天文學(xué)家威廉·哈金斯（William Huggins）（1824-1910年）才非常詳細(xì)地研究了天狼星的光譜，并注意到了它的譜線中有一個(gè)微小的紅移。天狼星正飛快地離開(kāi)我們。

在接下來(lái)的50年里，越來(lái)越多的恒星的光譜得到了研究，并確定了每一顆恒星的“徑向運(yùn)動(dòng)”，無(wú)論是朝我們接近還是遠(yuǎn)離我們，并估計(jì)了接近或遠(yuǎn)離的速度。攝影術(shù)的到來(lái)為這些研究又提供了至關(guān)重要的幫助，因?yàn)槿庋劭床灰?jiàn)的光譜，可以通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間曝光來(lái)加以拍攝，而且譜線的位置也可以在閑暇時(shí)加以確定。

結(jié)果是，有些恒星正在接近我們，有些恒星又正在遠(yuǎn)離我們。通過(guò)分析這些運(yùn)動(dòng)中的某些規(guī)律，科學(xué)家們確定了銀河系正在圍繞其中心旋轉(zhuǎn)，并估計(jì)了旋轉(zhuǎn)的速度。

始于火車?guó)Q笛的行為，這的確是一個(gè)非常令人贊嘆的結(jié)果。但這只是一個(gè)開(kāi)始。

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1912年，美國(guó)天文學(xué)家維斯托·梅爾文·斯萊弗（Vesto Melvin Slipher）（1875-1969年）設(shè)法研究了當(dāng)時(shí)被稱為“織女星云”的光譜。根據(jù)其光譜中暗線的位置，他發(fā)現(xiàn)它正以每秒200公里的速度接近我們。這似乎并沒(méi)有什么不合理的。超過(guò)每秒100公里的徑向速度確實(shí)異常的高，但還不會(huì)令人感到不安。

（我們今天知道，部分速度不能歸因于仙女座真正的接近。實(shí)際上，仙女座是一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系，這在1912年還是未知的。此刻，我們銀河系的旋轉(zhuǎn)正在把我們帶向仙女座。如果考慮這種旋轉(zhuǎn)的影響，并且測(cè)量仙女座相對(duì)于銀河系中心的運(yùn)動(dòng)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它實(shí)際正以每秒50公里的速度接近我們。）

但到了1917年，事情開(kāi)始真正令人困惑了。斯萊弗繼續(xù)測(cè)量了總共15個(gè)星云的徑向速度，它們都類似仙女座，呈螺旋狀。根據(jù)純粹的概率，人們可能會(huì)預(yù)期其中一半會(huì)接近我們，另一半則會(huì)遠(yuǎn)離我們。但實(shí)際不是這樣的，仙女座和另一個(gè)星系正在接近，而其他13個(gè)星系卻正在遠(yuǎn)離。

事實(shí)上，這比斯萊弗當(dāng)時(shí)所知道的，更令人費(fèi)解。他研究的所有螺旋狀星云實(shí)際上都是遙遠(yuǎn)的星系。正在接近的這兩個(gè)星系離我們相對(duì)較近，是“本星系群”（一簇星系）的一部分，包括我們自己的銀河系和仙女座，它們都被引力聚集在一起，并且都圍繞著整個(gè)星系群的重心旋轉(zhuǎn)。每個(gè)星系都會(huì)在宇宙歷史上的一個(gè)時(shí)代接近我們，并在另一個(gè)時(shí)代遠(yuǎn)離我們。

其它十三個(gè)星系，不屬于本星系群，都在遠(yuǎn)離我們，這是一個(gè)特殊的巧合。由于在引力的作用下，它們可能會(huì)穿過(guò)更大的軌道，有時(shí)也可能會(huì)在遠(yuǎn)離，其它時(shí)候又在接近。斯萊弗測(cè)量這一群13個(gè)星系的時(shí)候，可能只是碰巧每個(gè)星系都正處于其軌道上，遠(yuǎn)離我們的時(shí)期。這真的不太可能，但也不是完全沒(méi)有可能。你擲13次硬幣，可能13次都是背面，這就是一個(gè)偶然性的問(wèn)題。

而更令人不安的是，這13個(gè)星系的徑向速度。它們以平均每秒640公里的速度在遠(yuǎn)離我們。雖然每秒200公里的速度可以被接受，但每秒640公里就很難接受了。它比我們周圍恒星的徑向速度要大得多。

斯萊弗繼續(xù)測(cè)量越來(lái)越多的星云的徑向速度，發(fā)現(xiàn)它們無(wú)一例外地都顯示出紅移，因此都正在遠(yuǎn)離我們。

在20世紀(jì)20年代，這些星云最終被確定為遙遠(yuǎn)的星系，這在一定程度上緩解了這種情緒。星系是完全不同于我們周圍普通恒星的天體，對(duì)于它們來(lái)說(shuō)，相對(duì)于其他星系的移動(dòng)，比在一個(gè)特定星系中，一顆恒星相對(duì)于其它恒星的移動(dòng)，要快得多，因此這種情況很可能是正常的。

但還有糾結(jié)的地方：為什么所有這些徑向速度，都顯示是在遠(yuǎn)離我們呢？本星系群之外難道沒(méi)有至少一個(gè)星系在接近我們嗎？你可能認(rèn)為應(yīng)該有——但卻沒(méi)有。

情況繼續(xù)變得更糟。美國(guó)天文學(xué)家米爾頓·拉薩爾·胡馬森（Milton LaSalle Humason）（1891-1972年）繼續(xù)了斯萊弗的工作。他進(jìn)行了持續(xù)幾天的攝影曝光，以便可以記錄越來(lái)越弱的星系的光譜。工作中，他發(fā)現(xiàn)了一些遠(yuǎn)離的速度，使得早期的觀察結(jié)果相比之下顯得微不足道。1928年，他拍攝了一個(gè)以每秒3800公里的速度遠(yuǎn)離我們的星系，這是光速的1.25%。到1936年，他測(cè)量的速度達(dá)到了每秒4萬(wàn)公里，是光的13%，但仍然還是在遠(yuǎn)離我們，而沒(méi)有一個(gè)在接近我們。

為什么會(huì)出現(xiàn)這種宇宙中的遠(yuǎn)離現(xiàn)象呢？是不是紅移并不意味著遠(yuǎn)離？還是由其它原因產(chǎn)生的呢？

例如，光在占據(jù)星系之間巨大空間的稀薄氣體中，進(jìn)行長(zhǎng)距離旅行，可能會(huì)變紅，就像太陽(yáng)在地平線上，它的光必須通過(guò)異常厚的大氣層時(shí)，會(huì)變紅一樣。

但在這種情況下，毫無(wú)疑問(wèn)，變紅只是短波光散射的結(jié)果。暗線的位置不會(huì)受到影響。

那么，難道是光在遠(yuǎn)距離旅行時(shí)失去了能量嗎？如果是這樣，它會(huì)自然地轉(zhuǎn)向紅色，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)越長(zhǎng)，光的能量就越小。在這種情況下，根本沒(méi)有理由假設(shè)這些星系正在遠(yuǎn)離。光線只是“疲勞了”而已。

問(wèn)題在于，物理學(xué)家并不知道，會(huì)有什么過(guò)程能讓光，僅僅在穿過(guò)太空時(shí)就失去了能量。此外，如果它確實(shí)以這種方式失去了能量，那么，即使是穿越相當(dāng)短的距離，光也應(yīng)該會(huì)感到非常輕微的“疲勞”，并失去一點(diǎn)點(diǎn)能量吧。這應(yīng)該在研究我們自己星系中的天體時(shí)，甚至可能在我們自己的太陽(yáng)系中，就能被探測(cè)到——但這種效應(yīng)從未被探測(cè)到。

同樣，情況可能又正好相反。它們可能并不是移動(dòng)緩慢的，非常遙遠(yuǎn)的星系。它們可能確實(shí)移動(dòng)得很快，但它們可能距離我們相對(duì)較近，可能是小天體，根本不是星系。也許它們是從確實(shí)存在的一些星系，甚至可能是我們自己的星系，噴射出來(lái)的天體。它們可能以非常高的速度移動(dòng)，但這并不意味著它們距離我們很遠(yuǎn)——它們只是被巨大的能量噴射出去。

近年來(lái)，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)一些星系非?；钴S，并帶有釋放巨大能量的中心時(shí)，這似乎變得更加可信了。也許它們會(huì)爆炸，并彈射出物質(zhì)。

然而，如果是這樣，那所有被彈射出的物質(zhì)都在遠(yuǎn)離我們，這似乎又不能讓人信服。也許這是因?yàn)?，那些朝我們移?dòng)的天體已經(jīng)從我們身邊經(jīng)過(guò)，而現(xiàn)在正在遠(yuǎn)離我們。但這還是解釋不了什么。毫無(wú)疑問(wèn)，至少總會(huì)有一些東西是朝我們的方向發(fā)射的，并且還沒(méi)有經(jīng)過(guò)我們；總該有一個(gè)類似星系的天體，正在接近我們。但是，在我們自己的本星系群之外，并沒(méi)有，一個(gè)都沒(méi)有。

除了通過(guò)好用的老多普勒效應(yīng)，天文學(xué)家們沒(méi)有任何合理的方法來(lái)解釋紅移。星系正以令人難以置信的速度，逐漸遠(yuǎn)離我們。

美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·鮑威爾·哈勃（ Edwin Powell Hubble）（1889-1953年）和胡馬森在一起工作，他試圖估計(jì)各種星系的距離。最近的那些星系都帶有某些被稱為“造父變星”的變星，可以單獨(dú)進(jìn)行估算。根據(jù)它們的變化周期，就可以計(jì)算出它們的發(fā)光度——它們發(fā)射了多少光。根據(jù)發(fā)光度和它們?cè)谔炜罩械囊暳炼?，就可以?jì)算出它們的距離了，也就是包含它們的星系的距離。

如果一個(gè)星系離得太遠(yuǎn)，得不到足夠明亮的造父變星變量，那么可以采用一些超級(jí)巨星。假設(shè)這樣的超級(jí)巨星會(huì)和那些在更近的星系中的恒星一樣明亮，就可以確定出遙遠(yuǎn)星系的距離。

如果一個(gè)星系離得太遠(yuǎn)，根本找不到恒星時(shí)，哈勃就會(huì)根據(jù)整個(gè)星系的光度進(jìn)行估算，星系越暗就離我們?cè)竭h(yuǎn)。

在估算了許多星系的距離后，哈勃檢查了為它們計(jì)算出來(lái)的遠(yuǎn)離速度。他發(fā)現(xiàn)，總的來(lái)說(shuō)，一個(gè)特定星系的遠(yuǎn)離速度與它與我們的距離成正比。

這意味著，如果星系A(chǔ)是星系B距離的X倍，那么星系A(chǔ)遠(yuǎn)離的速度則是星系B的X倍。

這被稱為“哈勃定律”。

哈勃定律最令人驚訝的特征——所有的星系都在遠(yuǎn)離我們，離得越遠(yuǎn)，離得就越快——引發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題：“為什么要離開(kāi)我們？”

回到1935年，科幻小說(shuō)作家埃德蒙·漢密爾頓（Edmond Hamilton）（1904-1977年）發(fā)表了一篇題為《被詛咒的星系》的故事，其中給出了一個(gè)非常有趣的解釋。

漢密爾頓認(rèn)為，最初，所有的星系都相對(duì)接近，除了在引力約束下施加的軌道速度之外，彼此幾乎處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。

但是，在一個(gè)特定的星系（當(dāng)然就是我們自己的銀河系）中，生命以某種方式發(fā)達(dá)起來(lái)。此時(shí)，出現(xiàn)了一種嚴(yán)重的星系疾病，看起來(lái)似乎會(huì)迅速通過(guò)銀河系傳播，感染每個(gè)區(qū)域，并傳播到其他任何離得太近的星系。

從那以后，所有其他的星系都一直在逃離我們，而那些設(shè)法達(dá)到更高速度的星系，則在感染出現(xiàn)的時(shí)候，已經(jīng)逃得很遠(yuǎn)了。

這是一個(gè)令人愉快的奇思妙想，有人可能會(huì)覺(jué)得應(yīng)該是真的，因?yàn)樗昝懒?，但?dāng)然，它只是個(gè)幻想。將其作為星系遠(yuǎn)離的一個(gè)原因，則超出了科學(xué)游戲的規(guī)則。這樣的事情只會(huì)在盲目服從自然法則時(shí)才會(huì)發(fā)生。

那么，讓我們?cè)谙乱黄涛恼轮?，繼續(xù)討論星系遠(yuǎn)離的問(wèn)題。

（作者：艾薩克.阿西莫夫（Isaac Asimov），譯者：勁松）