觀天神器丨威爾遜山天文臺：哈勃與愛因斯坦英雄惜英雄，劍指蒼穹

前言

從今天開始，我要開播一個新系列節(jié)目——《觀天神器》——我去年播講《夢向另外的世界》的姊妹篇。《夢向另外的世界》講的都是宇宙探測器，而這次我要帶你回到地球，給你講述那些地面天文臺的故事?？梢哉f，每一個地面天文臺都是一個觀天神器。正是在這些神器的輔助下，人類一點(diǎn)一點(diǎn)揭開了宇宙神秘的面紗，讓我們看到了無數(shù)令人驚嘆的景象。

在這些觀天神器的凝望中，人類舊有的宇宙觀被不斷地刷新。一座座天文臺，就像是一座座人類文明紀(jì)念碑，記錄著位于銀河系郊外一角的藍(lán)色星球上，一群身高不足2米的兩足動物探索浩瀚宇宙的故事。

閑言少敘，這就開始我們的故事。

觀天神器01-威爾遜山天文

原作者：劉辰

修訂者：汪詰

比蜜月更重要的事

1930年12月的一天，德國柏林，時值隆冬，北風(fēng)呼嘯。著名物理學(xué)家愛因斯坦新婚燕爾，但他無暇和妻子享受蜜月的甜蜜，他要馬上去美國加利福尼亞州。愛因斯坦去加州可不是為了度蜜月，在他看來，有一件事的優(yōu)先級比度蜜月要高得多。

在民航還沒有普及的年代，從德國前往地球?qū)γ娴拿绹?，可不是趟輕松的旅程。為了到達(dá)位于美國西海岸的加州，愛因斯坦先從德國坐火車到比利時，然后在安特衛(wèi)普港坐船，一路向西渡過大西洋到達(dá)美國紐約。短暫停留之后，愛因斯坦從美國紐約又乘船南下，沿著東海岸到巴拿馬運(yùn)河，再穿過運(yùn)河，到達(dá)太平洋，繼續(xù)沿太平洋北上，歷時一個月，這才終于抵達(dá)了加州的洛杉磯。

這是愛因斯坦第二次來美國，也是他第一次踏足美國西海岸。他千里迢迢來到加州，是受加州理工學(xué)院邀請進(jìn)行學(xué)術(shù)訪問。但對愛因斯坦來說，還有一個很重要的私人目的，就是去參觀一個地方，然后拜會一個人。這個地方就是位于加州的威爾遜山天文臺，而他要拜訪的人，則是美國傳奇天文學(xué)埃德溫·鮑威爾·哈勃（Edwin Powell Hubble, 1889－1953）。

哈勃在威爾遜山天文臺做出的發(fā)現(xiàn)，不僅刷新了愛因斯坦的認(rèn)知，也刷新了人類對宇宙的認(rèn)知。威爾遜山天文臺也因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)現(xiàn)在整個人類天文學(xué)史上寫下了濃墨重彩的一筆。

超會拉贊助的天文學(xué)家1904年，被喻為太陽觀測之父的美國天文學(xué)家喬治·埃勒里·海耳（George Ellery Hale, 1868-1938）來到了位于加州洛杉磯東北部的威爾遜山。他一眼就相中了這個寶地。為什么呢？因?yàn)橥栠d山所在的區(qū)域上空有一種比較罕見的大氣現(xiàn)象，被稱為“逆溫層”。通常情況下，氣溫會隨著海拔的升高而降低，但由于一些復(fù)雜的成因，有些地方則剛好反過來，這就是逆溫層。

逆溫層帶來的一個最大好處就是大氣非常的穩(wěn)定，威爾遜山是整個北美地區(qū)大氣最穩(wěn)定的區(qū)域之一，特別有利于天文觀測。

海耳發(fā)現(xiàn)這塊寶地后，馬上把一個當(dāng)時世界先進(jìn)的天文望遠(yuǎn)鏡，從葉凱士天文臺搬了過來。就這樣，威爾遜山天文臺正式成立了。

天文臺成立后，海耳率領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)投入了對太陽的觀測研究中。就是在這里，他證明了太陽黑子是太陽強(qiáng)磁場的中心。這也是人類首次探測到地球以外的天體磁場。但是很快，海耳就嫌望遠(yuǎn)鏡的口徑太小，對于天文學(xué)家來說，對望遠(yuǎn)鏡口徑的追求是無止境的，多大都嫌不夠。

圖：海耳

但海耳除了做科研是一把好手外，還有另外一項(xiàng)天賦，他拉贊助也同樣是一把好手。他很快就說服了當(dāng)?shù)馗簧虨樘煳呐_捐錢。1908 年，威爾遜山天文臺建成了當(dāng)時世界上最大的天文望遠(yuǎn)鏡。

有了這個世界上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，威爾遜山天文臺一下子成了香餑餑。世界各地的研究者慕名而來。這其中，就包括傳奇天文學(xué)家哈勃。

哈勃早年在葉凱士天文臺做研究，自從海耳把望遠(yuǎn)鏡搬到了威爾遜山，又建成了新的大望遠(yuǎn)鏡，他就成了威爾遜山的?？汀９且粋€精力無限的年輕人，不但在芝加哥大學(xué)雙修天文學(xué)和數(shù)學(xué)，還熱愛拳擊。研究生畢業(yè)時，他可以選擇天文學(xué)或者數(shù)學(xué)，也可以選擇成為一名職業(yè)拳擊手。萬幸的是（這是站在我這個天文愛好者的角度來說），哈勃投身到了天文學(xué)領(lǐng)域。

顛覆當(dāng)時認(rèn)知的一張照片

在哈勃開始投身天文學(xué)的時代，學(xué)界的主流觀點(diǎn)認(rèn)為：銀河系就是整個宇宙，宇宙的大小就是銀河系的直徑，所有的天體要么靠近銀河系中心，要么跟我們的太陽系一樣，處在銀河系的某條旋臂上。

不過，也存在一些不同的聲音。其實(shí)早在十七世紀(jì)，天文學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了夜空中有一種螺旋形狀的星云。今天我們每個天文愛好者都知道這些星云其實(shí)就是一個星系，但早期的天文學(xué)家不可能輕易想得到這些在望遠(yuǎn)鏡中像一片雪花般的星云是一個星系。等到天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)銀河系的形狀是螺旋形之后，才開始有一些人懷疑那些螺旋狀的星云會不會也是一個跟銀河系一樣的星系呢？

假如這種觀點(diǎn)是對的，那就是說，我們的宇宙并不是只有銀河系，在銀河系之外還有星系，這就等于顛覆了人類的宇宙觀，是了不得的大事。但問題是，非同尋常的主張需要非同尋常的證據(jù)，光有大膽的猜想是不夠的，科學(xué)結(jié)論需要的是證據(jù)。

歷史把解決這個問題的重任交到了哈勃手里。到底該如何找到證據(jù)呢？這個問題困擾著哈勃。

哈勃采用的方法是光譜分析。夜空中的每一個亮點(diǎn)，經(jīng)過光柵設(shè)備的分光后，就會呈現(xiàn)出一條彩色的光譜。哈勃盡可能地收集來自各個星云的光譜，做詳細(xì)的分析。他發(fā)現(xiàn)仙女座星云的光譜與太陽的光譜非常相似，具有恒星的性質(zhì)。實(shí)際上，早在 1864 年，英國天文學(xué)家威廉·哈金斯（Sir William Huggins，1824-1910）也做出過同樣的發(fā)現(xiàn)，只是當(dāng)時的設(shè)備還比較簡陋，數(shù)據(jù)不夠扎實(shí)。這一次，海耳驗(yàn)證了哈勃的數(shù)據(jù)，他們確信仙女座星云是由無數(shù)顆發(fā)光的恒星構(gòu)成的。哈勃還利用威爾遜山天文臺的超級望遠(yuǎn)鏡，拍下了仙女座星云的照片。

當(dāng)時世界上最大口徑的望遠(yuǎn)鏡落成但問題并未就此解決，證明仙女座星云是由恒星構(gòu)成，并不能證明它就是銀河系之外的另一個星系。因?yàn)殂y河系中本來就包含大量的星團(tuán)，發(fā)現(xiàn)星團(tuán)并不算是特別重大的發(fā)現(xiàn)。對于哈勃來說，弄清楚仙女座星云的距離才是關(guān)鍵。但對于當(dāng)時的條件來說，想要確定夜空中一個暗弱的光點(diǎn)到底離地球有多遠(yuǎn)，是一件幾乎束手無策的難題。

唯一有望解決這個難題的路徑只有一個，那就是，建造更大口徑的望遠(yuǎn)鏡，越大越好。

于是，海耳又出馬了，他拉贊助的天賦再一次展現(xiàn)。他設(shè)法把著名的慈善家、鋼鐵大王、當(dāng)時世界第二富翁安德魯·卡耐基（Andrew Carnegie, 1835-1919）給邀請到了威爾遜山天文臺，然后給他好一頓科普。終于把卡耐基給說激動了，爽快地答應(yīng)捐出 1000 萬美元，這在當(dāng)時絕對是一筆天文數(shù)字的巨款。

圖：卡內(nèi)基（左）與海耳

科普對科研有時候就是會起到關(guān)鍵性的作用，這也是為什么美國的所有科研機(jī)構(gòu)都特別重視科普的原因，因?yàn)橥ㄟ^科普能募集到錢啊。

就這樣，有了錢，很多事情就好辦了。到了 1917年11月1日，一臺全世界最大口徑的望遠(yuǎn)鏡落成了。

英國詩人阿爾弗雷德·諾耶斯（Alfred Noyes,1880 -1958）為了紀(jì)念這個時刻，后來在他的史詩《天空的守望者》中寫道：

……天空的探索者，科學(xué)的先驅(qū)，

現(xiàn)在準(zhǔn)備再次進(jìn)擊黑暗，

并贏得新的世界。

“… The explorers of the sky, the pioneers of science,

now made ready to attack that darkness once again,

and win new worlds.“

這臺望遠(yuǎn)鏡就是后來名震天下的胡克望遠(yuǎn)鏡。

哈勃定律有了它，哈勃如虎添翼，終于找到了破解仙女座星云距離的辦法。

在夜空中，有一種恒星被稱為“造父變星”，它是一種亮度會發(fā)生周期性變化的變光恒星，造父變星的絕對亮度與變光周期之間存在著固定關(guān)系，這就意味著這種恒星可以成為宇宙中的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。光的亮度與距離的平方呈反比關(guān)系，如果光源的絕對亮度是已知的，那么測量出視亮度就等于測量出了距離。

圖：哈勃的觀測筆記

哈勃用超級胡克望遠(yuǎn)鏡拍攝了大量的仙女座星云照片，他從中發(fā)現(xiàn)了 34顆造父變星。然后他用了兩年多的時間耐心地繪制這些造父變星的光變周期曲線，計算出了這些造父變星的絕對亮度。再根據(jù)他們在望遠(yuǎn)鏡中的視亮度，就可以計算出這些造父變星的距離了。他的計算表明，仙女座星云離我們的距離約93萬光年（現(xiàn)在我們知道他還是大大低估了距離），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了銀河系的直徑。仙女座星云顯然不是我們銀河系的成員。

1925年，哈勃把這個結(jié)果公布在了美國天文學(xué)界的一個會議上，引起了轟動。哈勃的數(shù)據(jù)極為扎實(shí)，證據(jù)充分，很快就得到了公認(rèn)。他幾乎以一己之力拓展了人類對宇宙的認(rèn)知。

此時的哈勃和威爾遜山天文臺，名聲大噪，儼然就是天文學(xué)研究的引領(lǐng)者。而哈勃也沒有停下研究腳步，他將胡克望遠(yuǎn)鏡持續(xù)對準(zhǔn)那些遙遠(yuǎn)的星系，一個更加驚人的宇宙奧秘即將被他發(fā)現(xiàn)。

哈勃經(jīng)過持續(xù)的跟蹤觀測、計算，發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的星系（仙女座星系除外）都在遠(yuǎn)離我們而去，這種現(xiàn)象被叫做星系退行。哈勃在計算匯總了所有星系退行的速度后得出結(jié)論：一個星系退行的速度與距離的比值，是一個常數(shù)。也就是說，星系都在遠(yuǎn)離我們，并且離我們越遠(yuǎn)，退行得越快。這就是大名鼎鼎的哈勃定律。

英雄惜英雄

除了用宇宙正在膨脹來解釋這個現(xiàn)象，實(shí)在找不出第二個更合理的解釋了。哈勃的這個結(jié)論一經(jīng)發(fā)布，就如同捅了馬蜂窩，整個天文學(xué)界都炸開了。今天我們都知道，宇宙膨脹理論已經(jīng)得到科學(xué)界的公認(rèn)。然而在當(dāng)時，宇宙膨脹那絕對是令人震驚的觀點(diǎn)。遠(yuǎn)在地球另一端的愛因斯坦，在聽到這個消息后也是無比震驚，他屁股坐不住了，一定要前往美國拜會一下哈勃。

愛因斯坦的震驚是有理由的。早在1916年，愛因斯坦提出廣義相對論的時候，他就發(fā)現(xiàn)，廣義相對論方程導(dǎo)出了一個推論，表明宇宙是動態(tài)的，要么膨脹，要么收縮，但問題是這個推論違反了愛因斯坦的直覺。直覺和樸素宇宙觀令愛因斯坦堅(jiān)信，宇宙應(yīng)該是穩(wěn)恒態(tài)，不可能忽大忽小，一定是自己的方程少了點(diǎn)什么。于是，糾結(jié)再三，他給廣義相對論方程加了一個常數(shù)，這個常數(shù)就被稱為“宇宙學(xué)常數(shù)”，以維持宇宙的穩(wěn)恒態(tài)。

現(xiàn)在，哈勃居然發(fā)現(xiàn)，宇宙真的不是穩(wěn)恒態(tài)的，宇宙正在膨脹，這就讓愛因斯坦感到無比震驚，他一定要親自去拜會一下哈勃，求證一番。

1931年1月29日清晨，加州溫暖的海風(fēng)吹走了冬日的寒冷，哈勃和妻子如約駕車接愛因斯坦參觀威爾遜山天文臺。在路上，愛因斯坦發(fā)自內(nèi)心地對哈勃妻子說：“您丈夫的工作極其出色?！痹谔煳呐_，愛因斯坦像孩子一樣對龐大的望遠(yuǎn)鏡愛不釋手、流連忘返。

當(dāng)工作人員向愛因斯坦介紹望遠(yuǎn)鏡時，愛因斯坦看著哈勃，微笑著對所有人說：“哈勃用這望遠(yuǎn)鏡證實(shí)了我的預(yù)言。”

被愛因斯坦接受并認(rèn)可，讓威爾遜山天文臺和哈勃聲名鵲起。哈勃獲得了除諾貝爾獎以外的幾乎所有科學(xué)界大獎。因?yàn)樵诠莻€年代，諾獎還沒有頒發(fā)給天文學(xué)領(lǐng)域的先例，當(dāng)時的科學(xué)界還沒有把物理學(xué)和天文學(xué)看成是同一個科研領(lǐng)域。否則，哈勃獲得諾貝爾物理學(xué)獎肯定是眾望所歸。

尾聲

哈勃在威爾遜山天文臺做出的成就在人類認(rèn)識宇宙的歷史進(jìn)程中，具有豐碑意義，這些成就令哈勃和威爾遜山天文臺永遠(yuǎn)寫進(jìn)了天文學(xué)史中。如果說哈勃為人類開啟了一盞照亮宇宙的明燈，指引人類朝著正確的方向探索宇宙，那威爾遜山天文臺，就是燈塔。

（圖：你找到哈勃了嗎？）

威爾遜山天文臺自建成起，就擁有世界先進(jìn)的天文望遠(yuǎn)鏡。1969 年，為了紀(jì)念海耳，威爾遜山天文臺和帕洛馬山天文臺合并成為海耳天文臺。1986 年，威爾遜山天文臺的胡克望遠(yuǎn)鏡完成了它的歷史使命，正式停用。

1992年，隨著科技的進(jìn)步，人們?yōu)橥栠d山天文臺望遠(yuǎn)鏡安裝了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，使得這位功勛卓著的戰(zhàn)將又恢復(fù)了活力，重新啟用。在此后數(shù)年中，該望遠(yuǎn)鏡依然是世界各地的天文工作者探索宇宙的重要工具。

直到今天，威爾遜山天文臺仍然是知名的天文學(xué)地標(biāo)，每年數(shù)以萬計的參觀者慕名而來，他們像朝圣一樣，來參觀這座帶領(lǐng)人類改變宇宙觀的天文臺。

我想，人類所能問出的終極問題，恐怕就是：宇宙到底是什么？沒有什么問題能比這個問題更大。就尺度而言，人類與宇宙相比，簡直沒法用任何形容詞來描述他們之間的差異。但就是在宇宙面前如此渺小的人類，卻能找到窺探宇宙全貌的方法，實(shí)在是令人驚嘆。

哈勃在威爾遜山天文臺留下的傳奇故事，是人類文明認(rèn)識宇宙全貌的開端，他讓我們深刻體會，科學(xué)如何用證據(jù)說話。在證據(jù)面前，即便是愛因斯坦這樣的大神級科學(xué)家，也必須服氣。證據(jù)是一切答案的前提。