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宇宙膨胀背后的故事(之七):二十世纪初的宇宙大辩论 精选

已有 5004 次阅读 2019-3-27 08:45 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

罗斯伯爵那座1.8米口径的“怪物利维坦”望远镜称雄世界60多年,直到1917年才被超越。那一年,美国西海岸洛杉矶市附近的威尔逊山天文台有了一座口径达2.5米的新庞然大物。它主要由美国钢铁业实业家胡克(John Hooker)捐助,也就命名为“胡克望远镜”。

威尔逊山天文台本身也是在20世纪初出现的,由美国钢铁大亨卡内基(Andrew Carnegie)捐款设立的卡内基科学研究院资助。刚开始,他们偏重观测太阳,看星星的是一个1.5米口径望远镜,比利维坦略逊一筹。胡克望远镜的出现立刻就改变了格局。

在那个世纪变迁之际,整个世界的格局也在变化。欧洲的传统贵族在经历衰退、战乱后已经捉襟见肘,而大西洋对岸的美国经历了所谓的“镀金时代”(Gilded Age),完成了全面的工业化。一代新的暴发户占据着天文观测的前沿。

当然,工业化也带来了麻烦。早在1880年代后期,皮克林就发现他在哈佛拍摄的天文照片质量越来越差。最大的原因是附近波士顿市区已经急速扩张到了校园边缘,电灯照明带来了越来越强烈的光污染。那时距离爱迪生(Thomas Edison)发明大众化白炽灯也不过十年。

1887年,皮克林和他的弟弟威廉·皮克林曾率队远征西部的科罗拉多、亚利桑那等州,试图找到合适的地点在远离市区、空气稀薄的高山上建设新的天文观测站。他们后来因为资金短缺未能遂愿。但那时,美国西部的新富人已经捷足先登。

威尔逊山还不是西海岸的第一个天文台。沿着太平洋海岸往北500公里以外,在旧金山市附近的汉密尔顿山上的利克天文台于1888年落成,比威尔逊山的早近20年。那也是世界上第一个设在高山之巅的永久性天文台,资助者是加利福尼亚州首富、实业家利克(James Lick)。他没能看到天文台的落成,但遗体永久地埋葬在其望远镜的底座之下。

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虽然装备早已鸟枪换炮,20世纪初的天文学家对宇宙的认识比他们18世纪的前辈赫歇尔却还没有多大长进。世纪变更时,荷兰人伊斯顿(Cornelius Easton)和卡普坦(Jacobus Kapteyn)、德国的施瓦西、英国的爱丁顿等都曾以赫歇尔数星星的方式再度揣摩银河的形状。除了伊斯顿率先把银河画成涡旋状外,其他人心目中的银河依然是赫歇尔所描画的圆饼。

eddingtonGalaxy.png

爱丁顿在1912年描绘的银河形状。太阳(十字标识)处于中央位置,但不在中间的平面上,而是偏上大约60光年。

赫歇尔当初估计银河横向的大小约为6000光年。【“光年”是一个通俗的天文距离单位,即光在真空中一年所走的距离,近似9.46万亿公里(9.46 x 1012公里)。也是在20世纪初,天文学家开始转用对他们更方便的“秒差距”(Parsec)单位,1秒差距约为3.26光年。】新一代天文学家则认为银河跨度应该在几万光年上下。他们也像赫歇尔一样认定地球所在的太阳系恰好处于饼子的中心——即使不是在绝对的中心,其偏差也不会太大。因为从地球上看银河环绕着我们,各个方向星星的数目、亮度相差无几。

威尔逊山上的沙普利(Harlow Shapley)却觉得了这个“日心说”有点蹊跷。

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沙普利出生于美国荒僻的中西部密苏里州一个农场,邻近的小学只有一间教室。他没念几年书就辍学回家,边务农边自学。到15岁后,他为当地小报当记者攒钱补习、申请上大学,直到21岁时才如愿被密苏里大学录取。

他报考的是新开办的新闻学院,不料到校后才发现开学被延期了。闲着也是闲着,他于是找了一本课程录,从头翻看能去上的课。按字母顺序,他第一个看到的是考古(archaeology)。因为不认识这个词,只好放弃。第二个是天文(astronomy),便选了,从此改变了人生。(当然,这只是他后来自我调侃所讲的故事。)

虽然完全没有数理基础,他只用了三年便大学毕业。又一年后他拿到硕士学位,赢得奖学金去普林斯顿大学深造。在那里,他师从天文学泰斗罗素(Henry Russel),又只花了三年获取博士学位,被推荐去威尔逊山天文台。

在去西部之前,沙普利抽空访问了哈佛。他的名声已经先一步传到那里。已经年过半百的坎农在家做晚饭招待这个年轻人,鼓励他好好干,因为她知道他会成为将来的哈佛天文台台长。一直在秘鲁观测站拍摄南半球天幕的贝雷(Solon Bailey)正好也在,他提议沙普利用威尔逊山的望远镜好好地看看“球状星团”(globular cluster)。

星云因为模糊不清而神秘,星团就“逊色”多了。它们可以看出来是由数以万计甚至更多的星星组成,在相互的引力纠结下聚成一团。正因为其“朴实无华”,星团一直被专注于星云的天文学家忽视。

沙普利到威尔逊山后果然兢兢业业地用那个1.5米望远镜拍摄了好几年的星团照片。一时,他的名字在山上与球状星团成了同义词。白天没事时,他还仔细观察山上蚂蚁的行径。在做了大量细致的测量后,他得出某种蚂蚁的爬动速度完全是由地表温度决定的新颖结论,发表了一篇与天文风马牛不相及的科学论文。

当然他发表得更多的还是关于星团的论文,从它们那里他看到了一个不同的银河。

星团与星星一样分布在银河同一个平面上。但与星星不同,在射手座(Sagittarius)方向有着大量星团的存在,其它方向上星团则明显稀疏。他大胆设想巨大的星团只能在银河的外围边缘存在。这个不均匀的分布是因为我们所在的太阳系并不在银河的中心,真正的银河中心在射手座方向,离我们相当远。

而更让他兴奋的是,他在一些星团中发现了造父变星,可以丈量它们的距离,也就是丈量银河的大小。

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及至18世纪末时,人们还只知道存在6颗变星。英国人皮格特(Edward Piggot)一直在寻找更多的变星。不料还是他的邻居小伙计古德利克(John Goodricke)才是这方面的能手。古德利克从小又聋又哑,在皮格特的呵护下学会了整晚整晚地盯着望远镜看星星,17岁时相继发现了著名的“大陵五”、“造父一”等变星。不幸的是,他年仅21岁因在跟踪观察“造父一”时感染肺炎离世。

他发现的“造父一”变星有着特定的光强变化模式,所以后来发现的所有同一类变星都被叫做“造父变星”。【“造父”是中国古代用来标志星座位置的“星官”之一。“造父一”在西方是“仙王座”(Cepheus)的一颗标志为“德尔塔”(δ)的星。】

勒维特发现的便是这类变星的光强和周期之间的“周光关系”。她清楚地知道那是一把可以丈量宇宙的尺子,还需要的只是至少有一颗已知距离的造父变星作为校准尺子的基准。她在论文中写道,“希望能有同类型的变星能通过视差测量出距离”。“造父一”非常明亮,距离太阳系相对比较近,正是作为基准的良好对象。

丹麦天文学家、卡普坦的女婿赫茨普龙(Ejnar Hertzsprung)首先进行了这方面的尝试。他对“造父一”以及其它几颗他认为距离太阳系比较近的造父变星的视差数据进行统计分析,推算出所需要的基准距离。沙普利又在这个基础上做了必要的修正和校准,确定了造父变星距离更为可靠的基准。有了可用的尺子,他便测量出了那些拥有造父变星的星团的距离。(没有造父变星的星团无法这样测量距离,他只好做了一系列假设、近似。)

因为他认为星团所在便是银河的边缘,沙普利由此得出银河的直径达30万光年之巨,是当时所有天文学家估计的十倍。面对这么广阔一个银河,他不得不转变自己的“世界观”:他不再认为那些模模糊糊的星云是银河外的“岛屿宇宙”,而相信银河便是整个宇宙本身,星云只是银河内部的某种气态物质。即使某些星云可能是银河外的“岛屿”——比如看起来就在银河之外的大小麦哲伦星云——也不过是银河这个大陆边上所附庸的小岛。

他把自己这个宇宙叫做“大星系”(Big Galaxy)。

最特别的是,他指出太阳系不在宇宙中心,距离真正中心有6万5千多光年的距离——这个偏差比其他人所认为的整个银河都还要大。

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1920年4月下旬,美国国家科学院在首都华盛顿举行年会。为了让各行各业的科学家以及当地民众更好地接触天文学最新进展,他们安排了一个别开生面的议程,辩论“宇宙的尺寸”(The Scale of Universe)。在对外广告时,他们更是哗众取宠地设问道:“有多少个宇宙?”沙普利理所当然地被邀请宣讲他只有一个宇宙的主张。他的对立面则是他的远邻、利克天文台的柯蒂斯(Heber Curtis)。

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1920年4月26日,美国科学院为“大辩论”颁发的新闻稿,告知当晚将有一场题为“有多少个宇宙?”的公开讨论。

飞机早就有了,那年美国还第一次出现了横跨大陆的航空邮件服务。但那时人们长途旅行还是坐火车。西海岸的沙普利和柯蒂斯凑巧在奔赴东海岸的同一班火车上相遇。他们也只是在停站、换车时有一些交流,礼貌地聊了一点经典艺术,刻意避免试探对方为辩论所做的准备。

4月26日,科学院年会开幕。白天是平常的议程,著名物理学家密立根(Robert Millikan)、迈克尔逊(Albert Michelson)等各方面科学家做了学术讲演。威尔逊山天文台台长海尔(George Hale)也介绍了他们那个胡克望远镜的最新进展。

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美国科学院1920年4月26日年会日程。沙普利和柯蒂斯的“大辩论”排在晚上8:15举行,随后是自由讨论时间。

晚餐之后,沙普利与柯蒂斯的专题在8点15分开始。

虽然后来被夸张地称为“世纪天文大辩论”(The Great Debate),当时那其实只是两个天文学家自说自话地综述了当时天文学界对银河系的大小和范畴的认识及分歧。他们都对正反两方的论点、论据了如指掌,并不需要针锋相对地辩论。沙普利先介绍了星团的分布,由此展开他的“大星系”图像。柯蒂斯则更代表天文界主流,阐述千千万万星云的每一个都是像银河一样的“岛屿宇宙”,因此宇宙的数量无以计数。

沙普利引用了勒维特的“周光关系”计算宇宙的尺寸。柯蒂斯也搬出哈佛“后宫”老管家弗莱明的发现作为他的一个论据:弗莱明前些年在很多星云中发现了大量的新星。假如星云只是银河内部的气体,就很难解释为什么银河那些地方会有频繁的新星爆发。如果想象那是另外的宇宙,其中会有大量新星便合理得多。沙普利也有回应:如果星云那么遥远,我们似乎不应该能看到那么明亮的新星(当时还没有“超新星”的概念)。

后人整理分析发现,他们两人的论点之间至少存在有14项大大小小的分歧。用现代知识评判,可以说每人都对错各半。正因为当时存在着大量的未知成分,柯蒂斯一再强调作结论为时过早,还“需要更多的数据”("more data are needed")。

比如他无法确定沙普利测量的距离之可靠性。勒维特发现的周光关系还只是小麦哲伦星云中距离相近的一些变星的结果,是否能扩展到更大的尺度范围尚未可知:需要更多的数据。

沙普利还有一个杀手锏:涡旋星云的“转动”。自从罗斯伯爵看到星云的那个令人惊骇的形状,几乎所有人都想象星云应该在转动中。但是从所有天文台不计其数的照片上都看不出星云有旋转的迹象——除了也在威尔逊山天文台的马纳恩(Adriaan van Maanen):他发现了好几个星云在转动。

如果星云在银河之外非常远又能被我们看到,它们的尺寸会异常巨大。再如果我们能辨识到它们整体的转动,那么它们外围星球的速度会非常非常地大,以至于超越光速而违反相对论。

柯蒂斯对这个强有力的证据无法反驳。他承认,如果马纳恩的观察确实的话,那些涡旋星云便不可能距离我们太远,只能是在银河之内。但他也没有盲目缴械:还“需要更多的数据”。

演讲结束之后,科学家欢聚一堂进入社交程序。美中不足的是,美国宪法第18修正案那年刚刚生效,进入了禁酒年代(prohibation)。尽管他们为宇宙争论激动不已,却未能开怀畅饮。

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真正的辩论其实发生在会后。沙普利和柯蒂斯又花了几个月的时间来回通信争论,然后各自整理出自己的观点,包括反驳对方的内容,分别写就论文在《国家研究通报》(Bulletin of the National Research Council)上同时发表。

他们对各自所持的科学观点均满怀信心,确信自己在辩论中得胜,或至少打了个平手。不过,沙普利也觉得自己讲演时表现不佳,远不如柯蒂斯流畅自如、引人入胜。只有他自己知道个中缘由:哈佛天文台在皮克林去世后寻找接班人,已经与他接头。那次年会上就有几个哈佛人物在考察。因此他不敢失之轻佻,有意采取了稳重、保守的风格。

果然,不久沙普利便如愿以偿地受聘哈佛天文台台长,令坎农兴奋不已。而更令沙普利兴奋、惊奇的是他从皮克林手中继承的“后宫”。那是一个无价之宝:太多太多消耗天文学家宝贵时间的繁琐工作可以交给那些“计算机”完成,效率大大提高。他甚至发明了一个估算人工资源的计量单位:“女孩小时”(girl-hour)。他的“大星系”可以在“哈佛计算机”的大数据辅佐下发扬光大。

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沙普利在哈佛天文台办公室。他使用的是一张自己设计的八边形、可以旋转的办公桌,上面设有书架,方便轮换处理不同主题的公务、科研。

大辩论三年后,踌躇满志的沙普利在他哈佛的办公室里收到一封来信。匆匆读过后,他对身边的研究生长叹了一口气:“就这么一封信毁了我的宇宙。” ("Here is the letter that has destroyed my universe.")

信来自西海岸的威尔逊山,作者是沙普利认识的一位年轻人,名叫哈勃(Edwin Hubble)。


(待续)



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