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本文首發(fā)于“宇航探索局”微信公眾號(hào)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 本期為從哈勃到哈勃深空?qǐng)龅诙?/span>上一篇為：《從哈勃到哈勃深空?qǐng)觯ㄒ唬澳猩駧闳庋劭矗ㄏ膳┬窃啤?/a>》 本期將介紹一下內(nèi)容： 1，哈勃工作的意義 2，哈勃利用造父變星測(cè)距法估測(cè)的宇宙有多大 3，星系發(fā)光的紅移現(xiàn)象是什么 4，哈勃定律是什么 5，哈勃定律解釋了宇宙間的什么秘密 6，愛因斯坦為什么失眠 河外星系初窺端倪 在開啟本期內(nèi)容之前，先放幾張精美圖片作為開胃菜。       哈勃的工作讓當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家認(rèn)識(shí)到，星云不是銀河系中的發(fā)光氣體云，或者某個(gè)天體，而一定是像銀河系一樣的，由千億顆星星構(gòu)成的真正的另一個(gè)星系。所以當(dāng)堅(jiān)持認(rèn)為銀河系就是整個(gè)宇宙的沙普利收到哈珀觀測(cè)結(jié)果的信件時(shí)，坦言“這封信毀了我的宇宙”。  哈珀的工作為當(dāng)時(shí)的科學(xué)家打開了一扇窗戶，揭開了銀河系之外宇宙的面紗。1925年，哈勃再次利用造父變星測(cè)距法測(cè)定了人馬座星云NGC6822的距離，證實(shí)該旋渦星云其實(shí)也是一個(gè)河外星系。此后更多的星系被一個(gè)個(gè)發(fā)現(xiàn)，它們就像一個(gè)個(gè)島嶼一樣遍布廣袤的宇宙。  星際大航?！钪嬗卸啻?/span> 在哈珀工作的基礎(chǔ)上，全世界的天文學(xué)家開啟了星際“大航?！?，他們像四百多年前的哥倫布那樣，利用遍及世界各個(gè)角落的大型天文望遠(yuǎn)鏡尋找包含造父變星的星系。隨著研究的深入和天文學(xué)家的努力，更大更遙遠(yuǎn)的星系開始遍及整個(gè)宇宙，進(jìn)入人類的視野。  仙女座星系下的加利福尼亞州圣加布里埃爾山的威爾遜山天文臺(tái)鳥瞰圖，圖片攝于1931年，保存于芝加哥大學(xué)圖書館哈勃先用胡克望遠(yuǎn)鏡去測(cè)量更為遙遠(yuǎn)宇宙的目標(biāo)，他由數(shù)千年光年遠(yuǎn)的球狀星團(tuán)，延伸到造父變星測(cè)量所能達(dá)到的極限，也就是以300萬光年為半徑、包括20個(gè)星系的范圍。由那里起，他再用旋渦星系旋臂中的藍(lán)色超巨星作為粗略的測(cè)量標(biāo)尺，進(jìn)而測(cè)量一個(gè)更遠(yuǎn)的、包括200個(gè)星系的范圍，這個(gè)范圍距離我們3000萬光年。這是當(dāng)時(shí)天文望遠(yuǎn)鏡所能觀測(cè)宇宙范圍的極限了。  新的發(fā)現(xiàn)帶來了新的難題，人類再次回到最初面臨的那個(gè)問題：如何才能測(cè)定更遠(yuǎn)星系的距離呢？宇宙，究竟有多大呢？ 聰明的哈珀又想出了一個(gè)巧妙的辦法，他假設(shè)每個(gè)星系的絕對(duì)亮度都相差不大（盡管這樣會(huì)帶來不小的誤差，但相對(duì)于估算值的大小而言是可以容忍的），既然已經(jīng)知道了仙女座大星系離我們的距離，就可以通過其他星系的視亮度與仙女座大星系視亮度差距來計(jì)算它們相距多遠(yuǎn)，再利用仙女座大星系離我們的距離就能夠得到其他星系與地球之間的距離。 哈勃用這種新的測(cè)量法很快探究到了當(dāng)時(shí)的宇宙極限。 哈勃測(cè)算的宇宙有多大呢？！ 遠(yuǎn)超10億光年！ 這個(gè)計(jì)算結(jié)果讓哈勃大吃一驚，連他都不相信，離我們最遙遠(yuǎn)的星系居然有10億光年之遠(yuǎn)，我們的宇宙之大，超出了所有人的估計(jì)。  從多普勒到光的紅移——一個(gè)生動(dòng)卻錯(cuò)誤的類比 聲音是一種波，當(dāng)聲源離我們?cè)絹碓浇?，同一段時(shí)間內(nèi)耳朵聽到的“聲音”越來越多，波長(zhǎng)相當(dāng)于被壓縮了，頻率就越來越大，音調(diào)也就越來越高；而聲源離我們?cè)絹碓竭h(yuǎn)時(shí)，耳朵在同一段時(shí)間內(nèi)收到的“聲音”也越來越少，波長(zhǎng)就會(huì)被拉長(zhǎng)，聲音的頻率越來越小，音調(diào)也越來越低。聲音的這種現(xiàn)象最先由奧地利的數(shù)學(xué)家物理學(xué)家多普勒在1842年發(fā)現(xiàn)并研究的，因此聲音的這種性質(zhì)也被稱為“多普勒效應(yīng)”。當(dāng)時(shí)多普勒還定量研究了聲源與自己相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和波長(zhǎng)變化之間的關(guān)系。 后來人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，多普勒效應(yīng)實(shí)際上對(duì)所有的波都是成立的。而我們知道，光實(shí)際上就是一種電磁波，自然也就存在多普勒效應(yīng)：當(dāng)一個(gè)光源遠(yuǎn)離我們而去時(shí)，光波會(huì)被拉長(zhǎng)，從光譜上看，光波向著紅端移動(dòng)。這樣，通過多普勒效應(yīng)您就可以理解“紅移現(xiàn)象”了吧。 星系發(fā)出的光有沒有類似的紅移效應(yīng)呢？最開始測(cè)量星系星系紅移的并不是人們常說的哈勃，而是集數(shù)學(xué)天賦和科學(xué)素養(yǎng)于一身的杰出天文學(xué)家斯里弗（Vesto Slipher）。正是他的開創(chuàng)性工作，指引了后來的哈勃觀測(cè)星系紅移。讓我們來看看這個(gè)天文學(xué)史上的巨匠： 時(shí)間轉(zhuǎn)眼到了1928年，由于哈勃的工作，天文學(xué)家已經(jīng)知道了星云其實(shí)是銀河系外的恒星世界。而這些偉大的發(fā)現(xiàn)也為哈勃帶來了巨大的聲譽(yù)。當(dāng)他和妻子在歐洲旅行的時(shí)候，處處受到人們的歡呼，好像他們是皇家貴族。頻繁社會(huì)活動(dòng)使得哈勃親自觀測(cè)星系的時(shí)間減少，卻沒有減少他對(duì)星系世界奧秘的渴求。在歐洲的旅行中，哈勃獲得了靈感，開始醞釀一個(gè)新的觀測(cè)計(jì)劃。 1928年的一天，美國(guó)威爾遜山天文臺(tái)的天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）詢問他的觀測(cè)助手赫馬森 （Milton L Humason）：“你是否愿意和我一起試驗(yàn)一下測(cè)量星云的紅移？”這一年哈勃39歲，已經(jīng)是美國(guó)科學(xué)院最年輕的院士。 機(jī)遇傾向有準(zhǔn)備的人 不知你身邊是不是存在這樣的人，上帝永遠(yuǎn)站在他那邊。 哈勃就是這樣一個(gè)人。 相比斯里弗而言，哈勃有很大的優(yōu)勢(shì)。首先，哈勃有著觀測(cè)數(shù)百個(gè)星系的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)測(cè)量河外星系距離輕車熟路，因此研究河外星系紅移和距離之間的關(guān)系對(duì)他而言水到渠成，而這對(duì)探索宇宙的結(jié)構(gòu)有著極其重要的意義。 斯里弗利用洛厄爾天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)一直為科學(xué)界懷疑，而哈勃使用的是當(dāng)時(shí)實(shí)際上最先進(jìn)，最大也是最好的天文望遠(yuǎn)鏡——威爾遜山天文臺(tái)的100英寸胡克望遠(yuǎn)鏡。因此哈勃不但可以比斯里弗拍攝更暗的星系，而且可以以更高的精度獲得紅移。 哈勃還有一個(gè)得力助手、天文學(xué)界技術(shù)最熟練的觀測(cè)專家之一赫馬森（Milton LasellHumason，1891～1972）。拍攝星云的光譜，需要長(zhǎng)時(shí)間的曝光，對(duì)天文學(xué)家的觀測(cè)技巧和耐心要求很高，而赫馬森是一個(gè)世界級(jí)的天文觀測(cè)師。 紅移現(xiàn)象——隱藏在光波中的驚天大秘密 研究星系紅移過程中哈珀發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的星系都存在紅移現(xiàn)象，紅移現(xiàn)象不是個(gè)例，而是宇宙中星系普遍存在的規(guī)律。而且星系離我們?cè)竭h(yuǎn)，紅移現(xiàn)象得就越厲害。哈勃的工作并沒有就此止步，緊接著他用了好幾年時(shí)間，測(cè)定了上百個(gè)星系的紅移大小，并將紅移大小換算成了視向速度，將之與星系距離顯示在一張圖上： 一看到這張圖，哈勃立即發(fā)現(xiàn)視向速度和星系距離成正比例關(guān)系，并由此提出了大名鼎鼎的哈珀定律：V=HD，這里V表示星系遠(yuǎn)離我們的退行速度，D表示星系的距離，H表示哈珀常數(shù)，也就是說星系的退行速度與距離之比是一個(gè)定值，這個(gè)定值就是哈珀常數(shù)。 愛因斯坦失眠了 看起來哈珀定律就是個(gè)簡(jiǎn)單不過的數(shù)學(xué)公式，然而偉大的愛因斯坦看到這個(gè)公式卻激動(dòng)地睡不著覺，因?yàn)檫@個(gè)公式背后蘊(yùn)含著一個(gè)驚天秘密。 星云“紅移”出現(xiàn)了多普勒效應(yīng)無法解釋的現(xiàn)象，多普勒效應(yīng)中，波長(zhǎng)的拉長(zhǎng)幅度在波發(fā)出的那一瞬間就已經(jīng)決定了，之后波在傳播中就不會(huì)變化。而哈勃定律和觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，從遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光在隨著時(shí)間在不斷拉長(zhǎng)，在光譜上是向著紅端移動(dòng)的，這就說明光波在宇宙空間傳播時(shí)被“拉長(zhǎng)”。這個(gè)來自深邃宇宙的詭異現(xiàn)象完全顛覆了多普勒效應(yīng)帶給我們的直觀認(rèn)識(shí)，立即引起了所有物理學(xué)家和天文學(xué)家極大地興趣。 更加詭異的是哈珀定律適用于宇宙中任何觀測(cè)點(diǎn)，你站在宇宙中任何一個(gè)位置觀看，都會(huì)發(fā)現(xiàn)所有的星系在離你而去。畢竟地球是宇宙空間再普通不過的點(diǎn)。 只有一種情形下才會(huì)出現(xiàn)這種景觀，那就是宇宙整體在膨脹。就像一只吹大的氣球一樣。 哈珀所觀測(cè)到的宇宙就像這樣的一只氣球，所有的星系都在互相遠(yuǎn)離，這說明我們的宇宙正在膨脹中，這里的宇宙膨脹并不是宇宙在一個(gè)已經(jīng)存在的某個(gè)空間中向外擴(kuò)張，而是空間本身在不斷膨脹拉伸。宇宙膨脹并不表示宇宙存在邊界。不要問宇宙外面是什么，因?yàn)槿祟悓?duì)宇宙本身仍不了解。 這就是這個(gè)看上去簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的哈珀定律告訴我們的宇宙秘密。 當(dāng)遠(yuǎn)在歐洲的愛因斯坦讀到哈珀的論文驚訝地好幾天睡不著覺，因?yàn)楣甑陌l(fā)現(xiàn)與愛因斯坦提出的廣義相對(duì)論互為印證。愛因斯坦樂顛顛地來到威爾遜天文臺(tái)，親自趴在天文望遠(yuǎn)鏡上遙望星空，試圖要驗(yàn)證一下哈勃地定律。 但真正讓愛因斯坦吃驚的是他自己開始因?yàn)椴幌嘈庞钪鏁?huì)膨脹而生生地在他的廣義相對(duì)論方程中添加了一個(gè)不必要的常數(shù)，用以維持宇宙的穩(wěn)定。據(jù)說，這是愛因斯坦一生中自認(rèn)為最大的錯(cuò)誤（這一直為俄裔物理學(xué)家伽莫夫津津樂道）。 如果你喜歡我的推送，請(qǐng)別忘了關(guān)注一下公眾號(hào) 如果你覺得我的文章對(duì)你有幫助，請(qǐng)你打賞以致精神鼓勵(lì) 往期精彩文章： 《從哈勃到哈勃深空?qǐng)觯ㄒ唬澳猩駧闳庋劭矗ㄏ膳┬窃啤薄?/span> 《彈道導(dǎo)彈與巡航導(dǎo)彈的混血兒——伊斯坎德爾K》 《挑動(dòng)“中導(dǎo)”之爭(zhēng)的“伊斯坎德爾-K”什么來頭？》 《衛(wèi)星導(dǎo)航定位先河--子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（7）》 《衛(wèi)星導(dǎo)航定位先河——淺談子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)軍事之用》 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