宇宙大爆炸傳奇-11 來自琦記雜談 00:00 14:22
在伽利略時(shí)代，他就通過望遠(yuǎn)鏡看到了大量的恒星，數(shù)量比用肉眼看多的多。后來到了哈雷時(shí)代就發(fā)現(xiàn)好像這些恒星也不是穩(wěn)定不動的，其實(shí)它們都在運(yùn)動，恒星也是天體，既然是天體那恒星也會存在遠(yuǎn)和近，也存在物理結(jié)構(gòu)，之后有人就提出來說這些恒星都不是獨(dú)立存在的，它們之間是有聯(lián)系的。到了1750年，英國天文學(xué)家賴特就提出了系統(tǒng)，他認(rèn)為天上所有的恒星和銀河一起組成了一個(gè)巨大的系統(tǒng)，它的形狀應(yīng)該就像一個(gè)煎餅或者車輪，我們的太陽系也在其中，站在這個(gè)系統(tǒng)往外看就可以看到銀河的形狀，他猜想這個(gè)銀河的輪廓不整齊，很有可能是因?yàn)樘栂挡辉阢y河的中心所致，因?yàn)橐谥虚g的話那往哪邊看都一樣。在1755年，德國哲學(xué)家康德就在他那本《自然通史和天體論》里發(fā)展了賴特的思想，他就認(rèn)為這些看上去跟云霧一樣的天體是要比恒星大幾千倍的恒星世界，他其實(shí)說小了，幾千倍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，其中每一顆恒星都是聯(lián)系在一個(gè)共同平面之上的，這樣就組成了一個(gè)整體，他就覺得這些恒星都是有組織有紀(jì)律的，他還覺得整個(gè)宇宙就是由無限個(gè)這種天體結(jié)構(gòu)組成的，他就把這些星系稱為宇宙島。在1761年，德國學(xué)者就提出無限階梯宇宙模型，他認(rèn)為太陽是一級體系，太陽和周邊的恒星構(gòu)成的恒星集團(tuán)是第二級，銀河系就是這種恒星集團(tuán)的總和為第三級，就跟俄羅斯套娃一樣，就這樣無限延伸下去就構(gòu)成了宇宙。
伊曼努爾·康德
那時(shí)候很多東西看不清楚，用望遠(yuǎn)鏡看也是模模糊糊，康德說星云是恒星組成的星系，那有人就不同意這個(gè)說法，他們認(rèn)為既然叫星云那就應(yīng)該是云才對，這時(shí)候有個(gè)音樂家就站出來了，他叫赫歇爾，他是一個(gè)半路出家的天文學(xué)家，最強(qiáng)的手藝就是磨制望遠(yuǎn)鏡，他們家后來都快成望遠(yuǎn)鏡作坊了，他還把他弟弟妹妹兒子全拉下水一家人在那研究天文，他最著名的成就就是發(fā)現(xiàn)了天王星，他還對恒星和星云做了大量的研究，堅(jiān)持對天上的星星進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)星星這看不是簡單的事，那是要一個(gè)一個(gè)數(shù)的，他進(jìn)行了1083次觀測，一共數(shù)了683個(gè)觀測天，里面數(shù)了117600顆恒星，獲得了非常多的資料，他就發(fā)現(xiàn)銀河附近的恒星數(shù)量比別的地方的數(shù)量要多的多，大部分星星是集中在銀河附近的。在1785年赫歇爾就畫了一個(gè)銀河系的輪廓圖，那個(gè)輪廓參差不齊，太陽在最中間，其實(shí)太陽不在中間，但是他任性啊，非要把太陽放中間，這畫出來就不成樣子了。赫歇爾是首個(gè)通過觀測手段證實(shí)銀河是由很多恒星組成的一個(gè)天氣系統(tǒng)，這就是銀河系，我們看到的這些星星不是各自獨(dú)立的，而是都有組織有紀(jì)律的在運(yùn)動。赫歇爾當(dāng)時(shí)還做了一個(gè)很有影響力的事，那就是對星云進(jìn)行觀測。他用他弄的在當(dāng)時(shí)算是首屈一指的人間大炮對準(zhǔn)了云霧狀天體，他搞這大炮就是用來觀測這些天體的。他一共選了29個(gè)觀測對象，結(jié)果這些星云絕大多數(shù)都被分解成了非常暗弱的恒星組成的集合體，赫歇爾就認(rèn)為這些星云也就是星系那跟我們銀河系是一樣的，他認(rèn)為望遠(yuǎn)鏡里分不出的那些星云也可能是因?yàn)樽约和h(yuǎn)鏡不夠大導(dǎo)致的，望遠(yuǎn)鏡要厲害了一樣能分出來，所以不著急，慢慢來。那因?yàn)楹招獱柡苡忻运慕Y(jié)果一發(fā)表出來影響非常大。還是有一些星云分解不開，那這事就沒辦法做個(gè)定論，星云到底是啥沒人能說清，赫歇爾發(fā)現(xiàn)一個(gè)星云中間有一顆恒星，恒星周圍就有那種云氣狀的結(jié)構(gòu)，這赫歇爾就抓瞎了。他之前先說的星云不是恒星構(gòu)成的，所以就管它們叫行星狀星云，后來我們知道了這些行星狀星云說白了就是一些老恒星臨死前進(jìn)行爆炸的痕跡，爆炸就噴成了這么一個(gè)云團(tuán)，有些星云看起來就很漂亮，最著名的就是那個(gè)貓眼星云。后來愛爾蘭的威廉·帕森思也開始磨望遠(yuǎn)鏡，尺寸比赫歇爾的還要大，他還甚至發(fā)明了蒸汽磨鏡機(jī)，開始用機(jī)器去打磨了，但觀測結(jié)果是很多星云仍然無法分解開，沒辦法把它分解成一個(gè)一個(gè)的恒星。人們就這樣折騰了很久仍然對星云沒有一個(gè)統(tǒng)一的說法。就在這個(gè)時(shí)候碰到了物理學(xué)大發(fā)展，這就給天文學(xué)提供了不少新的技術(shù)手段，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星體是可以給它測光譜的，星云的光譜都還不一樣，有的星云光譜里明亮的部分到了另外的星云里就變成了暗線。有人就說那能不能根據(jù)光譜來給星云區(qū)分類別，大家一聽覺得這是個(gè)好主意啊，結(jié)果忙乎了一陣發(fā)現(xiàn)這樣行不通，因?yàn)橛械男窃萍葲]有亮線也沒有暗線，這就頭疼了。就這事這幫天文學(xué)家吵了200多年，結(jié)果還一直沒有一個(gè)定論。
威廉·赫歇爾
在科學(xué)家不停爭論的這些年里，這個(gè)世界上出大事了，那就是這個(gè)地球上有一個(gè)國家開始崛起了，這個(gè)國家就是美國。赫歇爾正在研究恒星結(jié)構(gòu)的時(shí)候美國爆發(fā)了獨(dú)立戰(zhàn)爭，科學(xué)家在研究恒星獨(dú)立光譜的時(shí)候美國恰好在打南北戰(zhàn)爭，打完了南北戰(zhàn)爭美國就進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段。比如說發(fā)明重機(jī)槍的那個(gè)馬克沁，他是1840年出生，打完南北戰(zhàn)爭的時(shí)候他正好是當(dāng)時(shí)的發(fā)明大王。1847年，愛迪生出生，發(fā)明電話的亞歷山大·貝爾也是1847年出生。后來證明光速不變的麥克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)的麥克爾遜是1852年出生的，莫雷要比麥克爾遜早一點(diǎn)，是1838年出生?？梢园l(fā)現(xiàn)美國人創(chuàng)造力最旺盛的時(shí)候就是南北戰(zhàn)爭結(jié)束之后的這么一段時(shí)間。企業(yè)方面呢，大財(cái)閥摩根是1837年出生，報(bào)業(yè)大王普利策是1847年出生，洛克菲勒1839年出生，當(dāng)年的小伙子現(xiàn)在變成了肌肉男，美國有錢啦，技術(shù)方面就還是騰飛了，但理論科學(xué)還是很薄弱，畢竟歐洲的科學(xué)底蘊(yùn)非常深厚，理論科學(xué)那就是在英國那幫人，比如胡克啊牛頓啊，后來轉(zhuǎn)到了法國，比如拉普拉斯啊拉格朗日啊居里夫人啊，后來又轉(zhuǎn)到了德國，比如愛因斯坦啊普朗克啊，那美國是跟歐洲沒法比的。不過美國人有錢啊，有錢就好辦事了，他們理論不行，就從實(shí)驗(yàn)性和觀測性方面入手。他們出了一個(gè)天文學(xué)家叫海爾，海爾在研究太陽方面很有建樹，發(fā)明了單色光照相機(jī)，有了這東西就可以去觀察以前看不到的太陽色球?qū)拥倪\(yùn)動了，比如說日珥之類的，所以這東西也俗稱叫日珥鏡。日珥的爆發(fā)只有在色球?qū)硬拍芸吹?，因?yàn)樯驅(qū)宇伾岛芏?，不把光球?qū)拥墓饨o過濾掉那就根本看不見。不過海爾對天文學(xué)最大的貢獻(xiàn)還不是這個(gè)，他最大的貢獻(xiàn)就是給學(xué)會拉了贊助，游說了金融家葉凱士出資修建了葉凱士天文臺，而且在天文臺里安裝了當(dāng)時(shí)世界上最大的一米口徑的折射望遠(yuǎn)鏡，這尺寸在折射望遠(yuǎn)鏡里算大的了，因?yàn)槿绻俅竽晴R片就受不了了。天文臺到1897年建成，結(jié)果海爾還是不滿意，他又開始鼓動那邊一個(gè)叫胡克的商人出錢在威爾遜山天文臺修了一個(gè)2.54米的反射望遠(yuǎn)鏡，號稱叫一百英寸望遠(yuǎn)鏡，這是在1917年建成的，打這起往后31年時(shí)間里它都是世界上最大的望遠(yuǎn)鏡。到了1928年海爾又籌錢建造了一個(gè)200英寸的望遠(yuǎn)鏡，后來放到了帕洛瑪山天文臺，這個(gè)望遠(yuǎn)鏡因?yàn)槎?zhàn)的原因被拖了下來，到了1948年才建造完畢，不過這時(shí)候海爾已經(jīng)去世了，后人為了紀(jì)念他就把這個(gè)望遠(yuǎn)鏡稱之為海爾望遠(yuǎn)鏡。他一生最大的貢獻(xiàn)就是鼓動一幫商人掏錢造望遠(yuǎn)鏡，這些大望遠(yuǎn)鏡得到的成果那可比海爾一個(gè)人單打獨(dú)斗出的成果大的多啊。天文學(xué)是一個(gè)玩觀測的學(xué)科，那有了趁手的家伙成果肯定出的多啊，美國人思路也很清楚，理論比不上歐洲，那就先搞實(shí)踐，人才沒辦法用錢砸出來，只能出去碰運(yùn)氣去發(fā)現(xiàn)，但是儀器設(shè)備是可以用錢砸出來的啊，這也是一條路。
葉凱士天文臺及愛因斯坦等科學(xué)家合影
海爾在芝加哥大學(xué)當(dāng)過教授，當(dāng)時(shí)學(xué)生里面也有很多很崇拜海爾做的那些貢獻(xiàn)，里面有一個(gè)學(xué)生就愛上了天文。海爾當(dāng)教授沒當(dāng)多久，就去了葉凱士天文臺當(dāng)臺長，這年輕人后面折騰了一陣也去了葉凱士天文臺當(dāng)研究生，不過這時(shí)候海爾已經(jīng)走了，他去搞那個(gè)威爾遜山天文臺了，他要造更大的望遠(yuǎn)鏡。后來一戰(zhàn)就開打了，這年輕人躲不開就去當(dāng)了兩年兵。到了1919年，就在開巴黎和會，愛丁頓就領(lǐng)著一幫人在觀測星光，愛因斯坦就在歐洲等消息，這個(gè)年輕人就去了威爾遜山天文臺工作，做了海爾的手下，這個(gè)年輕人就是后來大名鼎鼎的埃德溫·哈勃。哈勃來的時(shí)候剛好是大望遠(yuǎn)鏡建成的第二年，算是一臺新設(shè)備，哈勃也很興奮啊，這東西太好玩了，他就把精力投入到星云的問題上。這個(gè)問題的關(guān)鍵不在于能否把星云分解成一顆一顆的恒星而在于它對于我們距離的遠(yuǎn)近，那它們的距離要怎么測呢？要測距離就缺少不了一把量天尺。在19世紀(jì)90年代，哈佛大學(xué)天文臺就招募了一幫聾啞女性，讓她們對天文臺的照片進(jìn)行分析，測量對比之類的工作，這也算是對殘疾人就業(yè)的一種福利。在1893年有一個(gè)姑娘叫樂維特就加入了這個(gè)工作，她就注意到在小麥哲倫云里的一顆變星的變光周期越長，亮度變化就越大，變光幅度也就越大，這個(gè)變星就被稱之為造父變星，當(dāng)然了這是咱們中國人的命名，那是因?yàn)榈谝粋€(gè)發(fā)現(xiàn)的這種星叫做造父一，所以中國人就管它叫造父變星。它們的光度會發(fā)生周期性變化，其實(shí)北極星也是一顆造父變星，只是它的光度變化非常小，連1%都不到，那肉眼就無法分辨出來了。在1908年哈勃就把初步結(jié)果發(fā)表在了哈佛大學(xué)的天文臺年報(bào)上面。小麥哲倫云范圍很小，它是一個(gè)矮星系，那我們在地球上基本就可以認(rèn)為小麥哲倫里的恒星距離遠(yuǎn)近離我們都差不多，一個(gè)天體的亮度，它離我們近就亮，遠(yuǎn)就暗，那恒星離我們距離差不多的話，誰亮誰暗就能分得清了，就可以排除掉這個(gè)距離的因素。經(jīng)過研究之后，到了1912年就確定了造父變星的周期和變光光度的關(guān)系。1915年天文學(xué)家就開始用造父變星作為量天尺計(jì)算出了銀河系的大致范圍，這哈勃手下的世界最大望遠(yuǎn)鏡果然是厲害。
埃德溫·哈勃
哈勃在拍攝仙女座大星云M31和附近的M33星云照片里面，他發(fā)現(xiàn)經(jīng)過這么長時(shí)間對比，拍的這兩造父變星里面還有其他星星會忽明忽暗，這就是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)了。哈勃觀測了好久，統(tǒng)計(jì)了很多數(shù)據(jù)，把光變周期算出來了，那么現(xiàn)在知道了光變周期，我們就可以算出來。知道了光變周期之后就可以算出來仙女座大星云大致的距離了，那當(dāng)時(shí)計(jì)算的結(jié)果大概是80萬光年。而放到今天我們知道準(zhǔn)確的數(shù)值是220萬光年，哈勃當(dāng)時(shí)計(jì)算的結(jié)果少了，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的照相底片不是特別準(zhǔn)，存在比較大的誤差。這消息一出來天文學(xué)界就震驚了，這是因?yàn)殂y河系大多數(shù)的星星離地球也就是10萬光年左右，仙女座當(dāng)時(shí)測出來就是80萬光年，看來它根本就不在銀河系里啊，那這就是兩塊星系了，仙女座大星云看起來是跟銀河系一樣平起平落的大星系，甚至看起來比銀河系還要大不少。天文學(xué)界200多年時(shí)間吵的事現(xiàn)在終于有答案了，這就是哈勃的一大貢獻(xiàn)。在望遠(yuǎn)鏡里那些沒辦法分解出來的星云啊那些氣體啊那些都是我們銀河系里的天體，而那些像大風(fēng)車一樣，看著很遙遠(yuǎn)很模糊的天體實(shí)際上就是類似于我們銀河系一樣的星系。從此哈勃名聲大噪，然后他再接再厲，到了1929年他又拿出一個(gè)成果，還是跟星系有關(guān)。他分析了二十多個(gè)星系的光譜，他發(fā)現(xiàn)距離地球越遠(yuǎn)的星系紅移越厲害，離的近的星系紅移反而不明顯。這個(gè)紅移就是說觀察天體的光譜，可以看到很多譜線，這些譜線就像指紋一樣是有獨(dú)立特征的，因?yàn)槊總€(gè)天體上都有氫啊氦啊這些元素，這些元素就會在光譜上留下自己的指紋，那就可以通過分析天體的光譜來分析天體上有哪些化學(xué)成分。不過哈勃觀測發(fā)現(xiàn)同一個(gè)天體的光譜每個(gè)星期都不太一樣，大部分都是略微會往紅端移動一點(diǎn)點(diǎn)，這就是所謂的紅移了。哈勃認(rèn)為造成這種偏移的原因就是星系的運(yùn)動，星系它不是靜止在那的，而是在遠(yuǎn)離我們而去，這樣光譜就會偏紅，因?yàn)檫h(yuǎn)離我們而去光的頻率就降低了嘛，哈勃認(rèn)為這就是多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)我們中學(xué)物理課上都學(xué)過啊，一輛汽車鳴著喇叭靠近我們又遠(yuǎn)離我們的時(shí)候，音調(diào)是逐漸變高然后又逐漸降低的，這個(gè)就跟哈勃認(rèn)為的是一個(gè)道理。不過后面我們會說到這個(gè)紅移的原因并不是多普勒效應(yīng)，這個(gè)后面再說。那么既然這個(gè)紅移跟退行速度也就是離開我們的速度是有關(guān)的，哈勃就提出了著名的哈勃定律，他認(rèn)為退行速度和距離是成正比的，這個(gè)比值被稱為哈勃常數(shù)。也就是說一個(gè)星系離我們越遠(yuǎn)，那它跑的也就越快，所有的星系都在遠(yuǎn)離我們。哈勃定律的提出又讓天文學(xué)界震驚了，原來這個(gè)宇宙不是靜態(tài)的啊，它是一直在膨脹。物理學(xué)界也震驚了，尤其是前面提到的勒梅特神父，他一聽這消息開心壞了，他還特地跑美國去找哈勃見了一面，兩個(gè)人好好聊了聊天，不過估計(jì)兩個(gè)人說的對方都聽不懂，勒梅特是理論物理學(xué)家，他跟搞觀測的哈勃不是一類人，知識體系也不一致，所以也不知道他們到底說了啥。
勒梅特和愛因斯坦
回來后勒梅特還是很興奮，他就提出了一個(gè)非常大膽的假設(shè)，他說既然今天宇宙里所有的星系都在遠(yuǎn)離我們，那么在過去相互之間一定比現(xiàn)在靠的要近，那么就不斷往前追溯，很久很久以前所有的星系會不會都緊挨在一起，那再往前推，是不是所有的星系都壓縮在一起，難不成我們的宇宙是從一個(gè)蛋里蹦出來的？對于神父來說，他估計(jì)心想，哎呀上帝你還會下單啊，圣經(jīng)里沒寫啊。欲知后事如何，請看下回分解。
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