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(gè)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(gè)地面天文臺都是一個(gè)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(shí)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刹皇翘溯p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(shí)，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(shí)一個(gè)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(gè)很重要的私人目的，就是去參觀一個(gè)地方，然后拜會一個(gè)人。這個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)最大好處就是大氣非常的穩(wěn)定，威爾遜山是整個(gè)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(gè)當(dāng)時(shí)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(shí)世界上最大的天文望遠(yuǎn)鏡。

有了這個(gè)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?？?。哈勃是一個(gè)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(shí)，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(gè)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(shí)認(rèn)知的一張照片

在哈勃開始投身天文學(xué)的時(shí)代，學(xué)界的主流觀點(diǎn)認(rèn)為：銀河系就是整個(gè)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(gè)天文愛好者都知道這些星云其實(shí)就是一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)的條件來說，想要確定夜空中一個(gè)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(gè)難題的路徑只有一個(gè)，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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)時(shí)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(shí)間耐心地繪制這些造父變星的光變周期曲線，計(jì)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(jì)算出這些造父變星的距離了。他的計(jì)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(gè)結(jié)果公布在了美國天文學(xué)界的一個(gè)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(shí)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(gè)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(jì)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(jì)算匯總了所有星系退行的速度后得出結(jié)論：一個(gè)星系退行的速度與距離的比值，是一個(gè)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(gè)現(xiàn)象，實(shí)在找不出第二個(gè)更合理的解釋了。哈勃的這個(gè)結(jié)論一經(jīng)發(fā)布，就如同捅了馬蜂窩，整個(gè)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(shí)，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(gè)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(shí)候，他就發(fā)現(xiàn)，廣義相對論方程導(dǎo)出了一個(gè)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(gè)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(gè)常數(shù)，這個(gè)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(shí)，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?！?/p>

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€(gè)年代，諾獎還沒有頒發(fā)給天文學(xué)領(lǐng)域的先例，當(dāng)時(shí)的科學(xué)界還沒有把物理學(xué)和天文學(xué)看成是同一個(gè)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(jì)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(gè)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。