著者：黃媂 / 黃姤

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天文學家們在很長時間一直都認為恆星是靜止的，其實不是的，恆星是不斷變化著的，它們離我們太遠了，以至於即便它們移動了一段距離，我們也無法用肉眼觀察出它們位置的變化。

恆星本身在天上位置的移動稱為 「自行」，所有的 恆星都有自行，但是有些浮度很小，很少有人注意到它們的變化，想要確定恆星位置的變化，只有兩種辦法：

1.用精密的儀器來測量、

2.增加觀測的時間、

恆星在視線方向上也會有運動·第1個發現星系光譜線紅移的人

18世紀英國天文學家愛德蒙·哈雷，他用自己觀測到的恆星位置資料與希帕克斯的觀測資料進行了比較，發現絕大多數恆星的位置都是一致的，但是天狼星，大角星和畢宿五星這3顆亮星的位置出現明顯的位移，相差了20~30秒，於是哈雷又和第谷的觀測資料進行對比，發現天狼星的位置差異只有4秒左右，哈雷認識到這些差異並不是因為測量不準確，而是由於恆星的位置隨著時間在宇宙中位移的結果。

恆星自行很微弱，在幾百年內肉眼是看不出恆星有什麼改變的，自行最大的一顆星是巴納德星，這顆恆星是除了半人馬座的3顆恆星以外，距離地球最近的恆星，即便是自行幅度最大的巴納德星，每年在天上也只不過移動10角秒，即便是它自行180年，也不過移動像月亮角直徑那麼大的距離。

恆星除了在星空中位置的移動，在視線方向上也會有運動稱為徑向運動，這種方向上的運動由於不產生位置上的移動，因此不可能直接觀察得到，但是還好有它們發過來的光，有了這些光就能測出它的徑向速度。

恆星如果正在遠離我們，那麼它發出的光光的波長就會變長，頻率就會降低，光譜會向紅色的一端移動。反之光譜會向藍色的一端移動，簡稱紅移或者藍移。

第1個發現星系光譜線紅移的人

運動的速度越快，光的波長變化也就會越快，紅移或者藍移的幅度就會越大，因此就可以透過恆星光譜線來測得它們遠離我們或者靠近我們的速度，這種辦法同樣可以測量星系遠離或者靠近我們的速度。

第1個使用這種方法來測量資訊速度的是美國天文學家維斯托·梅爾文·斯里弗(Vesto Melvin Slipher，1875年11月11日-1969年11月8日)，他是一位由外交官轉行的天文學家，在羅威爾天文臺工作了大半生，在這個地方當了30年臺長，斯里弗在許多宇宙學故事中不像愛因斯坦或者哈勃那樣是主角，但他的貢獻也足夠突出，斯里弗是第1個發現星系光譜線紅移的人。這點需要跟大家著重地說明一下，在我查到的很多書本和資料中都說哈勃是發現星系紅移的那個人，這是十分不準確的，因為斯里弗在哈勃之前就已經發現了許多星系的紅移現象。

斯里弗在天文學界還有一個非常重要的貢獻，那就是他發掘了克萊德·湯博這位農民出生的天文學家，也是冥王星的發現者。斯里弗透過對仙女星系的微弱星光進行觀測，測得多普勒藍移相當於3000千米每秒，這個速度比當時所測得的所有的恆星的速度都要快，當時測量所得到的最快的恆星的徑向速度是50千米每秒，於是這個速度顯然是有點過快了，斯里弗本人也懷疑過是不是測量有錯誤呢？後來他又測量了草帽星系的速度，這次星系表現的不是藍移，而是紅移，而且多普勒效應甚至更加明顯，草帽星系的紅移量達到了如此大的一個程度，由此推算出它飛離地球的速度達到了每秒1000千米。

在接下來的幾年中，斯里弗測得了越來越多的星系速度，它們都以非常驚人的高速度飛行著，到1917年斯里弗已經測得25個星系，他發現在這25個星系中，其中有21個星系在遠離我們，只有4個正在向我們靠近。在接下來的十年中，他又測了20多個星系，而這20多個星系，每個星系都在遠離我們。

斯里弗的觀測結果告訴我們，我們所在的太陽系正好像一塊燙手的山芋。一點也不靠近我們，它們爭先恐後地邁開大步子遠離著我們，此時需要一位英雄站出來為大家解釋這一切，那麼這個英雄是誰呢？

他就是美國天文學家埃德溫·哈勃。

多才多藝的天文學家有了重大發現

哈勃出生於1989年，在家族七兄弟姊妹中排行第3，自小哈勃的學習成績就十分優異，也是一位運動的健將，他原本喜愛天文學，但他的父親希望他學習法律，由於家中紀律森嚴，他不得不服從，他一邊學習法律好讓父親安心，同時也學習了足夠多的物理學課程，保留了內心的那份天文夢，哈勃的第1份工作是在學校裡任教併兼任律師事務的工作，即使是這樣，他依然沒有放棄成為一名天文學家的夢想。

父親去世以後束縛在哈勃身上所以解開了他開始追尋自己的天文之夢，在完成研究生和博士論文學業並參加了一戰以後，1919年30歲的哈勃終於開始了他偉大的天文觀測事業，成為威爾遜天文臺的一名工作人員。1923年在威爾遜天文臺工作的第4年哈勃就有了重大的發現，他利用胡克望遠鏡所觀測的資料計算出仙女座星雲的距離為90萬光年 ，而銀河系的直徑只有10萬光年，由此他證明了仙女座星雲其實是河外星系，這一發現還終結了沙普利和柯蒂斯3年前的那場大辯論，一場關於銀河系是不是就是宇宙的全部的爭論。毋庸置疑，銀河系不是宇宙的全部，夜空中的旋渦星雲，實際上是一個和銀河一樣燦爛的恆星世界，也就是所謂的。

圖解：銀河系與仙女星系

如果一個天文學家能夠在上個世紀20年代證明，仙女星雲實際上是仙女星系，僅僅這項發現就足夠載入史冊了。但是這個發現對於哈勃而言還只是初露鋒芒，因為這個時候更大的發現還在等待著他，當哈勃知道斯里弗測得的星系紅移結果後，他不像其他科學家那樣忙於解釋原因，他要自己來看一看星系的紅移到底是一個什麼樣的東西，於是哈勃在威爾遜天文臺上開展了這項工作。

在威爾遜天文臺的哈勃武器更為先進，因為它有一臺100英寸的胡克望遠鏡，鐳射能力是斯里弗使用的洛爾天文臺望遠鏡的17倍，除了有這麼先進的儀器以外，它不還有一位得力的助手——赫馬森。

赫馬森最初只是威爾遜天文臺的一個門衛，年幼輟學的他十分愛好照相術並且學習天文和數學知識，時間不長就成為了一名照相師和得力的助理天文學家，這還真的是耳濡目染，一個天文臺的門衛都能成為一名天文學家。

赫馬森當時已經是威爾遜天文臺最優秀的觀測天文學家了，有了他的幫助，哈勃就能夠從繁重的、耗時的觀測工作中解脫出來，進行更多的思考和計算，兩人還進行了分工，赫馬森負責測量眾多星系的光譜紅移，他們就測量星系的距離，到了1931年，兩人測量了大量氫氣的速度和距離，並將每個星系的速度與距離的關係繪製在。

幾乎全部的星系都顯示出紅移，這意味著它們都在遠離我們，並且還不發現星系遠離的速度依賴於它們和地球之間的距離，距離地球越遠的星系遠離我們的速度也就越快，它不會發現速度和距離的數值幾乎能夠混合在一條直線上，這是一個正比例的關係，星系的速度和距離之間的比例關係就被稱作哈勃定律，它不是一條像萬有引力定律那樣非常嚴格的定律，萬有引力定律給出的是兩個物體之間互相吸引的引力的精確值，而哈勃定律卻是相反的，它是一條非常寬泛的描述性法則，它通常是正確的，但也經常會有例外。

其中一個例外就是仙女星系並不是在遠離我們，而是靠近我們，這是因為仙女星系離我們很近，按照哈勃定律它們理應有一個較小的退行速度，但是如果這個速度足夠小的話，就有可能被周圍星系的引力所抵消，最終表現為光譜的藍移，仙女星系距離我們的確越來越近。

如果星系都是在遠離我們的，那麼在過去的某個時刻，一定距離我們更近

如果我們把時鐘繼續向前撥動，那麼這些星系將會與我們更加的團結和緊密，如果時鐘一直向前，那麼最終所有的星系將會緊緊地團結在一起。

如果哈勃是正確的，那麼這個結果影響就大了，宇宙是動態的、星系和星系之間正在不斷地遠離，時間也是有起點的，宇宙應該從一個單一的緻密區域不斷膨脹而形成今天的模樣，如果讓時鐘從“零時”向前跑，那麼結果便是一個不斷演化、不斷膨脹的宇宙，這也正是勒邁特和弗裡德曼的理論所給出的結果，這也正是愛因斯坦說過的“沒有物理意義的結果”。

如何理解宇宙的膨脹

我覺得有一種說法非常接近，而且比較形象，我們可以把宇宙空間想象成為一塊巨大的麵包，而星系就是這塊麵包上的葡萄乾，麵包會在烹烤的過程中進行膨脹，葡萄乾之間就會隨著麵包的膨脹而遠離彼此，而在最初相距越遠的葡萄乾，在膨脹的過程中遠離彼此的速度也就會越快。

另外還有一點不得不說的是，在許多科普節目中經常將多普勒紅移與宇宙的膨脹相關聯起來，這確實有些誤導大眾。

多普勒紅移是由於相對運動產生的光譜變化，而與之對應的宇宙學紅移是空間本身的膨脹引起的效應，兩者之間要說差別還是有的。多普勒紅移是物體相對於運動帶來的，且速度不可能超過光速而，宇宙學紅移中兩個星系相對遠離的速度是可能超過光速的。除了多普勒紅移和宇宙學紅移，還有一種紅移是引力紅移，這是由廣義相對論得來的，當從遠離引力場的地方觀測的時候處在引力場中輻射源發出的譜線及波長是會變長一些的。

哈勃的資料已經毋庸置疑地表明宇宙正在膨脹

如果一直向前追溯的話，就會有一個創生的時刻，根據哈勃和赫馬森的觀察，宇宙中所有的物質大致在18億年前被集中在一個較小的區域，然後一直向外膨脹至今，這一影象完全與既定的宇宙永恆不變的觀點是相矛盾的，天文學家往往是極其保守的，許多天文學家堅持靜態、穩恆的宇宙觀，這是與他們內心最普及的哲學觀念相關的。

即使是“新星”和“超新星”的發現，天文學家也一直認為垂死的恆星是對其他地方新出現新生的恆星的補償，從而維護了宇宙整體的穩定和平衡，但是這次的發現完全不一樣了，宇宙正在膨脹，這就打破了原來宇宙的穩定與平衡，宇宙在整體上是動態演化的，隨著時間的推移，它的密度會越來越小，任何新的理論出來之後都會聽到反對的聲音，哈勃定律也不例外。在大爆炸理論的批評者們看來，大爆炸模型的根本問題在於認為宇宙有一個有限的年齡，根據哈勃的計算，這個年齡是18億年，而當時地質研究已經估算出地球岩石的年齡是34億年，如果承認了大爆炸模型，那就是要承認宇宙的年齡比地球的年齡還要小，這顯然是不可能的，這也是大爆炸模型最初面臨的非常棘手的問題之一。

在大爆炸模型的反對者陣營中，反應最激烈的就是瑞士天文學家「茲維基」

茲維基這個人真可謂是一半是天使，一半是魔鬼。

天使

他是首先提出星系中存在不可見的暗物質的天文學家，也在超新星、中子星等領域做出過開創性的工作，這是他天使的一面。

魔鬼

在星系紅移的問題上，他提出「光子在穿越宇宙到達地球時，由於引力場的存在，逐漸損失能量而形成的」，這個理論也被稱為“光疲勞理論”。就像向天空扔出一個小球，由於地球的引力作用，小球的運動速度會變慢，會損失一部分動能一樣，從遙遠星系發出的光波也損失了能量，於是光的波長變長了。可是茲維基的理論得不到任何已知物理定律的支援，計算表明引力是會對光產生一定的影響導致紅移，但是這種效應在很低的水平，顯然不足以解釋哈勃定律的觀測結果，此時茲維基魔鬼的一面顯現出來了。

這個偏心而又頑固的老頭開始了人身攻擊，他指責哈勃的團隊濫用他們的特權，控制了世上最好的望遠鏡，他甚至懷疑哈勃和赫馬森的誠信，暗示他們在修改資料，以支援他們的理論。

儘管反對的聲音很多，大爆炸模型還是受到了那個時代最偉大的科學家愛因斯坦的支援

1931年在應邀威爾遜山訪問的期間，愛因斯坦參觀了巨大的100英寸胡克望遠鏡，查看了各種照相底片，隨後愛因斯坦公開宣佈自己放棄靜態的宇宙學，並支援大爆炸膨脹的宇宙模型。此後愛因斯坦還修改了廣義相對論方程，將那個彆扭的宇宙學常數刪掉了，回到了原始的廣義相對論方程，而這個時候當年最初提出大爆炸模型的兩個人，他們的命運卻截然不同。

弗裡德曼沒能活到得知哈勃的觀測結果，他去世的時候沒有受到任何人對他想法的認可，而勒邁特則要幸運的多，他在1927年發表的論文中就提出了宇宙大爆炸模型，他還預言「星系逃逸的速度正比於它們的距離」，這些後來都得到了哈勃的驗證。

愛因斯坦認可了大爆炸模型以後，勒邁特也成為了科學界的名人，畢竟這是一位證明了愛因斯坦是錯了的人，一位在望遠鏡水平還沒有能夠檢測出星系逃離年代，就高瞻遠矚地預言了宇宙正在膨脹的人。

在這裡我不僅為弗裡德曼感到惋惜，在那個資訊不通暢的年代，雖然兩個人分別獨立地提出了「宇宙膨脹模型」，而且弗裡德曼提出得更早，但是在許多教材上，“大爆炸之父”這個頭銜還都給勒邁特，不過弗裡德曼的遺憾還是有後人為他彌補的，他還有一個學生對大爆炸的貢獻也是有重大意義的。

待續......

#新作者扶植計劃.第二期##謠零零計劃#