宇宙膨胀背后的故事（廿九）：宇宙的膨胀在加速

1990年代是天文学又一个激动人心的年代。1990年4月24日，“发现”（Discovery）号航天飞机升空，在卫星轨道上装置了人类第一台遨游太空的天文望远镜，以现代最著名的天文学家命名为“哈勃太空望远镜”（Hubble Space Telescope）。

即使是在难得的晴空万里的黑夜，即使是在海拔数千米的高山之巅，地球上的望远镜都会受到大气层的影响。大气层不仅吸收了大量的星光（尤其是微波、红外、紫外等波段的电磁波），而且即便是微弱的气流搅动也会造成相片的模糊失焦。在现代化的镜片制作、电子成像工艺精益求精之后，天文望远镜的精度已经达到极限，大气层成为最大的障碍。

早在1920年代火箭技术刚刚起步时，就有人提出现代的运载火箭有一天能将天文望远镜送上太空，彻底摆脱大气层。1946年，年仅32岁的美国人斯皮策（Lyman Spitzer）发表论文，系统地阐述了太空望远镜的设计。一年后，他接替导师罗素担任普林斯顿天文台台长（他也是著名的普林斯顿受控热核聚变实验室的创始人）。其后几十年，他一直在美国航天局领衔推动这个梦想的实现。

与哈勃本人早年的经历相似，哈勃望远镜的亮相有过颇多磨难。1986年“挑战者”号的灾难迫使航天飞机整体停飞两年多，哈勃望远镜也不得不在仓库中被冷藏了四年。终于进入轨道后，它又被发现镜片制作不当，拍摄的照片散光、模糊，没达到设计要求。1993年，“奋进”（Endeavour）号航天飞机再度造访轨道上的哈勃望远镜。宇航员经过一番复杂的太空操作为它添加了一副矫正镜片。戴上眼镜之后的哈勃望远镜终于大放光彩，不仅在科学发现上屡建奇功，而且连年拍摄出大量丰富多彩的天文照片，令爱好科学的大众惊艳不已。

在太空轨道上傲视天穹的哈勃天文望远镜。

今天，人们提到“哈勃”时，他们指的大多是天外的那台望远镜，而不是近100年前威尔逊山上的那位少校。作为个人的哈勃早已悄悄地离开了这个世界，在地球上没有留下痕迹。但从1990年起，他的墓碑已经超脱地球的羁绊，独自在太空中翱翔；犹如他的魂灵，永恒地凝视着深邃的宇宙，捕捉、收集来自远方、来自远古的微弱星光。


1996年，普林斯顿借250周年校庆之机举办了一系列活动。夏天，他们邀请天文学家在那里济济一堂。特纳、皮布尔斯等新生代“无赖宇宙学家”接连发言，企图复活普林斯顿老前辈爱因斯坦当年那无中生有的宇宙常数。他们从理论上论证，宇宙中存在的物质、暗物质不足以解释宇宙的平坦，需要宇宙常数帮忙。

科什纳主持了特纳与其他理论家的一场辩论。之后，他转向珀尔马特，问他的看法。珀尔马特没有纠缠理论，表示他可以谈谈他们遥远超新星测量的结果。

作为天文学家的哈勃最著名的是他发表的星系速度与距离关系图，显示星系远离我们而去的速度与它们的距离的数据点构成一条直线，即成正比。虽然勒梅特曾更早地发现这个规律，这个图还是被称作“哈勃图”；正比关系即“哈勃定律”。那条直线的斜率便是“哈勃常数”——宇宙年龄的倒数。

哈勃那时的数据有限，误差也相当大。所以他那张图上数据点发散，与他画的直线之拟合颇为勉强。温伯格后来评论说哈勃发现正比关系其实是出自他本人的主观愿望。好在那之后的几十年里，桑德奇等一整代天文学家以越来越多的数据、在越来越远的距离上证实了哈勃定律。从1920年代哈勃、胡马森力所能及的几百万光年距离到1990年代珀尔马特追求的几亿光年外超新星，哈勃图上的直线不断地延伸，经受了历史的考验。

果然，珀尔马特在会上拿出的他们最初七颗超新星也都处在那条（再度伸长后的）直线上。皮布尔斯当即表示：如果这些数据成立，他们刚刚还正在鼓吹的宇宙常数理论就完结了。

哈勃定律的正比关系可以用一个膨胀中的气球形象地描述：在一个均匀膨胀中的气球表面，任何两点拉开的速度与它们之间的距离成正比。不过，宇宙还有一个气球式的日常经验不具备的因素：时间。

因为光速有限，我们抬头看到的太阳其实只是八分钟以前的太阳。同样，几亿光年之外超新星的亮光、红移给我们带来的并不是它们今天正在离开我们的速度，而是几亿年前它们所在之处的膨胀速度。当然，如果宇宙膨胀的速度像阳光一样恒定不变，这个时间差即使巨大也没有影响。

如果宇宙在大爆炸之后只是惯性地膨胀，其速度会保持恒定。如果宇宙中有足够的质量、暗质量以其引力拉后腿，宇宙的膨胀便可能减慢，甚至在将来某个时刻逆转为坍缩。而如果像特纳、皮布尔斯等人所主张，宇宙中还有一个宇宙常数项在起着与引力相反的作用，那么宇宙的膨胀也可能会加速。

要知道是哪种情形，我们可以比较遥远超新星所报告的远古时的速度与今天的数值。在哈勃图上，这表现在远方的数据点是否继续符合那条代表恒速的直线。如果宇宙的膨胀速度不恒定，那里的数据点会一致性地偏离直线。它们往哪一边偏离便告诉我们宇宙膨胀是在减慢还是在加快。

珀尔马特的七颗超新星基本上都在哈勃图的直线上。如果仔细计较，它们还稍微偏向宇宙膨胀减慢的一侧。他认为据此很难想象我们处在一个因为宇宙常数作用而在加速膨胀的宇宙。但他同时也指出，这些数据的误差太大，不足以下确切的结论。宇宙膨胀无论会是在减慢还是加快，其变化都会微乎其微。他们还需要找到更遥远、更古老的超新星，才能分辨出明显的差异。当然，他们也需要更精确的测量手段。

科什纳没有发表意见。他对珀尔马特的结果信心不大，却还拿不出自己的数据来。


因为需要运送到大气层之外，哈勃望远镜并不特别巨大。它的口径2.5米，与哈勃当年使用的胡克望远镜同样大小。由于不受大气层的屏蔽、干扰，也没有地球表面灯光的污染，哈勃望远镜拍摄出的照片依然让地球上几倍大口径的望远镜瞠乎其后。要更精确地测量遥远的超新星，哈勃望远镜似乎是不二之选。

1990年代的天文望远镜已经不再要求天文学家像哈勃、桑德奇那样整夜整夜地将自己关在小笼子里，强忍寒冷、尿急、孤单，手工操作保持目标的锁定。电子计算机控制的自动跟踪系统更完美地接替了这一重任。天文学家可以坐在舒适的办公室甚至自己家里通过互联网远程遥控望远镜。

远在天外的哈勃望远镜当然只能通过远程操作进行观测。

不过哈勃望远镜不是静止地坐落在高山上，而是“悬浮”在太空，并以每90分钟绕地球一圈的高速在运行着。不仅它锁定目标的操作异常复杂，还必须时刻注意瞬息万变的方位，避免被邻近的地球、月亮挡住视线，更要躲过太阳光的直射。为了防止意外，使用哈勃望远镜的天文学家需要在至少一个月前将观测计划提交给控制中心，由他们仔细审查、确认万无一失才能通过，并编写成计算机程序。地球上的控制中心每星期上传一次指令，给哈勃望远镜布置下一个星期的运作，非不得已绝不会临时更动。

这样，随机出现的超新星不可能在哈勃望远镜的计划之中。

珀尔马特却很有信心。他们已经完善了寻找超新星的“流水线”方式，不仅“随要随有”，还能“指哪打哪”。他们可以事先设定好哈勃望远镜便于观测的天域，然后在一个月前后分别进行两次观测，其中肯定会有超新星出现。

他的申请又一次撞到科什纳的枪口上。作为决定哈勃望远镜时间分配的权威之一，科什纳出言阻扰。他指出哈勃望远镜的使命是进行地面望远镜无法胜任的天文观测，没必要为超新星浪费、冒险。还好主持分配的负责人十分欣赏珀尔马特的创新精神。他几经斡旋，达成了一个折中方案：同时给伯克利和哈佛的团队提供时间，一碗水端平。科什纳也就不再反对动用哈勃望远镜观测超新星了。

只是两个团队之间的积怨又加深了一层。在学术会议上，几乎很难再看到科什纳与珀尔马特同时出现。


珀尔马特公布最初结果的那年，里斯还是哈佛的研究生，正在分析他们当时仅有的第一颗超新星数据。一天，导师科什纳领着来访的特纳和古斯走进他的办公室，鼓励他汇报一下最新进展。面对突然出现的三位学术名人，里斯惴惴不安。他的结果显然不靠谱：在哈勃图上，他的超新星不在那条直线上，也不在它应该在的一侧，而是落到了另一边。

特纳乐了，这个与珀尔马特相反的结果倒正是他希望看到的。研究生难为情地解释，这只是他们的第一次尝试，可能实验、计算上有错，也可能误差太大，总之不可靠。

伯克利那最初七颗超新星的论文在一年后的1997年7月正式发表。同时，使用哈勃望远镜的观测获得了预期的成功，给他们提供了从两颗新的超新星上获取的更高精度、可靠得多的数据。不妙的是，这两颗星与前面七颗星的表现不一致，在哈勃图上跑到了直线的另外一侧。

经过仔细核查，他们发现当初和新的超新星中各有一颗其实不是Ia型，应该去除。但剩下的那颗新的还是顽固地在与原来的六颗唱着反调。他们面临一个窘境：新的这颗星只是孤证，却是哈勃望远镜测量的结果，比原来的几颗的误差小得多。但是否为它推翻刚刚已经发表的另外六颗星的结论？

他们在10月初发表了这个尴尬的结果。因为用哈勃望远镜测量超新星本身就是一个重大突破，他们不能落到对手的后面。果然，哈佛的搜索队几乎同时也发表了论文。两篇论文都强调了哈勃望远镜的技术优势，反而对超新星的具体结果淡然处之，未下结论。


里斯毕业后来到伯克利的粒子天文学中心做博士后，继续他的数据处理。他已经把计算过程反复修改、更新了无数遍。虽然越来越自信，他的超新星总还是固执地处在哈勃图上不应该的那一侧。

以天文学家为主的哈佛搜索队十分松散，人员遍布世界各地的天文台。施密特结婚后伴随妻子搬去了澳大利亚，经常往智利的天文台奔波。他们团队的联系全靠日益成熟的电子邮件，辅之以时区混杂的越洋电话。里斯和施密特保持着密切的电邮、电话联系，每次完成一项计算都要交给对方进行独立核查。作为警示，他们在那一系列电邮中分别以“弗莱希曼”、“庞斯”署名。几年前，美国化学家弗莱希曼（Martin Fleischmann）和庞斯（Stanley Pons）大张旗鼓地宣布他们用简单的设备实现了室温下的核聚变（cold fusion），造成巨大轰动。但他们这个“历史性突破”很快被证明不可重复，成为科学界一桩丑闻。

施密特每次看到里斯的邮件都忧心忡忡。他知道里斯聪明绝顶，但觉得他还年轻、不够细致，才会一次次得出意外的结论。但他的疑虑随着一遍又一遍的验证逐渐消散。不仅是那第一颗，他们随后测量的几颗超新星的确都在哈勃图的“错误”一侧。同时，他们也得到珀尔马特那边的结论也在发生变化的消息。

同为年轻人，里斯在伯克利经常与珀尔马特那班人一起打球游乐，互相取笑对方在超新星项目上的不足。他知道在超新星的数量上他们不可能赶上对手超前的进度，但相信自己的计算方法略高一筹，可以在质量上取胜。但更迫切的是时间。他能够感受到双方都进入了最后的冲刺，终点已经在望。

在竞争压力之外，里斯还面临着另一个时限：他定在1998年1月10日结婚。1997年的年底，他把自己关在因为圣诞节假期而空无一人的办公室里，日日夜夜起草论文。1月4日，里斯把草稿寄给施密特审阅。8日，施密特回信道：“你好，宇宙常数！”。

施密特和里斯终于各自都有了强劲的自信：他们这个结论有99.7%的可能是正确的。宇宙的膨胀速度既不恒定，也没有因为引力减慢，而是在加速：因为他们测量的超新星都坐落在哈勃图中加速膨胀的那一侧。这只能用特纳、皮布尔斯等人复活的宇宙常数解释。

他们随即把起草好的论文转寄给全体成员征求意见。里斯忙里偷闲，回家乡举行了婚礼。他没有忘记天文学家的身份，把蜜月安排在夏威夷，可以“顺便”去那里的天文台帮忙。旅途中他们再度路过伯克利，他强拉着新娘又跑到办公室打开计算机查看邮件。信箱里已经塞满了大家对论文底稿的反应，支持和反对的几乎参半。

最直截了当的信件来自他们的导师科什纳。他在邮件中写道：你们内心里知道这是错的。但你们的脑子在告诉你们要发表……

科什纳对珀尔马特不得不更正才发表的结果毫不惊讶，他从来没有信任过伯克利那群物理出身而混迹天文的年轻人。他也清楚自己的门徒里斯和施密特为了避免重蹈弗莱希曼和庞斯的覆辙已经竭尽过全力。但他的内心还是不能够接受他们的结论。仅仅几年前，他为这个项目提交的资金申请书的副标题便是“利用Ia超新星……测量宇宙膨胀的减速”。

十来年前，科什纳在研究1987A超新星的来源时曾经犯过一个错，不得不事后纠正已发表的结果。他很不愿意重复那个经历，尤其是在宇宙常数这么一个举足轻重的历史性概念上。珀尔马特刚刚因为一颗超新星否定了前面六颗的结果，而他们手上才刚刚有四颗超新星，如果仓促发表了很快又要更正该如何是好？

在新婚妻子责怪的眼神下，里斯自顾自地坐下来写了一封长长的回信，再次论述他的信心。他回应科什纳说，既不要用心也不要用脑，应该用眼睛看这个结果。毕竟，他们都是天文学家。

信件发出后，他就伴随妻子度蜜月去了。当妻子抱怨地问道他们以后的日子是不是都会时常这样被他“重要的工作”搅乱时，里斯回答：不会，不会。只是这一次……真的是不一样。


施密特向里斯发出“你好，宇宙常数”电邮的那一天，珀尔马特正在美国天文学会的年会上作报告。他向在场的记者介绍，他们已经有了40多颗遥远超新星的数据。他骄傲地宣布，今后，如果要知道宇宙的归宿，你会去咨询实验天文学家而不是哲学家。

还不到40岁的珀尔马特应该很庆幸他大学时在物理与哲学之间所做过的选择。他更没忘了强调：重要的不是宇宙的归宿本身，而在于人类能够通过科学的手段认识宇宙的归宿。

在那几个月里，珀尔马特在各地做了多场学术报告。他展示的数据越来越多。与里斯看到的相同，他们后继的超新星也都跑到了哈勃图上的另一侧。但因为事关重大，他始终没能直截了当地揭开宇宙膨胀在加速这个惊天秘密。在那次年会上，伯克利和哈佛两个团队都只是提出宇宙的结局不会是坍缩，而是永远地膨胀下去。

2月22日，珀尔马特又在一次会议上作报告。曾经是他的队友但后来“叛变”到哈佛团队的菲利彭科（Alex Filippenko）坐在下面，紧张地聆听他的每一句话。这一次，珀尔马特还是只提到他们的数据中可能有宇宙常数存在的证据，依然没有明确其含义。菲利彭科如释重负。接下来便是他的演讲，而他来之前就已经得到了团队的授权。在展示数据之后，他不再含糊其辞，旗帜鲜明地表明地遥远超新星的测量结果意味着宇宙的膨胀在加速。

基于超新星测量的新“哈勃图”，远距离上的数据点明显偏离直线。图中的几条线是根据不同参数取值的理论预测。

虽然不及室温核聚变事件时的疯狂，宇宙膨胀在加速也是一起震惊科学界的重大发现，立刻引起了媒体的轰动。里斯、施密特、科什纳等一时都成为当地电视台追逐的明星。他们的感想在各大报刊中转载。引用最多的是施密特回忆他最初的反应：一半惊异一半恐惧。惊异在他压根没料到会得到这样一个结论；恐惧则因为他觉得天文学界不可能接受这么一个结论。

那个时刻，伯克利团队已经有了42颗超新星的数据，哈佛搜索队只有16颗。但哈佛数据中的误差只有伯克利的一半，因此具备更多的自信。用里斯的话说，他们这几只乌龟终于超越了珀尔马特那只兔子。伯克利的人很不服气，对《纽约时报》记者抱怨哈佛那几个人只是验证了他们的结果，却在公关游戏上赢得了先机。

科什纳也在《纽约时报》采访中表达了由衷的感概：你知道世界上最强大的力是啥？不是引力，而是嫉妒。

伯克利和哈佛的这两支队伍从一开始就处于互不相容、近乎你死我活的争斗之中。这个激烈的竞争是他们能在短短几年内克服无数困难、开创宇宙学新纪元最强大的动力。而有意思的是，他们互相隔绝、几乎完全不合作的运作方式也带来意外的收获。

施密特的恐惧不是空穴来风。除了那极少数“无赖天文学家”，天文学界的共识一直是宇宙膨胀速度恒定，只可能会因为引力作用有微不足道的减速。没有人认同宇宙常数的存在、宇宙膨胀会加速。与发现宇宙膨胀所依据的造父变星不同，超新星是一次性事件，其测量结果无法重复核对，因此更难取信于人。

但伯克利和哈佛这两个团队各自独立地寻找到不同的超新星，使用完全不同的测量和数据处理手段，互相之间从来没有因为交流而“作弊”过。他们却殊途同归，得出了同样的、事先都没有预料过的结论。这不能不令人信服。

珀尔马特说，两个团队的结果是“暴力的和睦”（“in violent agreement”）。


这两个团队之间的竞争也没有因为他们共同的成功而结束。在那之后的十来年里，他们为究竟是谁最早做出这一发现、谁最先公开发表等等在多个场合打了无数的笔墨官司——尤其是在国际性大奖的评比之际。

2011年，珀尔马特（左）、施密特（中）和里斯（右）领取诺贝尔奖。

直到2011年，已经不再那么年轻的珀尔马特和施密特、里斯因为这项历史性贡献分享了诺贝尔奖。


（待续）

科普

宇宙膨胀背后的故事（廿六）：爱因斯坦又错了吗？

1967年，桑德奇到德克萨斯大学做学术报告。在他走上讲台还未及开口之际，一位年轻女研究生突然站起来对其他听众宣布：你们将要听到的，全是错误的一派胡言。

那个时刻的桑德奇41岁，正值学术壮年。作为哈勃、胡马森、巴德那一代前辈的嫡系后代、帕洛玛天文台5.1米口径海尔望远镜的当然掌门人，他已经成为天文观测领域的不二权威。在这一突然袭击面前，他惊诧莫名。

1953年哈勃去世时，刚刚获得博士学位的桑德奇才27岁。

与喜欢英式制服、马裤的哈勃不同，桑德奇最中意的是二战期间流行的美国空军飞行员皮夹克。这种皮夹克内有电热功能，适合他在寒夜中整晚整晚地守卫在观测岗位上。他自夸天生一副“铁肾”，能连续坚持十几个小时不下来上厕所。他的学生与他通话时，经常会无聊地用两个玻璃杯来回倒水逗他。每次都惹得他在上面破口大骂。

年轻时的天文学家桑德奇。

哈勃证实宇宙是在膨胀后，天文学界逐渐形成一个共识：宇宙大爆炸——无论为什么、怎么爆炸了——之后，宇宙因为那原始的动能处于惯性的膨胀，不再有新的动力。唯一能影响膨胀速度的是星系之间的引力，它们会像牛顿早先就认识到的那样，造成宇宙的塌缩，或至少减缓其膨胀。

作为哈勃的继承人，桑德奇在1960年代发表了一篇影响很大的论文，提出天文学最大的任务就是要准确测量两个数值：确定宇宙膨胀速度的哈勃常数和减缓膨胀速度的宇宙质量密度。他为此奉献了一生，致力维护、发展哈勃遗留下的传奇。

然而，哈勃常数的测量从一开始就困难重重。因为远方星系的速度可以通过光谱红移相当准确地确定，但它们的距离却很难测准。对距离比较近的星系，哈勃利用的是勒维特发现的造父变星周光关系。但当他和胡马森看得越来越远时，即使是威尔逊山的2.5米口径胡克望远镜也无力分辨造父变星。于是哈勃只能随意地做出了一连串的近似：先是用星系中最亮的星星的亮度估算距离；在最亮的星星也无法分辨时，便用整个星系的亮度估算。

帕洛玛的海尔望远镜的口径比胡克大了一倍。但桑德奇依然无法分辨遥远星系中的造父变星，只能沿袭哈勃的方法，用星系的平均亮度估算距离。这本来是无奈之举，却也不是全无根据。哈勃等人认为，星系虽然大小有区别，但总体相差不大，而且整体上应该相当稳定，具有非常接近的内在亮度，所以可以通过地球上所观察到的视觉亮度来估算其距离。

桑德奇到德克萨斯大学要做的报告就是这方面的新进展。那不待他开口便给了他当头一棒的女研究生是廷斯利（Beatrice Tinsley）。

廷斯利出生于英国，在新西兰长大。硕士毕业后，她在1962年伴随丈夫（与鲁宾一样，“廷斯利”是她结婚后用的夫姓）来到美国，在达拉斯市做了教授家属。她对美国南方传统的种族、性别歧视很不适应，很快成为当地小有名气的一个惹事者。为了摆脱这个环境，她自己跑到300公里之外的德克萨斯大学攻读博士学位，每周两趟地往返奔波。

她研究的是星系内部的动力学。星系是一个庞杂的集合，时刻都在剧烈动荡：星星之间会发生碰撞、合并；新的恒星在诞生；旧的恒星在燃料耗尽后死亡并随之爆炸性地产生地球上可见的新星、超新星等等。这些在当时的天文学界还只是抽象的概念。廷斯利大胆地进行定量化研究，用当时还非常原始的计算机来模拟这些错综复杂的过程。

她得出的结论是星系的总体光亮会因为这些内部活动强烈地变化，也与星系本身的年龄等因素密切相关，因此不存在一个恒定、普适的内在光亮。哈勃、桑德奇用星系光亮来估算距离完全没有根据，由此而得出的哈勃常数更是不可信。


桑德奇也是兹威基眼中的球形混蛋。在他的学术历程中，只要有人对他的观点、研究有不同意见，他就毅然决然地与其断绝关系、不再往来。天文学界因此流传着一句话：“如果桑德奇还没有不理你，你就算不上是个人物。”

惊愕之余，桑德奇自然也没有把廷斯利看在眼里。后来廷斯利的毕业论文发表，星系演化随之成为天文学的一个新兴领域后，桑德奇也依然置若罔闻，视而不见。

但桑德奇无法逃避的是哈勃常数测量本身的争议。在诺贝尔委员会因为科比卫星的成就宣布天文学进入精确科学行列之前的几十年里，天文学界为了他们领域的这个最基本的数值伤透了脑筋。

哈勃自己在1930年代最早测得的数值相当的大，导致由此得出的宇宙年龄只有20亿年左右，小于已知的太阳系年龄。其后，桑德奇和其他天文学家发现了哈勃的一系列错误，逐渐将哈勃常数的数值降低了近十倍。相应地，由此推测的宇宙年龄也增长了近十倍，不再有宇宙比其中的星系更年轻的尴尬。

1930-1970年代间哈勃常数的数值（天文单位）变化。每个数据点（包括误差范围）是当时的测量结果，以论文作者名字标记。左上角是勒梅特、哈勃、胡马森的初始结果。右下角是桑德奇和其他人几十年后的新结论。

但直到1970年代后期，哈勃常数的数值依然存在重大争议，不同阵营所坚持的数值相差达到两倍以上。有意思的是，在这上面与桑德奇争执不下的主要人物之一正是廷斯利的导师德沃库勒尔（Gerard de Vaucouleur）。


虽然廷斯利的博士论文开创了一个星系动力学的崭新领域，她在1966年毕业后便进入失业状态。作为一个女性，她在天文学界——尤其是达拉斯附近——的机会寥寥无几。因为她与丈夫一直无法生育，他们先后领养了两个孩子。廷斯利对自己逐渐陷入相夫育子的主妇生活深恶痛绝，以她的叛逆个性在当地参加了一系列激进的社会活动。同时，她也没荒废事业，继续关注着学术界的进展。

她的工作引起了几个那时也刚刚毕业、正崭露头角的年轻人的注意和欣赏。他们为她争取到一些短期科研机会。1972年，廷斯利牵头与另外三个年轻人联名发表了一篇论文，继续挑战桑德奇的宇宙观。他们指出，宇宙中所有质量的总和远远不足以减缓宇宙的膨胀。因此，宇宙的膨胀并不会因为引力越来越慢，而是将继续、永远地膨胀下去。这一次，桑德奇自己在一年后也接受了这个结论。

在他们论文发表的两年后，奥斯特里克和皮布尔斯对宇宙的总质量也得出了同样的结论。但他们却更进一步地指出宇宙中的质量其实被严重低估，还存在着巨大的、隐藏的暗质量。

廷斯利丈夫所在的研究所在1969年与德克萨斯大学合并，成为后者的达拉斯分校。那里正要组建一个新的天文系。廷斯利毛遂自荐，没有被理睬。不过她这时已经名声在外，得到了远方芝加哥和耶鲁大学的青睐。1974年，她终于决定与丈夫离婚，只身出走远赴耶鲁，继续她的事业。那一年，她荣获了美国天文学会以哈佛“后宫”的坎农命名的大奖。

廷斯利在耶鲁大学的工作照。

1978年，廷斯利成为耶鲁有史以来第一位女性天文教授，同时却被诊断出患有皮肤癌。她在三年后去世，年仅40岁。她的最后一篇学术论文发表于逝世后的第十天。

作为纪念，美国天文学会从1986年起颁发两年一度的“廷斯利奖”，表彰在天文、天文物理领域中做出突出贡献的人（这个奖在1992年授予狄克）。


1970年代末，天文学家不得不又一次面对宇宙的年龄问题，因为新“发现”的暗物质彻底地颠覆了他们原有的宇宙观。

在那之前，判断宇宙的年龄很简单，就是哈勃常数的倒数。因为宇宙的膨胀是大爆炸之后速度恒定的惯性运动，宇宙的年龄便是爱丁顿想象那样把整个历史“倒带”回溯到初始的时间。宇宙中的质量之间的引力可能减缓膨胀速度。但像廷斯利等人所发现的那样，因为质量密度太小，效果微不足道。

然而，宇宙中还藏有十倍于寻常物质的暗物质，它们贡献的引力作用却不再能轻易地忽视。如果宇宙膨胀的速度因为引力的作用在逐渐变慢，那么早年的宇宙膨胀速度会比今天快得多。按照今天测量的宇宙膨胀速度来直接算宇宙的年龄不可靠，会大大地高估。如果考虑到膨胀的减速，宇宙的年龄估算起来又只有80亿年，再一次陷入比所知的星系更年轻的尴尬。

为了摆脱这个困境，一些天文学家想起了爱因斯坦的宇宙常数：Λ。


爱因斯坦自己从来没有说过当初引进那个无中生有的宇宙常数是他一辈子最大的失误。但他显然曾经十分懊悔，因为这个不必要的项破坏了他宇宙模型原有的简单性和美感。当他得知宇宙在膨胀、不是静态时，便不假思索地抛弃了这个累赘。

然而，他的同代人中有一些却很不以为然。

爱丁顿当时就认为宇宙常数可能含有更深远的意义，可能是宇宙膨胀的本因。爱因斯坦引进这一项是因为星体之间的引力会造成整个宇宙的塌缩，因此需要一个反向的对抗。爱丁顿觉得这个与引力相反的机制可以有现实的物理意义，甚至可能加速宇宙的膨胀。

年轻的勒梅特与爱因斯坦碰头的机会不多，但他们每次见面都会争论宇宙常数。两人的角色已经完全颠倒，勒梅特坚持宇宙常数项是广义相对论不可或缺的部分，让爱因斯坦不胜其烦。

爱丁顿和勒梅特都认为，既然广义相对论允许宇宙常数项的存在，就不应该无理由地人为宣布其不存在。就像后来狄克等人觉得宇宙质量密度Ω的数值等于1是一个不可思议的巧合一样，爱丁顿和勒梅特觉得Λ如果恰好等于0也会是相当地荒唐。

在那之后的近半个世纪，宇宙常数进入了一个很有意思、科学领域中少有的深度冷藏状态：它没有完全被遗忘，但也不再作为科学因素存在。宇宙学界发表的论文几乎都会在开篇时照本宣科地来上一句：“假设不存在宇宙常数项……”或者“在假设Λ为0的情况下……”

而时不时地，当宇宙中出现不好解释的观测现象时，也会有人提起那可能是Λ不等于0的表现。只是那些现象很快又都有了更好的解释，依然没能证明宇宙常数的必要。

古斯提出的暴胀理论中，最早期的宇宙曾经历过急剧的加速膨胀。那也可以被认为是宇宙常数在起作用的过程，虽然暴胀只是一个10^-36秒那“一瞬间”的过程，对后来的宇宙膨胀毫无影响。在剑桥的纳菲尔德会议的最后总结中，宇宙常数被列为悬而未决的问题之一。当时也在会上的特纳嘲讽道，“宇宙常数是无赖宇宙学家的最后避难所——从爱因斯坦开始。”（"The cosmological constant is the last refuge of scoundrel cosmologists, beginning with Einstein."）

不过，正是特纳自己在纳菲尔德会后便一头栽进了这个避难所。他与克劳斯等人合作发表了几篇论文，论证宇宙常数的必要性，认为那是解决宇宙年龄问题的最佳途径。如果宇宙常数的存在抵消了星体的引力作用，宇宙的膨胀不会减慢。按照今天的哈勃常数估算的宇宙年龄也就不会离谱。

皮布尔斯很快也加入了这个行列。

作为新一代的“无赖宇宙学家”，他们遭到了主流科学界的一致反对。在其后的近十年里，皮布尔斯到处宣讲这个观点，但每次都得到同样的批判。

直到1992年，科比卫星对宇宙微波背景辐射的精确测量才给他们的主张新的活力。科比无可置疑地确定了宇宙是平坦的，也就是宇宙的整体质量密度恰好是平坦宇宙需要的临界密度：Ω等于1。而在1990年代初，天文学家也开始确认宇宙的质量，即使加上看不见的暗物质，还远远达不到这个要求。


1993年，皮布尔斯出版了新著《物理宇宙原理》（Principles of Physical Cosmology），作为他1971年那本《物理宇宙学》的更新版。当年那只有282页的小册子这时已经暴胀为736页的大部头，见证着这个他主导开辟的新领域在20来年中的突飞猛进。

1996年夏天，特纳在普林斯顿的一次学术会议上提出了一个新的论点：宇宙的质量密度并不完全由“质量”组成，而是有相当一部分来自某种能量。根据相对论，质量与能量是等价的。

其实，早在爱因斯坦发表他那篇划时代的宇宙模型论文的一年后，奥地利物理学家薛定谔（Erwin Schrodinger）就曾指出，如果在场方程中引入一个“负压强”项，就可以不再需要引入那个宇宙常数项。爱因斯坦看到后莫名其妙：薛定谔不过是把他放在方程式中左边的Λ项挪到了右边并改了符号。那是初等代数的常识。

薛定谔当然不是不明白。爱因斯坦方程的左边是时空弯曲的程度，右边是“告诉时空如何弯曲”的质量、能量分布。如果把那个无中生有的宇宙常数项改放在右边，就出现了新的物理意义：宇宙中存在抵抗引力的能量——虽然薛定谔当时把它叫做负压强。

特纳指出，这个能量正好可以补上物体质量的不足，让Ω数值达到1。无独有偶，斯泰恩哈特与奥斯特里克也在那次会议上提出了同样的观点。

爱因斯坦在引进宇宙常数时并没有太多的考虑，在由此得到一个静止的宇宙之后没有去核查其稳定性便宣告了大功告成。他内心里始终排斥这个他不得不“无赖地”添加的附加项。因此在得知宇宙并不是静止的之后，更是不假思索地舍弃了这个常数，没有再多花一分钟去思索其背后的含义。

将近一个世纪之后，1990年代的天文学家却开始重新领悟到宇宙常数可能具备的重要性。

也许，爱因斯坦最大的失误并不在于引入宇宙常数项，而是他后来轻易地丢弃了这个广义相对论中也许不可或缺的组成部分。

只是这几个天文学家都还只是纸上谈兵的理论家。对宇宙常数的真实存在，对宇宙膨胀的速度是否恒定，还需要实际的观测数据。也正是在普林斯顿的那次会议上，伯克利的一位年轻物理学家珀尔马特（Saul Perlmutter）公布了最新的超新星测量结果，显示宇宙的膨胀的确是在引力的减速作用下放慢。

这个结果不啻于给那些兴致勃勃的理论家们当头一盆冷水。


（待续）

科普

宇宙膨胀背后的故事（廿二）：涡旋星云中的秘密

1923年，沙普利在收到哈勃那封星云红移的来信，长叹一声“就这么一封信毁了我的宇宙”时，站在他身边的是研究生佩恩（Cecilia Payne）。佩恩是英国人，在剑桥大学毕业后，因为身为女性在英国没有深造的机会，飘洋过海到哈佛投奔沙普利。

沙普利接手皮克林的哈佛天文台时对那里“后宫”中效率极高又廉价的“计算机”兴奋不已。但他同时也于心不忍，希望能帮助默默无闻的女性创造更多的机会。因此，他创立研究生院时，开始招的都是女生，开了一个时代的先河。佩恩便是最早的两位女研究生之一。

佩恩首先意识到后宫前辈弗莱明、坎农等总结的“哦，做个好女孩，亲亲我”光谱分类背后的原理是恒星表面温度的差异，并由此发现恒星的组成与地球大为不同，主要成分是氢和氦。她这个不寻常的结论曾遭到包括罗素在内的天文界泰斗的否定，但最终被接受。佩恩不仅是哈佛天文台的第一个女博士，后来更成为哈佛大学的第一位女正教授、第一位女系主任。作为偶像，她激励了很多年轻女性成为天文学家，包括费曼的妹妹（Joan Feynman）。

20多年后，哈佛天文台依然是非常少有的接受女研究生的学院。所以，在1948年，当一位女生回信说因为刚刚结婚、不得不谢绝他们的录取时，负责招生、后来成为沙普利继任人的门泽尔（Donald Menzel）大为诧异，在她的来信上生气地批复：你们这些该死的女人。每次我好不容易发现一个出色的，却都跑去嫁人了。

那位女生名叫鲁宾（Vera Rubin，“鲁宾”便是她结婚后改用的夫姓）。

还是一个10岁的小女孩时，鲁宾最喜欢坐在房间的窗台上看外面的星空。她自己发现了“斗转星移”现象，好奇地觉得是整个宇宙在旋转。整晚整晚地，她坐在窗口跟踪记录星星的位置，还描绘出偶尔出现的流星的轨迹。后来，她懂得那不是宇宙的转动，而是地球的自转。

中学毕业时，无论是学校的指导老师还是大学来的招生顾问都一致劝说她不要执着于天文、科学，因为女孩子在那行业中不会有前途。一个顾问还好心地建议她选取她也非常喜欢的绘画，将来可以为天文事件、场景绘制艺术想象图，一举两得。鲁宾倔犟地拒绝，自己选中了一所女子大学，因为她记得读过的书中有一个作者是著名女天文学家，曾在那学院教书。只是斯人已逝时过境迁：那年新生中只有她一个人学天文。

1948年，大学期间的鲁宾。

在申请哈佛研究生之前，大学毕业的鲁宾已经在普林斯顿碰了个硬钉子：那里绝对不接受女研究生。她知道哈佛的名额来之不易，却也还是不假思索地回绝了。因为她的新婚丈夫是康奈尔大学的博士生（两人相识时，鲁宾问的第一个问题是“你真的是费曼的学生？”），按传统她只能放弃自己的机会。

好在康奈尔也接收了她成为硕士研究生。她得以听贝特、费曼等教授的课，跟随一个女天文学家做科研。一天，她丈夫给她看了伽莫夫在《自然》杂志上发表的一篇文章，设问宇宙作为一个整体是否在旋转。像他很多论文一样，这篇文章的命题属于大胆假设，在启发性之外并没有什么论据。

伽莫夫的论文勾起了鲁宾童年的憧憬。我们的地球在自转，因此有了她曾着迷的斗转星移；地球在绕太阳公转，整个太阳系在同样地旋转着；太阳系自身也在随着银河星系在旋转中。随时随地，宇宙内部充满了各种各样的旋转。那么，整个宇宙为什么不能也正像陀螺一样在旋转？

她随即选取了这个课题，并自己琢磨出一个研究途径：她收集了当时已知的100多个星系的距离、速度数据，先把它们随宇宙膨胀而远离的速度部分减除，然后将余下的、也就是膨胀以外星系之间的相对速度根据坐标描画出来，果然发现这些星系呈现出整体性的转动。

那是1950年，鲁宾年仅22岁。系主任建议在美国天文学会的年会上公布这个结果，但看到她怀着第一个孩子正临产，提出她自己去不合适，可以由他代劳，但条件是要以他自己的名义发表。鲁宾不假思索地一口回绝。

会议召开时，鲁宾的孩子已经出生了一个月。她父母专程在冰天雪地开车来接他们去开会。鲁宾处之泰然地一边哺乳、一边准备，顺利地在会上做了为时10分钟的演讲。但让她措手不及的是那一屋子专家强烈的反应。他们一致认为她这做法没有意义。星系距离的测量有相当大的误差，不足以像她这样做细致的推敲：她所谓的结果不过只是数据中的噪音。一片混乱中，好心的主持人不得不宣布暂时休会，让鲁宾逃离了现场。

她的报告引起了在场的《华盛顿邮报》记者的注意，发了一篇题为《年轻妈妈由星星的运动推论创世之中心》（Young Mother Figures Center of Creation by Star Motions）的报道。在猎奇般地强调她“年轻妈妈”身份的同时，记者还写错了她的姓名。


虽然她的成果遭到专家们的一致反对，鲁宾还是顺利地获取了硕士学位。她丈夫博士毕业后在首都华盛顿找了一个工作。鲁宾这时发现作为女性还真是很难在这一行找到机会，只好在家相夫育子，做起了那个年代典型的家庭妇女。她依然订阅着天文学刊，每期杂志来到时她都会边翻阅边暗自流泪。

直到有一天，她在家里意外地接到一个电话。听筒里传来的竟是伽莫夫的大嗓门。

鲁宾的丈夫上班后发现他与伽莫夫最出名的学生阿尔弗在同一个实验室，于是乘闲聊之机提到了他妻子的硕士论文。伽莫夫正好也应邀去那里演讲，便赶紧找到鲁宾要她的数据。当然，伽莫夫做演讲时，鲁宾无法出席旁听。因为实验室谢绝家属。

在1950年代遐想宇宙在旋转的还不只是伽莫夫。那时已经老年的爱因斯坦还经常去普林斯顿高等研究院“上班”。他说他不为别的，只是喜欢有机会与比他年轻很多的数学家、“不完备定理”（incompleteness theorems）发现者哥德尔（Kurt Godel）一起散步回家。

爱因斯坦70大寿时，哥德尔给他献上了一份别致的礼物：他在广义相对论中找到一个旋转着的宇宙的解。

早年的爱因斯坦笃信广义相对论中的宇宙模型应该是唯一的，曾经对德西特、弗里德曼、勒梅特等人接二连三找出不同的解火冒三丈。这时的爱因斯坦早已超脱泰然，笑纳了哥德尔这个出乎意料的寿礼。

然而，无论是伽莫夫还是哥德尔，他们只是好奇甚至促狭，并不是很认真。但伽莫夫对初出茅庐就被他引入歧途的鲁宾十分欣赏，鼓励她继续攻读博士学位。他所在的乔治华盛顿大学不招收女研究生——整个华府地区那时只有乔治城大学允许女研究生。于是伽莫夫做了安排，让鲁宾在乔治城大学挂名注册、上课。他们俩然后像单线联系的地下工作者一般频繁在某个图书馆中碰头、讨论。

伽莫夫是那种大而化之、不拘细节的天才。鲁宾后来回忆他对她的指导基本上就是刚开始时他问的一个问题：“宇宙中星系的分布会不会有一个长度标度？”（Is there a scaling length in the distribution of galaxies?）

差不多同时，一位天文学家在澳大利亚一直在钻研鲁宾的硕士论文并在不同的星系数据中发现了同样的旋转倾向，证实鲁宾的结果不是随机的噪音。他指出鲁宾只是做出了不正确的结论：她发现的不是宇宙整体的旋转，而是那些星系所组成的大星系团在旋转。

宇宙中星系的分布不是均匀或随机的，而是会组成不同大小的星系团。那正是伽莫夫凭空想象的“标度”。鲁宾再度发挥她数据分析的能力，针对哈佛天文台多年积累的恒星数据进行统计分析，揭示宇宙中星系的分布中有明显的大尺度涨落。她只用了两年时间便获得了博士学位。

这一次，她的结论没有招致反对，得到的反应却更令人失望：天文学界没有人注意到她的工作。倒是《华盛顿邮报》又发了一篇八卦式的报道：《25岁的两个孩子的妈妈获得天文博士学位》（Mother of 2 at 25 to Receive her Doctorate in Astronomy）。

宇宙的大尺度结构还要等几年之后由皮布尔斯再度提起。


还在她从自己房间窗户看星星的少年时代，鲁宾就曾经邮购了一副透镜、找了一个旧卷筒在工程师父亲帮助下制作了一个简陋的天文望远镜。她想给星星照相，却失望地发现用这望远镜没法跟踪星星位置的移动，不可能长时间曝光。

1965年的鲁宾已经是4个孩子的母亲，博士毕业后留在乔治城大学从事了10年的教学和科研。她却不再满足平淡的校园生活，想成为一个真正用望远镜观测星空的天文学家，圆她小时候的梦。于是她离开大学，在一家研究机构中争取到职位，成为那里的第一位女性科研人员。最令她兴奋的是她新的办公室室友，一个名叫福特（Kent Ford）的仪器工程师。

福特那时正好制成了一个新式的光谱测量仪。那是一个小巧的管子，通过光电效应将收集的稀疏光子放大为电子束，然后再拍摄电子的成像，甚至可以直接将数据引入计算机处理。管子可以连接在天文望远镜上进行光谱测量，所需要的曝光时间减少到原来的十分之一。

鲁宾当即决定与福特合作，利用她的天文知识协助福特扩大他这根管子的用途。他们先对当时最时髦的类星体做了测量，为皮布尔斯的大尺度结构研究提供了可用的数据。但鲁宾更为感兴趣的还是旋转。这时她要探究的，不是宇宙整体的旋转，也不是大尺度上星系群的旋转，而是邻近的、个体星系的旋转。


自从罗斯伯爵在19世纪描绘出他的利维坦望远镜中星云那骇人的涡旋形状时，天文学家一致确信那样的星云肯定是在旋转中。

在1920年那场“世纪天文大辩论”中，主张星云存在于银河系之内的沙普利曾放出一个杀手锏：他在威尔逊山天文台的同事玛纳恩（Adriaan van Maanen）在不同时间的星云照片比较中发现了转动的迹象。如果我们在地球上能够观察到星云的转动，它们离开我们就不可能太远，否则其转动速度会超过光速。柯蒂斯无法反驳，只能祈求更多的数据。

哈勃通过造父变星的距离测量证实星云远在银河之外后，对冯纳恩的这个反例也一直耿耿于怀。两人为此在威尔逊山上明争暗斗了好多年。尽管哈勃的专横跋扈与冯纳恩的温良恭俭让令同事们的同情多在后者，科学还是向着了哈勃：冯纳恩的结果不可重复，只是他自己的错觉。

星云——星系——的确是在转动中。它们的遥远让我们不可能在有生之年内直接看到它们位置的变化，我们却可以通过光谱观察它们的相对运动速度。（拍摄太阳光谱时，可以发现太阳一侧的光有轻度红移，另一侧轻度蓝移。这说明太阳的一侧在离我们远去另一侧在冲我们而来。这便是太阳的自转。太阳的自转也可以另外通过其表面黑点的移动观测。）

早在沙普利与科蒂斯辩论时，星云光谱测量的先驱斯里弗已经发现从不同角度拍摄的星云谱线存在不同的倾角，可以证明星云在转动。他当时拥有的设备只能勉强捕捉到整个星云的光谱，无法精确到星云的内部。

到鲁宾准备再仔细观察星系旋转的1960年代后期时，天文学家已经大致清楚星系的结构：它们看起来像是一个铁饼式的圆盘。中心处星光最密集，存在大量的恒星。从中心往外，星星们大致分布在一个平面上，密度越来越稀疏。到星系的外缘，星星逐渐消失。有些星系的边缘在各个方向不一致，会带着一些罗斯伯爵已经描绘出的“尾巴”。

当大多数天文学家把视线集中在星系明亮的中心时，鲁宾对星系的外缘、尾巴更感兴趣。那里几乎已经不再是星系的地盘，只有极少数孤独离群的恒星在徜徉。它们如何能跟上星系的步伐？它们周围是否也依然存在星系内部特有的气体、尘埃？她在乔治城大学教书期间曾经带着研究生探讨，但因为那里星星稀疏、光强极弱，很难获得可靠的数据。

鲁宾觉得这正是福特那根高灵敏度、高效率管子的用武之地。

1963年，鲁宾还在乔治城大学教书时，曾有机会参观帕洛玛天文台。她发现帕洛玛、威尔逊山等都没有一个女天文学家。询问时她被告知，山上只有一个厕所，没法合用。鲁宾便找来一张纸板，剪成一个穿裙子的女孩形状贴在厕所门上，宣布：问题解决了。

几年后，鲁宾成为帕洛玛天文台第一位操作望远镜的女性。

不过更多的时候，鲁宾和福特是在亚利桑那州的洛威尔天文台工作。在那里拍了一辈子星云光谱的斯里弗已经退休，天文台也有了威力更大的望远镜。他们将望远镜对准距离我们最近的仙女星系，一个点一个点地拍摄光谱、测算速度。借助于福特的管子，他们拍到了还从没有人拍出过的，星系最外缘、已经看不出星光的黑暗区域的光谱，发现即使在那里，也具备着与星系内部差不多的旋转速度。

1965年，鲁宾（左）与福特在洛威尔天文台观测。

如果一个铁饼在旋转，它上面每个点都有相同的转动角速度。所以，转动的线速度与所在的半径成正比。铁饼外缘会跑得很快，才能在相同时间跑完远得多的周长。

太阳系也是一个旋转的系统，但其速度分布与固体的铁饼相反。开普勒在研究行星运动规律时对他最后发现的那个第三定律最为得意：行星绕太阳公转的周期的平方与行星和与太阳距离的立方成正比。这个关系很拗口。如果不拘细节的话，它说的是距离太阳越远的行星绕太阳转一圈需要花的时间越长，或者说速度越慢。

牛顿的经典力学指出，这是由引力与距离平方成反比的规律所决定的，适用于任何同样的引力系统。当人们观察到土星周围存在有“环”时，物理学家立刻就推测土星环不可能是一个整体，因为内圈与外圈的不同速度会把环撕碎。年轻时的麦克斯韦还曾经以这个题目写出论文，赢得一个科学竞赛奖。

星系与太阳系又有所不同，质量并不像太阳那样集中在中心的一个点上，而是分布在大量的恒星中。但在星系的最外缘不再有恒星的地方，星系所有质量都在其半径之内，那里的旋转速度——如果依然有东西还在旋转的话——也同样会依照开普勒定律随距离减小。

鲁宾和福特的实际测量结果却与这个预期大相径庭：星系旋转的速度即使在外缘之外依然保持着恒定的数值。用牛顿的理论可以简单地推导，这意味着仙女星系的质量分布即使在星系“之外”也在与距离成正比地增长。而在那个区域，我们基本上看不到任何星星的存在。

当他们回到首都华盛顿时，鲁宾的一个老朋友听到风声赶来见面。他带来了一组他们用射电望远镜测得的结果，不仅在仙女星系的外缘与鲁宾的数据吻合，而且延伸了更远，在距离星系中心两倍远的地方仍然测到了同样的旋转速度。他们面面相觑，无法理解这是怎么一回事。

仙女星系与她的旋转速度。横坐标是与星系中心的距离（半径），纵坐标是当地的速度。圆形数据点来自鲁宾和福特的光学频谱测量；三角形数据点来自另外的射电信号测量。

或者我们熟悉的牛顿引力理论、动力学存在重大缺陷（在这个问题上广义相对论的修正并不重要），或者在这个星系的“黑暗”部分，存在着我们还没能觉察到的物质，它们的质量在维持着星系外缘的旋转速度。

1968年12月，鲁宾在美国天文学会会议上公布了他们初步的数据。这一次，会场上没有人站出来反驳，却也没有人响应，因为他们展示的速度曲线实在令人难以置信。

70多岁的著名天文学家闵可夫斯基（Rudolph Minkowski，他是爱因斯坦的老师、曾帮助后者创立相对论的数学家 Hermann Minkowski 的侄子）走上来，问鲁宾什么时候发表这个结果。鲁宾兴奋地答道，他们现在实在太忙。他们刚刚才测量了仙女星系的一个区域，还有很多其它的区域需要测量。还有那么多其它的星系……

闵可夫斯基却一点没有被鲁宾的热情感染。他固执地盯着她的眼睛强调：我认为你必须立即发表论文。


（待续）

科普

宇宙膨胀背后的故事（十四）：宇宙的年龄

二战之后的英国广播公司恢复了其传统、非常受欢迎的科学家、学者向大众解释学术问题的节目。剑桥大学的物理学家霍伊尔（Fred Hoyle）是常客，经常讲解一些天文课题。

1950年代，霍伊尔在英国广播公司录制科普节目。

在1949年的一次讲座中，霍伊尔提到战前勒梅特、伽莫夫的宇宙起源假说，很鄙夷地描述道：他们觉得宇宙的一切都是在过去某个特定时刻的一次“大爆炸”（Big Bang）中突然出现的。

他认为这很莫名其妙、简直岂有此理，与科学沾不上边。只是他所用的这个字眼非常形象且又通俗上口，很快就取代勒梅特的“宇宙蛋”、“原始原子”以及阿尔弗的“伊伦”，成为宇宙起源理论的代号：宇宙大爆炸。（“大爆炸”这个字眼在英国俚语中还带有色情含义。但霍伊尔坚持他当时没有邪意，只是在用大众化的语言解释科学理论。）

霍伊尔在节目中推销的是他自己的理论。二战期间，他与戈尔德（Thomas Gold）和邦迪（Hermann Bondi）一起在英国军队服务，研究雷达技术。战争结束后，三人又联袂加盟剑桥大学，重新研究天体物理。工作之余，他们还经常一起出去看电影。1945年的一个晚上，他们观看了恐怖名片《死亡之夜》（Dead of Night）。那电影的情节在结尾时回到了开头，因此呈现出循环反复、无穷无尽的结构。霍伊尔异想天开地觉得宇宙也可以类似地既在膨胀又没有起始、结局。他们把这个模式叫做“稳定态模型”（steady-state model）。

提出“稳定态宇宙”理论的剑桥天文物理学家（前排从左至右）：戈尔德、邦迪、霍伊尔。

这个模型中的“稳定”并不是爱因斯坦当初的“静态”。他们的宇宙也还是在膨胀，但他们设想在星系因为空间膨胀而拉开距离的同时，中间会持续地冒出新的星球、星系来填补空档。这样从时间上看，宇宙依然是稳定“不变”的。就像一座城市在向外扩张，陆续在郊区修建新的住宅。城里的人逐渐往郊区迁移，他们腾出的空房子却也被新的外来户填充。这样，我们可以看到人口在不断向外移动（“膨胀”）。但如果看房子的居住情况（空间），却没有变化（稳定态）。

他们这个模型中的“外来户”是凭空冒出来的，没法解释——物理学中还找不出这么个机制。不过他们的对手——大爆炸理论——也是基于一个无中生有的蛋或伊伦。在稳定模型中，宇宙是永恒的，时间没有突然的起点，更容易为人接受。在1950、1960年代中，稳定态宇宙与大爆炸宇宙分庭抗礼，在物理学界各有拥趸，一直不相上下，甚至还几度占了上风。


21世纪初风靡全球的美国电视连续剧《生活大爆炸》（Big Bang Theory）每集的开场主题曲气宇轩昂地唱道：“我们的整个宇宙以前是一个又热又稠密的状态，然后在140亿年前开始膨胀……一切都起始于那一次大爆炸！”（“Our whole universe was in a hot, dense state. Then nearly fourteen billion years ago expansion started... That all started with the big bang!”）

剧名和歌词中的“大爆炸”来自霍伊尔的不屑；“又热又稠密”的初始状态来自伽莫夫的创见；而那个“140亿年前”的时间定位在历史上却不那么直截了当。自从爱丁顿“不寒而栗”地意识到大爆炸的宇宙会有一个时间起点后，宇宙的年龄便是一大争议所在，也是霍伊尔贬低这个理论时能抓住的一个软肋。

从爱因斯坦开始的宇宙模型是简化得不能再简化的“球形奶牛”，只有一个参数：宇宙中所有物质的平均密度。他最初的宇宙在时间上是静态的，自然没有年龄的概念。但在空间上“有限无边”，也就是宇宙有个大小，可以由密度决定。

那还是1917年。他用当时的数据做了个简单的估算，发现模型给出的宇宙半径约一千万光年。而那时已知的宇宙——也就是银河——不过一万光年左右。爱因斯坦在私信中多次提起过这个困境，却没有在论文中披露这个不利于他的证据。在那篇划时代的论文里，他只是在最后泛泛地交代了一句他的模型可能并不与当时的天文知识吻合。

区区十几年后。哈勃大大地扩展了宇宙的浩瀚。爱因斯坦在正式放弃宇宙常数、静止模型后，在1931年4月又发表了一篇论文，采用弗里德曼的宇宙模型再度估算宇宙的大小，还有随新模型而出现的宇宙年龄。

勒梅特、哈勃发现的宇宙膨胀规律是我们在地球上观察的星体径向速度与它们的距离成正比，比例系数便是所谓的“哈勃常数”。这个常数一般用天文单位表达，显得挺复杂。但其实，速度除以距离，结果是一个时间的倒数。在不再有宇宙常数的广义相对论场方程里，如果假设从“大爆炸”开始宇宙一直在以同样的速度膨胀，那么哈勃常数的倒数正好就是膨胀所经历的时间跨度——宇宙的年龄。

这样一来，由抽象的数学定义的宇宙模型便可以与实际的观测直接联系上了。或者反过来，通过实测的哈勃常数，也可以倒推出宇宙的年龄、密度、大小等等。爱因斯坦因此得出宇宙的年龄约100亿（10¹⁰）年。

爱因斯坦1931年在牛津大学讲解宇宙模型时手写的黑板。最后三行分别是宇宙密度、半径、年龄。因为他演算有误，这些数值即使在当时也并不正确。

不幸的是，他在单位换算过程中出了错。根据勒梅特、哈勃当时所给出的哈勃常数，宇宙的年龄应该只是20亿年左右。

20世纪初发现的原子核衰变在各方面有广泛的实际应用，其中之一是在地质考古上鉴定古物年龄。因此，即使在1920年代，人们已经知道地球的年龄可能高达15至30亿年。对于大爆炸理论的支持者来说，这是相当的尴尬：我们的太阳系居然会比宇宙出现得更早！

勒梅特最初发现宇宙膨胀速度与距离的正比关系是理论推导的结果，然后才在实际的星云数据中寻找证据。两年后，不知情的哈勃正相反，他纯粹是从观测数据中找出的这个规律。其实，他在1929年发表的那个图中的数据点相当发散，只能勉强地看出其中有线性关联。（温伯格后来评论说，哈勃是发现了一个他预先知道他要找的答案。当然，哈勃之所以有足够的自信，是因为胡马森已经测到了更远的星云数据也支持这个线性关联。）

那些数据点没有很好地集中在直线上，是因为它们有着相当大的误差。用光谱中的多普勒效应测量速度非常精确，误差极小。而距离的测量却十分勉强：无论是视差法、勒维特的造父变星“周光关系”、还是哈勃后来所用的各种光强估算，都会有相当大的、而且随距离越远越大的误差。这造成所测得的哈勃常数不可靠。


为了提高天文观测的精度，威尔逊山天文台台长海尔一直在为胡克望远镜之后的下一代大型天文望远镜游走、筹款、设计。胡克的口径是2.5米，他所钟情的下一个望远镜要大出整整一倍，口径达5.1米。经过二十年的努力，当那望远镜终于在二战之后由加州理工学院领衔制成，安装在新成立的、距离威尔逊山不是很远的帕洛玛天文台（Palomar Observatory）时，海尔已经去世十年了。为了纪念他，这座新的庞然大物被命名为“海尔望远镜”。

二战开始时，已经年过半百的哈勃少校当即告别威尔逊山，再次投身军旅。他在东部的陆军弹道实验室指导，改进了炸弹、炮弹的使用效率。为此，他获得一枚军功章（Legion of Merit）。

威尔逊山上其他天文学家也都下了山，以各种方式精忠报国。山上只有寥寥几个人留守，其中之一是德国天文学家巴德（Walter Baade）。巴德曾经因个人原因签字效忠纳粹政府，因此在美国被当作敌侨看待，只是在他的好朋友胡马森等人的担保下才没有进集中营，被容许自我软禁于天文台内。阴错阳差，巴德因此获得好几年独霸望远镜的良机。更得天独厚的是，因为害怕日本人空袭，山下的洛杉矶市实行灯火管制，往常的灯火辉煌变成漆黑一片，正是天文观测的最好时机。巴德因此用胡克望远镜拍出了哈勃、胡马森从没能得到过的更清晰照片，第一次在仙女星云中分辨出单个的星星，并从中发现星星中还存在不同的分类。

二战结束后，哈勃回到威尔逊山。他似乎换了一个人，不再像过去那样专横跋扈、目空一切。已知天命的他试图更人性化地与同事们修复关系，却已经太迟了。凭着他的声望，哈勃以为自己会是帕洛玛天文台第一任台长的当然人选，却因为有太多人反对而落空。他甚至在海尔望远镜的使用安排上也失去了发言权，只是在该望远镜终于投入使用时获得用她看第一眼的象征性荣誉。

无论是在威尔逊山还是帕洛玛，哈勃的地位逐渐被胡马森和巴德取代。巴德用海尔望远镜发现其实造父变星也与恒星一样有两个不同的类别。当初勒维特发现“周光关系”的那些造父变星与后来沙普利、哈勃用来丈量星团、星云距离的其实不是同一类。因此，这个“宇宙距离阶梯”不能直接衔接，需要修补。

1952年，巴德在国际天文学会年会上宣读了修正后的结果：哈勃常数的数值应该是哈勃20多年前估算的一半。相应地，宇宙的年龄增加了一倍，约36亿年。在座的天文学家大为惊异。霍伊尔正好在场负责官方记录，大概内心颇为失落。而倾向于大爆炸理论的人不由大大地松了一口气。

随后，巴德的研究生桑德奇（Allan Sandage）也发现哈勃在用星云中“最亮的星”估计距离时所看到的其实不是星，而是星云中发光的“电离氢气体”（H II region），其亮度与星体不同。因此哈勃的估算的距离更不可靠，他的修正又把宇宙的年龄增加到55亿年。（哈勃常数的数值一直是天文学界争议之处，迟至1996年还专门举行过“大辩论”。今天比较一致的看法是宇宙年龄在140亿年左右。）

尽管哈勃常数的数值屡屡被大幅度修正，哈勃定律本身——星星的径向速度与距离成正比——却一直经受住了考验。它所揭示的宇宙膨胀规律也不断地在现代天文观测中被进一步证实。

桑德奇在1953年获得博士学位。哈勃在同一年因脑血栓去世，终年63岁。他生前的遗愿是要静悄悄地离去。在他1949年严重心脏病发作后就一直悉心照料他的夫人格蕾丝独自操办了后事，没有葬礼没有墓碑。她在1981年去世之后，世界上再没有人知道哈勃的长眠之地。

桑德奇毕业后一直在帕洛玛天文台工作，成为新一代的天文大师。他和胡马森曾试图用海尔望远镜观测更远的星系的红移光谱，延续哈勃的香火。但他们没能成功，洛杉矶夜益灿烂的灯火永久性地湮没了望远镜中微弱的星光。


伽莫夫当初提交那份具里程碑意义的 αβγ 论文时，还曾老实地在贝特的名下标注他为“缺席作者”（in absentia）。这个怪异的做法引起杂志编辑的好奇，专门去询问贝特。贝特才知道好朋友在盗用他的大名。他也是一个天性好事者，当即满口同意在这篇与他无关的论文上挂名。他调皮地说：没准儿这论文里说的会是对的。

贝特的运气没有那么好。阿尔弗很快意识到“伊伦”不可能是只有中子那么简单，应该包括电子、质子、正电子等，更多的还会有光子、中微子等没有质量的“纯”能量。随着这些计算变得越来越复杂，只喜欢鼓捣新主意的伽莫夫不再有兴趣纠缠细节。他正好有学术假，便暂时离开了乔治华盛顿大学，出外讲学、科研。

阿尔弗也已经博士毕业了。在没有伽莫夫的日子里，他身边也另有一个伙伴：赫尔曼（Robert Herman）是普林斯顿大学的物理博士，曾经师从罗伯森研修广义相对论。他们俩都是犹太裔，属于在美国出生的欧洲移民第二代。两人都有正式工作，白天需要兢兢业业地上班，只有在业余时间才一起继续钻研宇宙起源，完善他们的“伊伦”模型。

阿尔弗和赫尔曼合著的《大爆炸起源》一书封面设计。图中赫尔曼（左）和阿尔弗（右）看着伽莫夫（中）如同精灵般从一个标志着“伊伦”的酒瓶中冉冉升起。

伽莫夫对赫尔曼尤其亲睐，因为赫尔曼自小学得流利的俄语，是伽莫夫背诵普希金（Alexander Pushkin）长诗的忠实听众。但让伽莫夫失望的是赫尔曼却不愿意将自己的姓改为德尔特（Delter），好延续出希腊字母表的下一个字母“德尔塔”（δ）。

在元素的来源解决之后，伽莫夫琢磨的是星系的来源。也还是在1948年，他在《自然》发表了一篇论文，论述大爆炸几十万年之后，宇宙终于冷却到氢、氦原子可以稳定、持久地存在，而不被高能的光子持续电离。它们之间的引力作用会产生质量分布的涨落，相对密集的地方便会逐渐形成最早期的星系。利用一些最简单的假设和几个物理常数，他便推算出了那些最早期星系质量与大小的关系。

阿尔弗和赫尔曼看到这篇论文后，立即发现老师的数学演算有问题。伽莫夫从善如流，建议他们自己写一篇文章为他纠错。他们俩在两星期内就给《自然》交了稿，不仅纠正了伽莫夫的错，还推广了他的想法，做出一整套计算宇宙从初始至今状态的方法。他们意识到，因为大爆炸之后宇宙一直在“绝热膨胀”，通过宇宙模型和哈勃常数，不仅能推算宇宙的密度、大小、年龄，还能得出宇宙的温度。

他们在论文中简单明了地指出：“推算出的今天的宇宙的温度大约是5度”（绝对温度，即摄氏零下268度）。


（待续）

宇宙膨胀背后的故事（十一）：爱因斯坦错在哪里？

1930年1月10日，英国王家天文学会的例会讨论了哈勃的新发现。正在伦敦访问的德西特应邀介绍了最新进展，他坦白地承认自己的宇宙模型中虽然存在红移，却无法解释这个与距离成正比的规律。爱丁顿觉得当时理论界的情形颇为滑稽：“爱因斯坦的宇宙中有物质没运动，德西特的却有运动而没物质。”（“Einstein's universe contains matter but no motion and de Sitter's contains motion but no matter.”）

那时候勒梅特已经证明了德西特的模型并不真的是一个静止的宇宙。因为坐标系的问题，在那个宇宙中任何地点放一个有质量的物体，该物体都会加速向边缘飞去。那便是模型中红移的来源，并非物理实际。因此，爱丁顿以双关语讥讽德西特道：你那模型“没有物质，所以无关紧要”（“as there isn't any matter in it that does not matter.”）

难道就不能有一个既有质量又有运动（红移）的宇宙模型吗？爱丁顿近乎绝望地问道。

那次会议的记录照例发表在学会的通讯上，几个月后传到比利时的勒梅特手中。勒梅特看到后哭笑不得，当即写信给爱丁顿，提醒前导师他在三年前就已经寄送过一篇论文。那篇论文提出的宇宙模型正是既有物质又有运动，并完美地推导出星云的速度距离关系——比哈勃的发现还早了两年！

爱丁顿收到信大为震惊，立刻翻阅故纸堆，找出了那篇论文。不知道当初是没注意还是没看懂，他对那论文毫无印象。出于歉疚，爱丁顿此后花大功夫补救他的疏忽，宣传他昔日弟子的成就。

出于爱丁顿的安排，勒梅特1927年那篇法语论文的英文版于1931年3月在王家天文学会月刊上重新发表。这个三年后的版本虽然大致保持了原貌，也有一些改动。勒梅特补充引用了他原来不知道的弗里德曼论文，老老实实地指出他的理论是弗里德曼的进一步推广。但更突出的是，他省略了关于观测数据中星云的速度与距离成正比关系的整个一节。实诚的勒梅特觉得哈勃这时已经发表了更新、更可靠的数据，没有必要再重炒旧饭。

众多的天文学家只是通过这个英文版才接触到勒梅特的理论。他们不知道有这个删节，因此依旧理所当然地认为哈勃是发现该关系——“哈勃定律”——的第一人。（后期历史学家曾猜测哈勃在翻译过程中插过手以维护他的优先权。这说法并不成立。迟至2018年10月底，国际天文学会全体会员投票，建议将“哈勃定律”正式改名为“哈勃-勒梅特定律”。）

但勒梅特迟到的论文还是有它深刻的影响。作为观测天文学家，哈勃只是从数据中总结了红移的规律。他没有也无力做出进一步的解释。勒梅特正相反，他的规律是从广义相对论中直接推导出来的（然后才找到实际观测数据证实），对数据有一个革命性的诠释：我们看到星云巨大的红移，不是来自星云本身的速度，而是宇宙空间的膨胀。星云只是被动地由所处的空间带着走，就像流动着水面上的浮漂，或者膨胀气球表面上画着的斑点。

即使是熟谙相对论的物理学家一时也无法接受如此怪异的观念。在洛杉矶，到哈勃的家里来的不再只是好莱坞的明星。每两星期，一群从威尔逊山和附近加州理工学院来的天文学家、物理学家甚至数学家也会定期聚集，围着一块小黑板抽烟、争论，嘟囔着很多格蕾丝不懂的名词术语。作为主妇，她默默地为他们准备好酒品、饮料和三明治。

这些人中有的认为星云是在不变的空间中做随机运动，只是碰巧速度大的星云现在已经跑得离我们很远，才让我们有越远的星云速度越快的错觉；有人则觉得远方的星光来到我们地球的一路上大概经历了更多的散射干扰、逐渐失去能量才表现出红移……

哈勃静静地听着。他无法加入这类理论性的探讨，只是集中注意力试图听到某种可以通过观测数据来确证某个理论是否正确的可能性——那才会是他的用武之地。在内心里，他也无法理解勒梅特的空间膨胀理论。终其一生，他一直倾向于相信他看到的是星云本身——而不是空间——的运动。


1930年11月，爱因斯坦与他的第二任妻子、表姐加堂姐（再从姐）艾尔莎（Elsa Einstein）及秘书、助手一行四人乘坐一艘由一战时的战舰改装的豪华邮轮渡过大西洋来到美国。这是他第二次访问美国。但这次他们只在纽约稍事停留，便继续乘船南下，循通航仅十来年的巴拿马运河进入太平洋，然后又顺海岸北上，于那年12月31日到达圣地亚哥。在长达四小时的盛大欢迎仪式后，爱因斯坦第一次踏足美国西海岸。

他是应加州理工学院的邀请来这里进行为期两个月的学术访问。除了阳光、海滩，这里有他慕名的物理学家迈克尔逊和密里根。自然，他也对邻近威尔逊山上正在颠覆他的宇宙论的哈勃满怀好奇。

1931年，爱因斯坦（右三）参观威尔逊山天文台图书馆。左一、左二分别为胡马森和哈勃；左四是迈克尔逊。

爱因斯坦当时也才51岁，有了为人熟悉的那一头飘逸的乱发，只是还没有完全变白。但他已经是世界上首屈一指的物理学家、科学家，大众媒体追逐的明星。他观看了当地的新年玫瑰游行，欣赏了在德国被禁的反战电影《西线无战事》（All Quiet on the Western Front），还出席了卓别林《城市之光》（City Lights）的首映式。当他们穿着正式的燕尾礼服，在观众掌声中一起步入影院时，卓别林感慨道，“他们欢呼我是因为他们明白我；他们欢呼你，却是因为没有人能懂你。”

哈勃的夫人格蕾丝义不容辞地担任起接待爱因斯坦的职责。一次她开车带爱因斯坦出门时，爱因斯坦专门对她夸道，“你丈夫的工作非常漂亮，他很能干。”

1931年1月29日，爱因斯坦与哈勃一起乘车登上威尔逊山。好莱坞的新生代导演卡普拉（Frank Capra）亲自掌镜，为他们全程拍摄纪录片。在山上，爱因斯坦像孩子一般对各个庞大的望远镜爱不释手、流连忘返。他们最后才来到胡克望远镜跟前。当工作人员无比自豪地介绍这个大家伙如何能发现宇宙的大小和状态时，倒是艾尔莎淡定地评论：我丈夫只需要一张旧信封的背面就够了。

1931年，爱因斯坦（左）在威尔逊天文台观赏胡克望远镜。哈勃（中）和天文台台长亚当斯（Walter Adams）陪同。

几天后，爱因斯坦又在洛杉矶为当地的天文学家、物理学家举办了一个学术讲座。他开门见山地承认，基于哈勃等人的发现，宇宙大小不恒定，的确是在膨胀。他解释说，14年前他在广义相对论场方程中引进了那个“宇宙常数”项只有一个目的，就是要找一个恒定不变的宇宙解。现在看来是画蛇添足，完全没有必要。

于是，哈勃在媒体上又获得一个桂冠：“让爱因斯坦改变了主意的人”。


几乎所有科学历史的书籍、文章都会提到爱因斯坦曾抱怨引入宇宙常数是他“一辈子最大的失误”（biggest blunder of his life）。不少作者更一厢情愿地设想如果爱因斯坦当初没有仓促行事，而是更相信他自己的方程并预测宇宙膨胀，该会是多么地辉煌。

这两个说法都没有证据支持。

前一个说法来自宇宙学家、科普作家伽莫夫（George Gamow）的描述，没有任何旁证。天体物理学家、作家利维奥（Mario Livio）为这个“最大的失误”来源做了细致的调查和分析，可以肯定那是伽莫夫出于戏剧性的凭空编造。

爱因斯坦在他那篇1917年原始论文中便明确说明宇宙常数项只是为得到一个静止的宇宙而引入，其前提是广义相对论场方程允许这样一个项的存在，因此有可能是真实的。他的确一直为此惴惴不安，只是因为这个项没有在场方程中自然出现，需要人为引入，破坏了他所追求的美学意义上的简单性。当静止宇宙这个要求不再必要时，爱因斯坦轻易地就舍弃了这个多此一举，也并没有觉得当初的引入曾是多大的失误。

的确，爱因斯坦之所以引进宇宙常数项，并不是为了遏止或防止宇宙膨胀，而是恰恰相反。他看到的是他那个宇宙模型会在引力影响下塌缩，因此需要一个平衡因素。那是一个从牛顿开始就已经意识到的老问题，与后来勒梅特发现的宇宙膨胀没有关系。即使爱因斯坦对他自己的理论充满信心，他最多只会无奈地指出他的广义相对论宇宙与牛顿力学的宇宙一样最后会塌缩到一个点。

因此，即使是在弗里德曼发现爱因斯坦的方程中包含宇宙大小可以随时间有不同的变化方式——既可以塌缩也可以膨胀——时，爱因斯坦也没有“恍然大悟”。他先验地认定弗里德曼的推导出了错，被纠正后依旧不以为然，觉得弗里德曼的解“不具备物理意义”。

及至勒梅特给出更详细的数学理论，并辅以实际观测的光谱数据来证明宇宙的膨胀时，爱因斯坦依然只是学霸式地将之贬为“物理直觉糟糕透顶”。

其实，在这个问题上物理直觉糟糕的恰恰是爱因斯坦自己。


宇宙在大尺度上是恒定、静止的，是人类千年的直观经验。在确凿的光谱红移数据出现之前，以此作为宇宙理论的前提几乎是理所当然。然而，爱因斯坦的错误却并不止于此。

爱因斯坦引入的宇宙常数项是为了抵消引力作用、避免塌缩。因此，这个常数的数值必须非常合适。数值如果太小，不足以抵挡引力，宇宙还是会塌缩；如果太大，则会超越引力，宇宙就会膨胀。爱因斯坦仅仅在数学上确定可以有一个恰恰合适的数值存在，便大功告成地宣布发现了他的（静止）宇宙模型。

理论物理学家温伯格（Steven Weinberg）在他著名的《最初三分钟》科普书中给出一个形象的比喻：如果我们在地球上发射火箭，火箭或者有足够的能量逃离地球，或者最终耗尽燃料被地球引力拉回来坠毁。爱因斯坦式的静态宇宙正好介于逃离（膨胀）和落回（塌缩）之间，无异于是一个停留在半空中正好不上不下的火箭。那火箭的推力必须百分之百地恰到好处。

那么，有没有可能我们这个宇宙恰恰有一个如此准确的宇宙常数值，不偏不倚地抵消引力的作用呢？这不是完全没有可能——毕竟我们并不知道宇宙是怎么来的，也许我们的运气异常地好。然而，这样的平衡还必须是百分之百地准确。因为只要有极其微弱的偏差，宇宙都会或者膨胀或者塌缩，不会保持着静止状态。

也就是说，在数学上我们可以找出一个将鸡蛋平衡在一根针的针尖上静止不动的解。但这属于不稳定的解。因为我们知道，只要稍有偏差，鸡蛋就会倒下。这种解不可能在现实世界中出现。

爱丁顿是在仔细研读被他忽视过的勒梅特论文时才意识到这一点。勒梅特也已经证明了（但没有明确表述出来）爱因斯坦所给出的静止宇宙解正是这么一个不稳定的解——“不具备物理意义”。


加州理工学院竭尽全力，邀请爱因斯坦每年冬天前来学术访问。爱因斯坦显然也喜欢这里的阳光海滩。一年之后，爱因斯坦再次来到南加州。这一次，德西特也来了。在此之前，曾经对勒梅特不屑一顾的德西特研读了勒梅特的论文后也几乎立刻就转变了态度，大赞勒梅特的理论“高妙”。

爱因斯坦（左）与德西特在加州理工学院讨论他们的宇宙模型。

他们俩一番切磋后，合写了一篇仅2页长的论文，发表在美国科学院院刊上。这篇论文没有什么新思想，不过重复了弗里德曼、勒梅特和其他理论物理学家的最新进展。如果换上别的作者，估计不可能通过同行评议。但正是因为作者是爱因斯坦和德西特——宇宙模型的两位开山鼻祖——这篇论文才有了特殊的意义：它标志着两人都正式地放弃了各自的宇宙模型，认同了弗里德曼和勒梅特的宇宙。

这篇论文发表后不久，爱因斯坦去伦敦拜访了爱丁顿。爱丁顿好奇地问爱因斯坦为什么还要发表那么一篇论文，爱因斯坦答曰，我的确并不觉得有多么重要，但德西特很把它当一回事。爱因斯坦走后，爱丁顿收到德西特的一封来信。信中说，你肯定看到了我与爱因斯坦的论文。我不觉得那里面的结果有什么重要性，但爱因斯坦似乎觉得很重要。

两位泰斗“投降”后，广义相对论的宇宙模型逐渐在更多的理论学家的参与和发展下定型，成为所谓的“弗里德曼-勒梅特-罗伯森-沃尔克度规”（Friedmann–Lemaitre–Robertson–Walker metric）。（没错，这里的罗伯森就是那个几年后不动声色地帮助爱因斯坦改正了他在引力波推导中错误的那个罗伯森。）

颇为讽刺的是，因为1932年那篇论文，这个新模型也经常被称为“爱因斯坦-德西特宇宙”。


（待续）

科普

宇宙膨胀背后的故事（之十）：哈勃的“新”发现

冷不丁被哈勃的一封信颠覆了宇宙观的沙普利没有再纠缠两人以往的过节，很快全盘接受了哈勃有坚实数据支持的新世界。作为哈佛天文台台长，沙普利不再有在前沿观测、科研的机会或实力，已经在蜕化为端坐在他那张特制办公桌后面的行政人员。阅读八角桌上越来越多的论文和报告，他意识到天文名词需要正本清源，明确那几个历史悠久、一直都在被当作同义词而混用着的基本概念：“银河”（Milky Way）、“星系”（galaxy）、“宇宙”（universe）。

他提议以“银河”专指我们所在的“星系”，银河只是“宇宙”中无数的星系之一。在银河之外，我们看到的每一个星云都是一个或多个与银河类似的星系。所有的星系的整体是我们的“宇宙”。这样，“宇宙”再度恢复了原有的意义：独一无二、包罗万象的宇宙。

那个自康德开始的“岛屿宇宙”概念则应该被摒弃——星云不是个体的宇宙，只是宇宙中的星系。比如，“仙女星云”（Andromeda Nebula)应重新命名为“仙女星系”(Andromeda Galaxy）。

哈勃却依然不愿意附和沙普利。他固执地坚持“星系”这个词的本源含义——在古希腊它与“银河”同样来自“奶”的神话，故只能是银河的同义词。终其一生，他顽固地把银河外的星云别扭地称之为“星系外星云”（extragalactic nebulae）。（勒梅特1927年的那篇论文也采用了这个称呼。）

直到哈勃逝世之后，天文界才一致性地采纳了沙普利的提议，成为我们今天的标准语言。


1914年斯里弗在西北大学会议上报告星云光谱时，刚开始研究生学业不久的哈勃也在听众席中。哈勃在那次会议上被选为美国天文学会会员，并很可能就是因为斯里弗的演讲而与星云结下终身之缘。在他参军上战场前匆匆而就的那篇“暗淡星云”毕业论文中，他颇遗憾地表示，要看清楚星云，必须有比他当时所用的更强大的望远镜。

十年后，如愿以偿地在威尔逊山用最强大的胡克望远镜找到仙女星云中的造父变星、给沙普利寄出那封信之后，哈勃倒忙里偷闲地结婚度蜜月去了。

1924年，新婚的哈勃和他的妻子格蕾丝。

他的新娘格蕾丝（Grace Hubble）是洛杉矶银行家女儿，为他带来一笔不小的财富。哈勃九泉之下的老父亲终于可以瞑目，不用再担心陷于追星梦的儿子无法养家糊口。只是婚礼上没有出现哈勃的亲人。搬到西海岸后，他与中西部乡下的家庭切断了联系。在其后与哈勃30年的共同生活中，格蕾丝从来都没有见过他的任何家人。

威尔逊山下的好莱坞电影城这时进入第一个黄金时代。身材高大仪表堂堂衣着考究一幅英国绅士派头的哈勃如鱼得水。格蕾丝尤其善于社交，他们的爱巢很快成为热门的聚会场所。包括卓别林（Charlie Chaplin）等的一流影星，以及剧作家、导演，都是家中常客。这个圈子里的人觉得哈勃作为科学家实在是浪费人才。他们赞誉他为希腊美神阿多尼斯（Adonis），比当红男星盖博（Clark Gable）有过之而无不及。

在这个娱乐小圈子之外，哈勃的名声也正如日方生。罗素在1925年元旦宣读他的论文之后，媒体以各种耸人听闻的标题、哗众取宠的笔调渲染他所发现的“千万个的宇宙”、“天堂的新奇景”……（当然，他的论文也正如罗素预测，赢得了美国天文学会的年度大奖。）哈勃这个名字开始变得家喻户晓。

在威尔逊山上，哈勃少校却依然因为他的做派而形单影只。在外的名声只是让他与其他同事的矛盾愈加尖锐。在山上，最有人缘的是另一个性格、为人等各方面都与哈勃截然相反的职员。


胡马森（Milton Humason）在学历显赫的天文学群体中是一个绝无仅有的异类。他也是出生于中西部的乡下，但幼年时并没有哪个长辈送过他天文望远镜。他父亲教给他的是钓鱼、打猎等户外生活的技能和乐趣。他还年少时随家庭搬到洛杉矶，很快就与这里更好的学习环境格格不入。好在每年夏天，刚刚十来岁的胡马森可以参加在威尔逊山上的夏令营。那时候还没有天文台。在荒山上他钓鱼、射击、攀爬，尽情地享受自然，乐不思蜀。终于，在高中第一年时，他说服父母准许他退学，跑到山上的一个小旅馆当小伙计，过起自食其力、自由自在的日子。

海尔也正是在那期间选中了威尔逊山修建天文台，开始了艰苦的基建工程。少年的胡马森看着那些在山路上频繁运送物资的骡马队很眼馋，也看到了机会，便跟人学会了这一技能，成为驾驭骡马的高手。两年后，当天文台冒险搬运1.5米口径望远镜上山时，正是17岁的胡马森率领骡马队协助载重卡车一步一步地挪过山上崎岖、狭窄的惊险小道。

1910年，不到20岁的胡马森在威尔逊山上。

几年下来，他天真活泼、自来熟的个性让他成为山上山下所有人的朋友。

只是好景不长，他与天文台首席工程师的女儿坠入了情网。为了赢得未来丈人的首肯，胡马森不得不结束在山上的无忧无虑，到洛杉矶市郊管理起家族的农场果园——有前途的体面工作。又不到几年，小两口不仅有了下一代，还存下钱置买了自己的农场，成为当地殷实富足的成功人士。

偏偏老丈人又随口透露山上已初具规模的天文台要雇佣一个清洁工，再度勾起胡马森的浪漫情怀。他们匪夷所思地变卖了农场，搬进山上小木屋，成为天文台的最低端人口。胡马森担负着洗刷天文学家夜以继日冲洗底片的各种化学试剂、清扫垃圾等重任，还要在风暴后清障铲雪，保证山上小道的畅通。闲暇之余，他与四岁的儿子在山溪中钓鱼、林间漫步野餐打雪仗，其乐融融。

他乐此不疲，主要还是因为这份工作带有一项“福利”：晚上可以自愿去给天文学家打下手。从跑上跑下递送物件到按照指定的坐标预备望远镜的朝向、置换观测箱、更换底片，以及在观测人员休息的间隙代替监控望远镜……他就这样一点点地学会了天文观测的基本技能。对他来说，这并不比少年时学会驾驭骡马难多少。

他的勤勉和热心赢得了天文台中每一个人的喜爱和信任。他还曾冒着生命危险独自追踪、猎杀了一只在附近惹是生非的山狮，更令他声名大噪。沙普利称他为不可多得的“文艺复兴式人物”（Renaissance man）。慧眼识珠的天文学家私下指导、培训他进行独立的天文观测，并与他共同署名发表论文。

1919年，年方28岁的胡马森被海尔破格聘任为正式的天文职员，完成了从骡马手、清洁工到科学家的飞跃。在现代天文台中，这很可能是前无古人后无来者：胡马森一直连高中学历都不具备。（1950年胡马森快退休时，瑞典的隆德大学因他对天文学的贡献授予他荣誉博士学位。那时他已经发表近100篇科学论文，也是英国王家天文学会会员。）

不过，即使是对他极为欣赏的沙普利也有看走眼的时候。在为沙普利当助手时，胡马森注意到沙普利拍摄的星云照片上有个别亮度的变化，曾特意标出提醒沙普利注意。当时还深陷在“大银河”思维中的沙普利很不以为然，训导了胡马森一番造父变星如何不可能在星云中出现的大道理后便顺手擦掉了他做的记号。几年后，胡马森看到哈勃正是通过与那几张照片的比较而发现了仙女星云中的造父变星，一举成名。（阴错阳差，细致的胡马森后来也曾错过一次在自己的照片中发现冥王星的良机。）


哈勃其实只比胡马森大不到2年。拥有博士学位、留过洋的哈勃开始没有怎么注意过这个没有学历的小职员。等到几年后哈勃意识到他需要胡马森的帮助时，胡马森已经与他人合作发表了多篇论文，并在观测、拍摄暗淡的星云上有了自己的建树。

1928年夏天，哈勃已经是国际天文联合会中的星云委员会代理主席。他参加了在荷兰举行的年会，见到了著名的理论天文学家德西特。德西特因为自己的宇宙模型力促哈勃关注星云的光谱红移，唤起了哈勃当年听取的斯里弗报告时的感觉。斯里弗那时已经成功测出了40多个星云的光谱，也抵达了他在洛威尔天文台的设备极限。要再提供柯蒂斯期望的“更多的数据”，非威尔逊山的胡克望远镜莫属。

回国后，哈勃决定集中精力研究光谱。胡马森的专注、仔细和耐心正是长时间追踪捕捉遥远星云那微弱的光亮所不可或缺的天赋。于是他难得地放下架子，向胡马森提议合作。胡马森可以承担那夜以继夜地连续曝光拍摄遥远暗淡的星云光谱的苦差事，让哈勃可以有更多的时间寻找这些星云中的造父变星以估算距离、并寻求它们之间的联系。胡马森虽然并不十分情愿，却也无力拒绝。

星云之所以称之为星云，就是因为它们的光亮过于微弱无法看清它们的本像。罗斯伯爵用利维坦看到它们的涡旋形状，哈勃用胡克望远镜终于发现了其中的造父变星。但这些还只是看距离比较近的星云。当哈勃把视线转向更为模糊的遥远星云时，他发现即使是威力强大的胡克望远镜也无能为力。更远的星云中无法辨认个体星星，更遑论造父变星。

当然他也不是束手无策。在勒维特的尺子不好用之后，哈勃可以采用其它方法：假设每个星云中最亮的星的内在亮度会差不多，他利用已知距离的星云中最亮的星的视觉亮度与未知距离的星云中最亮的星相比，可以大致估算出距离上的差别。再往远处的星云完全辨认不出个体星星，他又假设星云整体的平均亮度可能也差不多，用已知距离星云的平均亮度与未知距离的星云相比，估计更远的距离。

这个没有办法的办法不是哈勃的发明，沙普利在研究星团的距离——他的大银河宇宙的大小——时，也采用过相似的手法。在天文学上这叫做“宇宙距离阶梯”（cosmic distance ladder）：在一种测量方法不再适用时，用它所测得的最远距离做基准转换到另一种可能适用的方法。哈勃所用的从视差到造父变星到最亮的恒星到平均亮度只是这个阶梯的一种，天文学中还有其它可用作距离阶梯的测量手段可以综合、对比使用。


1929年3月，《美国科学院院刊》同时发表了两篇来自威尔逊山的论文。其一是哈勃的《星系外星云距离与径向速度之间的关系》（A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-galactic Nebulae）。在这篇文章中，哈勃揭示了他发现的规律：星云的径向速度与它们的距离成正比，并提供了一目了然的数据图。

哈勃在1929年发表的星云速度（纵坐标）与距离（横坐标）关系图。其中实心点、实线与空心点、虚线分别代表两种不同计算方法的结果，二者相差不大。

在这篇论文中，哈勃采用的其实只是斯里弗早已测出的光谱数据（但没有在论文中交待来源），因此他的“新”发现与勒梅特两年前已经发表过的结论并无二致。但引人注目的是紧跟着的另一篇、由胡马森单独署名的论文：《NGC7619 的巨大径向速度》（The Large Radial Velocity OF NGC 7619）。胡马森的这篇论文简短得不到一页，只报道了一个数据点。在这简单文字的背后，却是一番不足以外人道的辛劳。

在答应与哈勃合作后，胡马森便潜心苦干，极力拍摄那个暗淡星云的光谱。经过一系列的屡败屡战，他终于得到一张可用的光谱照片，发现那个星云的速度高达每秒3800公里，比沙普利曾经看到的最高速度又高了两倍多。

当胡马森拿着这张底片敲开哈勃办公室的门时，一向矜持端庄的哈勃也掩饰不住兴奋，惊动了整个天文台。哈勃早已估算好这个星云的距离，胡马森的速度正是按照正比规律所预测的数值，把他那张图上的直线延长了整整两倍！

哈勃对他这个合作者还不那么放心，既没有合写论文也没有直接采纳这个重要的数据，而是在同时发表的两篇论文中互相引用说明。这样，他既能得到这个数据的支持又不需要承担万一出错的责任。

测量这一个数据点的辛劳和哈勃的心计已经让胡马森身心俱疲，发誓退出、不再继续测量星云光谱。只是形势比人强，他们这一历史性突破的意义早已远远超过个人的恩怨。威尔逊天文台不顾其他天文学家的反对，将胡克望远镜的观测时间几乎完全交给胡马森一个人使用，并专门拨款为他购买了最先进的照相机。

不久，他又成功地拍摄到更远的星云：距离约1亿光年之巨，径向速度高达每秒2万公里——光速的百分之六。连哈勃这时也深感佩服：“胡克望远镜终于在你手中物尽其用了。”（"Now you are beginning to use the 100-inch the way it should be used."）

不同距离的星云（自上而下越来越远）光谱比较，可以看到被标识为“KH”的钙谱线越来越往右边（红色）移动。

当然，更重要的是，那么遥远的距离，那么巨大的速度，依然符合着速度与距离的正比关系。至此，这个关系的普适性已经毋庸置疑。

哈勃早已奠定的名声保证了他的发现不会像勒梅特的那样被忽视。在发现宇宙真正的尺度之后仅仅四年，哈勃又发现了宇宙之不可思议的运动规律。这后一个历史性的贡献立刻被命名为“哈勃定律”（Hubble's Law）。其定律中速度与距离正比关系的系数也相应地被叫做“哈勃常数”（Hubble's Constant）。


（待续）

科普

宇宙膨胀背后的故事（之九）：一个天主教牧师的全新宇宙观

1920年沙普利与柯蒂斯的大辩论主题是“宇宙的尺寸”，焦点在于那些神秘的星云是银河内部的气体尘埃还是银河外部、与银河类似的“岛屿宇宙”。在众多的分歧、论据中，柯蒂斯也曾提到光谱测量已经发现一些星云有着异乎寻常的径向速度，似乎不可能是在银河内部的运动。

他们没有在这上面多费口舌。如果发挥一下想像，沙普利大概可以现成地把柯蒂斯的那句“需要更多的数据”原话奉还：那时候两人都对光谱数据摸不着头脑，也就无从可辩。及至5年后哈勃的距离测量为他们的辩论划上句号，如何理解光谱依然是个悬而未解的谜。


柯蒂斯引述的光谱数据来自他所在的利克天文台的死对头：美国西南部亚利桑那州的洛威尔天文台。

也是在十九世纪末，出身于波士顿富豪世家的洛威尔（Percival Lowell）染上天文热，独自出资修建了那个天文台。洛威尔天文台虽然没有最大的望远镜，但其所在的海拔高度比利克及后来的威尔逊山天文台都更高，有着更好的气候环境。在威尔逊山开张之前，洛威尔和利克这两家最早的高海拔天文台是既合作又竞争的小伙伴，经常在圈子里打得不可开交。

洛威尔最初是受到了有人看到火星表面有沟渠结构、疑似火星人存在的蛊惑（其天文台所在地因此被命名为“火星岭”）。他的初衷是观测火星及其它太阳系行星的大气成分，确定是否含有生命赖以存在的水。为此，他花钱为天文台安装了一个特制的光谱仪。（今天，洛威尔天文台最为人所知的是后来在1930年发现冥王星。）

虽然财大气粗、刚愎自用，洛威尔却有一定的自知之明。与同时代的美国富豪一样，他深知欧洲贵族那个在自家后院看星星的时代已经消逝，取而代之的是专业人士的竞技。他选中了刚刚从印第安纳大学毕业的斯里弗（Vesto Slipher）常驻天文台，负责观测。洛威尔则以频繁的书信、电报远程操纵。在为洛威尔看星星的同时，斯里弗还要替他种植、管理天文台的一片蔬果园。

1909年的斯里弗和他的妻子、女儿。

初出茅庐的斯里弗性格憨厚，顺从而兢兢业业地完成老板交给的每项任务，包括邮寄新收获的瓜果。就在他花费一番苦功终于掌握了光谱拍摄的技巧时，洛威尔心血来潮，指示他拍摄仙女星云的光谱。


自从英国的哈金斯在19世纪发现星星的光谱中存在多普勒效应后，拍摄星云的光谱一直是天文学界的挑战。即使拥有20世纪初强大的望远镜，星云模糊的光强依然不足以留下可辨的谱线照片。斯里弗不愿辜负老板厚望，没有条件创造条件也要上，对望远镜、色散棱镜、照相机等进行全面彻底的革新改造以增大能到达底片的光量。他经常连续几个晚上甚至几个星期曝光同一张底片，铢积寸累地采光。

1912年的最后几个晚上，他经过连续苦战终于得到一张清晰的仙女星云光谱照片。过年后，他又重复拍了几张验证，才公开了测量结果：他发现仙女星云正以每秒300公里的速度向着我们所在的太阳系奔来。

斯里弗拍摄的仙女星云光谱线（中）。底片上有同时拍摄的、在望远镜旁燃烧的铁和钒蒸汽发出的光谱线作为对照。二者（在显微镜下）比较可以测出星云光谱中特征谱线的位移。

哈金斯当年测出御夫星的速度达每秒30公里，已经震惊了世界。斯里弗发现的星云速度又高出了十倍。不仅如此，他很快又发现处女座（Virgo）方位的另一个星云（NGC4594，现在也称作“墨西哥草帽星系”：Sombrero Galaxy）在以每秒1000公里速度背离我们而去。

与他的老板洛威尔正相反，斯里弗为人低调内向。他的数据只是陆续在自己天文台的通讯上发表，没有四处张扬，甚至连天文学界的常规学术会议都不去参加。例外的是在1914年8月，他下山出席了在西北大学举行的美国天文学会年会，做了一个题为《星云的光谱观察》（Spectrographic Observations of Nebulae）的讲演。这时，他已经有15个不同星云的数据。它们之中只有3个在朝向地球奔来，其它12个却都在离我们而去。无论往哪个方向，它们的速度都非常大，平均值是过去测得星星速度的25倍。

会场上的听众全体起立，赋予斯里弗一片响亮的掌声。这是学术会议上颇为罕见的场景。一直对他的能力、数据可信度颇有疑虑的利克天文台的台长这时也禁不住为这一成就赞不绝口。（利克天文台事后也发现他们自己的Edward Fath其实在几年前就看到了同样的光谱，但因为觉得过于“离谱”而怀疑是仪器出了问题，没有进一步研究。）

虽然斯里弗的数据令人印象深刻，却没有人能够解释个中奥秘。远在英国的爱丁顿在他《相对论的数学理论》（The Mathematical Theory of Relativity）一书中将这些数据做了详细列表，指出这可能会是对于宇宙结构最具启发性的数据。这本教科书在天文学界广为流传，也捎带着在欧洲推广了斯里弗的发现。

然而，揣摩出其中奥妙的，却还是那时正好在爱丁顿身边的一个默默无名年轻人，一个天主教牧师兼理论物理学家。


勒梅特（Georges Lemaitre）是比利时的耶稣会（Jesuit）信徒，从小在教会学校长大。他17岁刚上大学时赶上第一次世界大战，当即参军担任炮兵军官，因表现赢得军功章。战后，他回到天主教鲁汶大学，很快在1920年获得数学博士学位。然后，他转入神学院进修，在1923年正式成为牧师。

同年，勒梅特赢得一份奖学金，先到英国的剑桥大学跟随爱丁顿学习现代宇宙学。爱丁顿对刚刚30岁的勒梅特颇为欣赏，在圈子内外到处夸耀他的才干。

一年后，勒梅特又渡过大西洋，来到美国的哈佛天文台拜沙普利为师。这时他希望能得到一个货真价实的博士学位（那时比利时的博士要求比较低，不怎么被外界认可。）。因为天文台尚未有授予博士学位的资格，他挂名在就近的麻省理工学院做研究生。

在哈佛，他一边师从沙普利学习星云光谱知识，一边继续研究从爱丁顿那里学来的广义相对论宇宙模型。那时，爱因斯坦和德西特分别提出的模型已经问世好几年了，还没有几个人能懂。尤其是德西特的宇宙中似乎莫名其妙出现的光谱红移，让人觉得蹊跷、不解。经过一番数学推演，勒梅特发现了问题所在。

德西特的原意是构造一个没有质量存在、极其简单的宇宙模型。但因为他选错了坐标系统，他的宇宙其实并不像他所声称的那样有各处一样的对称，而是有着一个特别、不应该存在的中心点。是因为这个人为的不对称，才导致了“红移”。【《捕捉引力波》系列的读者可能还记得坐标系选择是广义相对论研究中屡屡出现的陷阱。】

1925年元旦那天，他坐在听众席中聆听了罗素宣读哈勃星云测量的论文，印象深刻（也许他记忆有差，也许是语言障碍，他以为当时听的是哈勃本人的讲演。）。当在座者为哈勃揭示的宇宙尺度之大而惊叹、兴奋之际，他已经在思考下一步：如果把星云的距离与速度结合起来，有可能构造出全面的宇宙图像。

那年春天，他在美国物理学会年会上提交了一篇论文指出德西特的错误后便离开了哈佛。他先穿越美国旅行，到西部分别拜访了斯里弗和哈勃，然后回国在鲁汶大学任教，继续研究宇宙模型。这时，他已经具备一个独特的优势：既能在数学上搞明白爱因斯坦、德西特那些繁杂的理论，又在爱丁顿、沙普利指导下透彻地理解了星云光谱测量的现实数据。

不到两年，他取得了历史性的突破。他以此撰写的论文有一个长长的标题，几乎就是论文的提要：《一个可以解释系外星云径向速度的质量恒定而半径在增长的均匀宇宙》（A homogeneous Universe of constant mass and growing radius accounting for the radial velocity of extragalactic nebulae）。论文以法语写就，发表在基本上没人会注意的《布鲁塞尔科学学会年鉴》（Annals of the Scientific Society of Brussels）上。


论文问世后不久的1927年10月，第5届——也是最著名的一届——索尔维会议在布鲁塞尔召开。协助接待的勒梅特有机会拜见了前来赴会的爱因斯坦。爱因斯坦说已经在人提醒下看到了那篇论文，并告诉他几年前苏联人弗里德曼发表过类似的宇宙模型。

爱因斯坦（左）与勒梅特

尽管弗里德曼曾经与爱因斯坦打过笔墨官司，他们的宇宙模型讨论只是寥寥无几的理论物理学家小圈子里的争论。即使是已经在剑桥、哈佛镀过金的勒梅特对弗里德曼的工作依然一无所知。

而爱因斯坦在经历过草率批驳弗里德曼的挫折后至少对广义相对论的数学可能性有了新的认识，但对弗里德曼提出的模型还是一如既往的深恶痛绝。这时他更是毫不客气地对面前年轻的牧师评价道：“你的数学没问题，但你的物理直觉实在糟糕透顶。”（“Your calculations are correct, but your physical insight is atrocious.”）

让爱因斯坦觉得糟糕透顶的，就是勒梅特在论文标题里旗帜鲜明地提出的，一个“半径在增长”的宇宙——非恒定的、在膨胀中的宇宙。

勒梅特所提出的宇宙的确就是弗里德曼当初已经发现的广义相对论可能允许的几个模型之一。但与弗里德曼纯粹的数学研讨不同，勒梅特研究的是我们所在的真实的宇宙，即“可以解释星云径向速度”的宇宙。

当牛顿在17世纪创立经典力学时，他最辉煌的成就体现在对太阳系——当时人类所能把握的宇宙——动力学的准确描述。（当然，牛顿得天独厚：行星运动没有摩擦阻力，绝大多数情况下可以近似为数学上最简单的二体问题。）爱因斯坦发明的广义相对论也在光线弯曲、水星近日点进动上通过了实际验证，但他的宇宙模型十年来却一直只是纸上谈兵，与我们眼前的宇宙、与天文望远镜中看到的星体分布没有半点瓜葛。

的确，当勒梅特试图与爱因斯坦讨论斯里弗的光谱数据时，他惊讶地发现爱因斯坦对当时天文观测结果几乎一无所知，也没有什么兴趣。

而恰恰是这个“物理直觉实在糟糕透顶”的勒梅特让爱因斯坦的抽象宇宙理论与现实的数据挂上了钩。因为勒梅特不仅仅（独立于弗里德曼）找出了一个膨胀中宇宙的解，他还为斯里弗所测的星云径向速度提出了新颖的解释。

与爱因斯坦、德西特坚持宇宙恒定不变相反，勒梅特像弗里德曼一样允许宇宙的大小随时间而变。他发现，如果宇宙随时间变大，场方程中的时空度规会整体性地随之变化，不同地点之间的距离也随之增长。这样，从一个地点发出的光到达另一个地点时自然地因为多普勒效应而发生红移，红移的程度与两点之间的距离成正比。

这样的一个定量关系可以直接通过天文数据验证。勒梅特撰写论文时，已经有42个星云既有斯里弗测量的速度，也有哈勃测出的距离。把数据列表后，他发现速度与距离之间果然存在明显的正比关联。由此他还推算出二者的比例系数。

于是，勒梅特的宇宙模型不再是天马行空的猜想，而有了现实的验证。

勒梅特还进一步诠释了星云光谱红移的来源和含义：宇宙在膨胀，其各个地点的尺度都随时间增大。星云不是在逃离我们，它们不是自己在高速运动，而是它们与我们之间的空间在膨胀、距离在拉长。

想像一个正在被逐渐吹大的气球。气球上任何两个点之间的距离都随着球体的膨胀在增大，但每个点相对于气球的表面却都是静止的。勒梅特宇宙的空间就是这样的一个膨胀中的气球，星星、星系、星云都是这个气球上的点。它们自己没有在运动，但被膨胀的气球表面承载着，彼此之间距离越来越大，似乎是在互相逃离。

我们看到几乎所有的星云都在离我们远去，也不意味着我们所在的太阳系或银河是宇宙膨胀的中心。（个别的星系——比如仙女星云——在反潮流般向我们奔来。那是因为它们与我们相距比较近，能够感受到彼此的引力作用。星系因为引力——空间弯曲——而靠近，只是局部的物理运动。）在一个均匀膨胀的宇宙中，犹如在吹大中的气球表面，任何地点都会看到所有其它点在离它远去。我们所在之处并不特殊。


也许是因为遭到了爱因斯坦的当头一棒，勒梅特在其后两年中没有再谈论他的宇宙。就在那场对话的半年后，德西特在一次学术会议上也表现出对勒梅特不以为然，觉得在这样专业的课题上不值得为一个名不见经传的小字辈浪费时间。

至少暂时性的，勒梅特这篇划时代的论文如同被藏于深巷的美酒，无人问津。

（待续）

科普

宇宙膨胀背后的故事（之八）：哈勃打开的宇宙新视界

哈勃其实只比沙普利小四岁，也是密苏里州的乡下人，两人的出生地相距不过150公里。与沙普利不同的是，哈勃的父亲学过法律，从事保险推销，是有稳定经济基础的文化人。哈勃经历正规的中小学教育，学业一直优等。但他出名的还是体育场上的建树。他从小身材高大。尽管比同学小两岁，依然是各类球赛中的健将。高中时还曾在田径运动会上一举揽括七项冠军外加一个第三名。

中西部成立不久的芝加哥大学给他提供了奖学金。他也不负其众望，以那时还不多见的1.88米身高担任校篮球队中锋，连续三年夺冠（那也是芝加哥大学历史上仅有的篮球冠军称号）。

和那年代众多的天文学家相似，哈勃对天文的兴趣始于8岁的生日。那天外公送给他一具自制的天文望远镜，父母也破例允许他不按时上床睡觉。结果他在后院里看了一个通宵的星星。但兴趣只是兴趣，饱尝生活艰辛的父亲坚持儿子必须学法律，以保证将来能有一份体面的工作。看星星毕竟当不得饭吃。

孝顺的哈勃听从了父亲的忠告，在芝加哥大学主修的是为法学院准备的各类课程。但他也还放不下天文，便兼修了一些理科课程。虽然只是副业，他二年级时就崭露头角，被评为最好的物理学生。他后来也是以科学学士的学位毕业。

年轻时的哈勃（左一）与朋友们在一起。

大学时，哈勃已经知道几年前去世的英国矿业大亨罗兹（Cecil Rhodes）遗嘱设立了奖学金，在美国等地挑选文体兼优的大学毕业生去牛津大学进修，以增进英美两国关系。这成为他向往的目标和学业、竞技的动力。物理教授密立根写了一封热情洋溢的推荐信，帮助哈勃如愿以偿地成为罗兹学者（Rhodes Scholar）。

即使已经大学毕业，哈勃依然不敢违抗父亲的意愿。他在牛津还是专心研修法律，只是偶尔会跑到天文系解解馋，还不敢让父亲知道。

三年的牛津生活给他最深刻的影响却既不是法学也不在科学。他很快就完全摒弃了与生俱来的美国中西部口音，操起一口纯正的牛津英语。他一丝不苟地穿着考究的制服，外面还披件大氅。他也会潜心地炮制一壶精致的下午茶。这些依然不够，他的嘴边还出现了一只从不离口的烟斗。

其他来自美国的罗兹学者们颇为惊诧，把他叫做“假洋鬼子”。


父亲因病去世后，哈勃从欧洲赶回，作为长子承担起家庭责任。老爹当初的远见在这关键时刻却只是竹篮打水一场空：哈勃没有去律师行谋职，只是“沦落”为中学里的代课老师、教练。（成名后的哈勃似乎对这段经历不堪回首，编造了自己通过律师资格考试、进律师行的不实履历。）如此蹉跎一年后，他终于下定决心，返回芝加哥大学当研究生。这次终于自己光明正大地选择了天文专业。

芝加哥大学的耶基斯天文台有一个当时相当先进的61厘米口径望远镜。哈勃用它拍摄了大量星云照片。他发现其中一个星云的形状在变化，证明它应该离我们很近——正如沙普利所言，它处于银河之内。这个星云后来被称为“哈勃的变星云”（Hubble's Variable Nebula）。威尔逊山天文台台长海尔没等他毕业就给他下了聘书。

他的博士论文题目是《暗淡星云的摄影研究》（Photographic Investigations of Faint Nebulae）。虽然他在望远镜前花费了数百个小时照相，论文却只有9页文字、8页数据表格，外加区区两张照片。因为他还没来得及动笔时，美国已经正式参与了第一次世界大战。哈勃匆匆敷衍了论文便投笔从戎，加入美国远征军（American Expeditionary Forces）。

虽然叫做远征军，他们却在美国本土驻扎了一年多才奔赴欧洲。这时一战已经进入尾声。他随军驻扎在巴黎，没有真正上过战场（这并不妨碍他后来编造在战壕里被炸弹震晕的传奇。）。但他也得以晋升为少校军衔。战争结束后，他继续在欧洲游荡，直到1919年才想起来威尔逊山为他保留的位置。于是他再次匆匆离开欧洲赶回国，在那年9月来到威尔逊山报到。

第一次世界大战期间哈勃在美国远征军服役时的证件。

尚未离开威尔逊山的沙普利对这个不再有一点乡土气的老乡很不以为然。哈勃这时不仅叼着烟斗、一副英国绅士派头，还穿着戎装马裤、皮靴，身披硕大的斗篷，头上扣着贝雷帽。面对山上的一众书生，他居高临下地自我介绍是“哈勃少校”。

哈勃对沙普利也同样地看不顺眼。那时沙普利已经在星团研究上声誉斐然，不过三十出头就已经是哈佛天文台所垂青的台长人选。但哈勃觉得沙普利只是在战争期间躲在后方摘到了本来可能会属于他哈勃的桃子。（哈勃不知道的是，沙普利虽然痛恨战争，当初也已经决定参军，但被海尔劝下。海尔觉得战争应该会有更用得着天文学家的地方。）

其实来得早不如来得巧。哈勃虽然因为战争耽误了两年多，却赶上了千载难逢的好时机：那座2.5米口径“胡克望远镜”在他到达一星期后正式投入使用。经过在小望远镜上一番练手、熟悉环境后，还是新手的哈勃因为海尔的偏袒获得了与山上其他老将平起平坐地共享这个巨型望远镜的资格。沙普利另谋高就之后，哈勃便更得心应手了。

1922年的哈勃在操作胡克望远镜。

那年圣诞节前的平安夜，哈勃第一次操作起这座傲视全球的大家伙，把它对准了他早已熟悉的那些暗淡的星云。


罗斯伯爵通过他的利维坦望远镜看到星云的涡旋形状已经是大半个世纪以前的事了。星云却依然还是那样的神秘。除了偶尔能看到她们中间突然出现明亮的新星，星云还是连续一片的光云。

恰恰是作为利维坦继承者的胡克望远镜在哈勃的手下终于揭开了星云的面纱。

只要天气允许，哈勃便整晚整晚地拍摄星云的照片。这其实就是他博士论文的继续。在大望远镜帮助下，他看到星云并不都是涡旋，也有些是挺规矩的椭圆。按照星云的形状，他制作了一个分类方式。这个“哈勃分类体系”（Hubble Classification System）一直沿用至今。不过他更希望的是能捕捉到星云中的个体新星。在威尔逊山上，他没有弗莱明、坎农那样的行家里手“计算机”辅助，所有照片都必须他亲手冲洗、观察、测量、记录、归类。

哈勃制作的星云分类图。

功夫不负有心人。在强大的望远镜和长期曝光的操作下，星云中肉眼看不见的新星在他的底片中接二连三地出现。最让他感兴趣的是几颗在仙女星云中发现的新星。那便是波斯天文学家苏菲曾经记录的“云一般的点”、（北半球）人类最早知道的星云。

哈勃是在1923年10月初的观测中发现仙女星云中的新星的。按惯例，他在照片上将它们分别标记上“N”（nova）。当与天文台库存的照片对比时，他意外地发现其中一颗以前也出现过，因此并不是新星，而可能是时有时无的变星。这一发现让他兴奋无比，立刻在照片上把“N”字划掉，代之以加上感叹号的“VAR！”（variable）。

他的好运气还不止如此。在连续几个月跟踪拍摄之后，他明白这颗变星非同一般，正是一颗天文学家梦寐以求的造父变星。


1924年2月19日，还沉浸在兴奋中的哈勃给在哈佛的沙普利写了一封信，不带任何客套地开门见山道：

“亲爱的沙普利：你可能会有兴趣知道我已经在仙女星云中找到了一颗造父变星……”

他附上了一幅描述这颗星的光强变化曲线的图，其形状毋庸置疑地符合造父变星特征。那颗星的星光只有18等，极其微弱。但光强变化的周期长达31天。根据勒维特的“周光关系”，这么长的周期说明那其实是一颗（内在亮度）极其明亮的星星。与它的微弱的视觉亮度相比，表明它非常遥远。

哈勃1923年在仙女星云中发现的造父变星。左图：哈勃拍摄的仙女星云照片之一，上面有他做的标记；右图：哈勃随信寄给沙普利的变星光强变化曲线。

沙普利在大辩论前已经确定了用“周光关系”测定造父变星距离的基准。这时哈勃用这把现成的尺子很轻松地就估计出仙女星云距离地球超过100万光年。

而沙普利通过星团的测量发现银河比其他所有人想象得都更大，以至于大得就是整个宇宙时，他的银河也“不过”30万光年。一个100万光年之外的星云显然不可能处于他的银河“大星系”之内。

那么遥远的星云能在地球上肉眼可见，说明她本身的大小也巨大到足以与银河相比：一个类似于银河的“岛屿宇宙”。

所以，沙普利只寥寥地扫了一下哈勃的来信，便立刻领悟到他自己的宇宙已经完全被毁了。


1924年底，美国科学促进会在首都华盛顿举行为期六天的年度会议。美国天文学会也凑热闹，同时同地举行他们自己的年会。普林斯顿教授、沙普利当年的导师罗素几度给哈勃去信邀请，暗示他的论文肯定会赢得天文学会的年度大奖。

哈勃的发现在天文学家圈子中早已不胫而走，流传甚广。就连《纽约时报》也在那年11月23日发表了哈勃发现遥远宇宙的“传闻”。但哈勃一直却按兵不动，迟迟没有正式的论文出现。他诚惶诚恐，害怕自己的数据或推论会存在纰漏，依然躲在威尔逊山上拍摄更多的照片。他希望能够——如柯蒂斯在大辩论中所坚持的——掌握“更多的数据”。

更多的数据也在持续地出现。不仅仅是仙女星云，他在其它更为暗淡、模糊的星云中也陆续发现了造父变星。在威尔逊山那些万籁俱寂的夜晚，哈勃几乎孤独地忙碌着。随着底片的积累，他那把丈量宇宙的尺子在浩瀚的广宇中持续并执着地向外延伸。

在罗素一而再再而三的催促下，哈勃终于在最后一刻给他寄去了一篇论文稿。他自己依然留在威尔逊山，没有去东部赴会。


自托勒密开始，天文学家计时的一天都是从太阳当空的正午开始，到第二天的正午结束。这样对星空的仰望、记录不至于在午夜时中断。当1925年的新年到来时，80多位美国天文学家与常人一样欢庆元旦，也同时把他们的“纪日”改为与日历同步，从午夜到午夜。这样，即使对天文学家来说，正午也不再是新的一天到来的时刻。

然而，1925年元旦的正午，却依然成为一个历史性的天文时刻。

那一刻，天文学家和科学促进会的数学物理部成员济济一堂，在乔治华盛顿大学新建成的大礼堂里继续开会。

罗素走上讲台，宣读了哈勃题为《涡旋星云中的造父变星》（Cepheids in Spiral Nebulae）的论文。哈勃报告说他这时已经在仙女星云中找到了12颗造父变星，也在另一个星云里发现了22颗，并在其它一系列星云中看到存在变星的迹象。

不仅如此，他更是已经能够清晰地看到星云的外缘由一颗颗可辨认的星星组成。星云不仅非常非常地遥远，也不是如沙普利猜测的那样由气体尘埃组成，而是与银河一样地群星璀璨——真真实实的“岛屿宇宙”。

天文学又一次进入了一个新的时代。

柯蒂斯在那场大辩论后也离开了西海岸的利克天文台，到东部匹兹堡市的一个天文台担任台长。此时他正在会场。在激动的同行中，他表现得颇为淡定。

当然，柯蒂斯最切身地明白哈勃这一发现的非凡意义。他后来在书中写道：“在人类思想历史上，很少形成过比这更伟大的概念：我们——不过是在自己星系中百千万个太阳之一的一个小卫星上生存的微不足道的生物——能够看到自己星系之外还有其它类似的星系。她们每个都有着几万光年的直径，像我们的一样有着几十亿个甚至更多的太阳。如此，我们的视线从50万光年穿越到几亿光年的遥远——那更广阔的宇宙。”

1925年元旦。那一天，人类发现了宇宙。


（待续）

科普

宇宙膨胀背后的故事（之七）：二十世纪初的宇宙大辩论

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。


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。

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。


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。


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。


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）。

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。

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。


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。

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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