独立思考是突破颜值文化的唯一出路
古哥古点 2015年11月30日
《变星和红移》
来自古哥古点
莎士比亚笔下的凯撒大帝曾高声说道“但我像北方之星一样永远不变”，莎士比亚错了，北极星的亮度是会改变的，而且这类会改变光泽的星并不罕见。英仙座的大陵五被称为“眨眼的恶魔”（Algol），而就是这些恶魔改变了天文学的命运。
眨眼的恶魔（大陵五，Algol）
16世纪晚期的约翰·古德里克（John Goodricke）是一位聋哑人，这是人生的不幸，但他却得以进入到英国爱丁堡第一所专为聋哑儿童开设的学校，这无疑又是幸运。14岁时古德里克转到正常的沃灵顿学院继续学习并在几年间逐渐展现出自己在天文学方面的天才。古德里克迷恋上了一种特殊的天文对象：变星。所谓变星是相对恒星而言的亮度会改变的星。或许正是因为聋哑的缘故，古德里克的视觉极其发达，特别是对明暗的光感远超常人。在那个还需要凭借肉眼观察天象的年代，这个优势让他在捕捉变星的能力上卓尔不凡。别人观察不到的极黯淡的星，或者虽明亮但亮度变化幅度极微小的星，全部难逃他的眼睛。
古德里克率先发现了所谓的变星其实是一对双星的情况。双星是一对相互绕行的天体，如果它们是一明一暗的话，当双星中较暗的星体遮蔽了明亮的星体时，远处的观察者看起来就好像星的亮度发生了改变。这种遮挡是一种食现象，所以被称作食双星。从这个意义上来说，太阳也可看作变星，日食就是其亮度的巨大改变。双星的旋转周期稳定，所以此类变星的亮度变化曲线显得很对称。食双星覆盖了大部分的变星现象。然后没过多久，例外出现了。凭借钻研出来的独门感受微弱亮度的绝技，1784年10月10日，古德里克注意到了造父一。它是变星，但是它的亮度变化曲线完全不对称。在5天的变化周期内，亮度曲线会在一天内升到最高，在4天内缓慢下降到最低，形成一个鱼翅的形状。显然这不能用食双星加以解释。在古德里克所在的年代，人们不可能知道此类变星乃是因为热膨胀和引力共同作用下的一种密度循环改变了光线的透射率而造成亮度变化的，但是这个发现本身就堪称伟大。从此这类变星被称为造父变星，其特殊的亮度曲线被形象的叫做鲨鱼鳍。
约翰·古德里克（John Goodricke）
1839年，路易斯·达盖尔（Louis Daguerre）发明了银版照相技术，它对天文学的巨大推动作用超出许多人的想象。在此之前，天文观测的结果都要依靠人们的手工绘图以及满是主观臆断的描述加以记录。诸如“长蛇座阿尔法远不如狮子座伽马亮，比金牛座贝塔还弱”这样的话比比皆是。到底怎样的差距才算是“远不如”，到底亮度接近的星体间孰强孰暗，这些都是观察者的个体化论断。现在小小的银版彻底改变了这一局面，客观的光学映像取代了主观的感受，从此后拍照成为望远镜越来越主要的使命。对此变革最为积极的响应者正是这方面的先驱哈佛天文台，他们在十九世纪晚期的几十年间大约拍摄了50多万张的太空底片。即使在信息技术高度发达的今天，要管理和分析几十万张天文照片也不是件轻松的事，更何况是一百多年前呢？面对一幅幅的数量巨大的实体底版，每一张里面都含有数百颗恒星，每一颗恒星都需要进行亮度评级和位置确定，哈佛天文台为此令人吃惊的建立起了一套计算分析系统。千万不要以为他们把人类的计算机发明史提前了，这个简单粗暴的古老计算系统里面只不过是用大活人取代了Computer，Computer们负责观察、分析和归类全体底版。硅基生命还没有取代碳基生命，碳基计算机已经先于硅基计算机问世了。这里的Computer不是一种比喻，而是真实的历史中人们对这些计算分析人员的称呼，他们无愧于最早的人形计算机。有趣的是，哈佛天文台台长爱德华·皮克林（EdwardCharles Pickering）很快发现让男人做Computer极不称职，相反的，妇女们不仅薪水廉价，而且她们的分类既细致又准确。于是娘子军成了天文台独特的风景。当然，台长只允许女生们做分析的工作，却不允许她们接触望远镜，在漫漫长夜里，男男女女依偎在一起遥望漫天繁星，想想都觉得容易生出意外。
哈佛计算员（Havard Computers）
不过，意外还是来了，但却是一份意外的惊喜。计算员里有一个女孩叫做亨利埃塔·莱维特（Henrietta Swan Leavitt），就是这位牧师的女儿为彻底终结天文学大辩论敞开了大门。从哈佛大学拉德克里夫学院毕业后，莱维特生了一场大病成为严重的耳聋患者，她对光线也开始变得极其敏感。莱维特对造父变星情有独钟，她花了几个月时间对所有的造父变星的相片进行测量和编目，并把意力放在了造父变星的亮度变化周期和它们与地球的距离这两个变量之间的关系上。天文学家早就知道，天体的可视亮度不等于真实亮度，中间主要的影响因素就是距离。本身再明亮，如果距离遥远也会显得暗淡无光。这会引出一个循环式的困难，想要知道星球的距离得先掌握其真实亮度，可是得先知道距离才可以根据可视亮度反算出真实亮度。该怎么打破这个循环呢？莱维特想到或许可以利用小麦哲伦星云内的25颗造父变星作为样本解决这个难题。她虽不知道小麦哲伦星云离地球有多远，但她估计这个距离值一定非常的大。另一方面，25颗变星同属于一个星云，其相互间的间距想必很小。一大一小之间，它们到地球便可视为大体上等距。事实证明这个假设是合理的且意义非凡，因为它让莱维特手头上第一次有了一组被消除了距离差异的变星群体，而这种情况下的可视亮度将可以代表实际亮度。接下来，莱维特把这25颗变星的亮度和周期两组数据分别画在坐标图上，结果所有的数据点清晰的分布在同一条曲线附近。这个发现是关键性的，它意味着变星亮度和周期之间存在着依赖关系，利用这条曲线，只要测量出某颗变星的周期就可以查询到该变星的亮度。而如果有了真实亮度，天文学家只要设法确定出任一的一颗已知亮度的变星的距离作为基准，其他所有变星的距离就都可以计算出来。天文测距的尺子终于被找到了，所差的只是一个定盘星。
亨利埃塔·莱维特（Henrietta Swan Leavitt）
这个基准点不久之后将被其他的天文学者所找到，他们运用综合定位技术确定出一颗造父变星的距离，从此天文学测距不再是困难的事情。莱维特因一条拟合曲线而成名，这条曲线终结了天文学的大辩论；而不久后，另一位天才将同样因为一条拟合曲线走上了天文学的圣坛，而他的曲线却会引起一场影响更加深远的大纷争。这位天才叫做埃德温·鲍威尔·哈勃。（EdwinPowell Hubble）
哈勃无疑是一个天赋极高的人，尽管他从在8岁生日那天拿到祖父赠送给他的生日礼物，一架望远镜，并熬夜观看密苏里深湛的星空时就爱上了天文学，但他一直不得不屈从于父亲的安排去学习法律。他的法律学习的也不错，他为了挣钱去做保险经纪人和当老师也很出色，但最后他还是走进了天文的世界，用哈勃的话来说，那是一种召唤。中文的“召唤”其实不足以反映“summon”的力度，你不妨把这种引力理解为有人请你去做政治局常委。哈勃说过，他宁愿当一个二流的天文学家，也不愿做一个一流的律师。事实证明，作为天文学家，他不仅是一流的而且是超一流的。
埃德温·鲍威尔·哈勃（Edwin Powell Hubble）
1919年，哈勃得到威尔逊山天文台的邀请并欣然前往，然后稍显尴尬的是他和这里的其他天文学者显得有些不协调。对于大辩论的议题，哈勃倾向于认为星云是独立的星系，而几乎大部分威尔逊山的人都认为星云是在银河系里，其中最有影响力的代表就是哈罗·沙普利。沙普利特别瞧不上眼前这个年轻人那种甚至有点过度的对英格兰贵族文化的膜拜和模仿，烟斗、高帽、牛津斜纹软呢外套，蹩脚的伦敦腔，这哪里还像个美国人。不过，沙普利稍后的一次晋升解决了这种尴尬的气氛。1921年，沙普利因为其在当时还未解决的大辩论中的突出贡献被调往哈佛大学天文台担任主任，而避开了沙普利的哈勃终于如愿以偿的得到了更多使用那台100英寸虎克望远镜的时间。
1923年10月4日，哈勃第一次的伟大发现来临了。这一天他把望远镜对准了仙女座M31曝光了40分钟，结果底片上出现了一个新的斑点。哈勃不确定这是污渍还是一颗新星，于是第二天他再次拍摄M31并增加了5分钟的曝光时间，斑点又一次出现。而且由于这天观测条件极佳，该斑点的附近还多出了另两个点。哈勃在它们的旁边注上了字母N，这代表疑似的新星。下面当然是要确认这三个斑点到底是不是新星，也许以前就已经有人拍到过它们呢？经过和天文台历史照片的比对，三个斑点中有两个确实是新星，但第三个点很奇怪，在有些底片上它存在过，而在另一些底片上却无踪无影，毫无疑问这是一颗亮度会改变的变星。哈勃异常兴奋的把它旁边的N划掉，改成了VAR。哈勃为什么如此高兴，因为这是人类在所有的星云中找到的第一颗变星。变星能够测距，这意味着哈勃很快就可以知道仙女座的距离，它是不是位于银河系当中一算可知。计算结果是仙女座距离地球大约90万光年，而银河系的直径只有10万光年。结论显而易见，大辩论终结了！哈勃把这些结果寄给了沙普利，沙普利看后喃喃的说“就是这封信捣毁了我的宇宙。”
岂止是毁了旧宇宙，哈勃的成就还没有完结，他很快就会创造出一个新的更加奇异的宇宙。
在当时，利用光谱分析和多普勒效应测量恒星运动速度已经是稀松平常的事儿，已知的恒星速度一般都处在每秒几千米到几十千米的范围内。1912年，一位前外交官半路出家的天文学者维斯托·斯里弗（VestoMelvin Slipher）发现了一件奇怪的事儿，他把测速对象对准了星云，结果发现了光谱蓝移。当时大辩论还在进行，大部分天文学者都相信星云在银河系内，可是仙女座的蓝移说明它正在靠近地球，速度高达300千米/秒。这个速度大的有些让人吃惊，连斯里弗自己都没有把握，所以他又测定了草帽星云。这次是红移，推算出的速度竟然高达1000千米/秒，这已是光速的1%了，以此速度从伦敦到纽约只要6秒，情况有些不同寻常起来。星云的速度怎么会这么大呢？到了1917年，斯里弗已经对25个星云的速度进行了测定，发现其中的21个出现退行性的红移，只有四个是靠近性的蓝移。再接下来的10年间，越来越多的星系测定表明它们绝大部分都在快速的后退。为什么地球会像一个中央帝国一样如此不招人待见呢？这幅图景可不太妙，因为它打破了天文学家预期中的稳态宇宙所需要的某种平衡。对此，人们给出了各种各样的解释，莫衷一是。接下来，就该哈勃出场了。哈勃的特点是，从来不主动提出解释和观点，他只在意观测。他的名言是“除非已经穷尽实证手段，否则不需要借助梦幻般的想象”。
维斯托·斯里弗（Vesto Melvin Slipher）
这次哈勃要依赖于一个小伙伴的帮忙，米尔顿·赫马森（Milton Lasell Humason）。这个家伙原来只是威尔逊山酒店的服务员，有时给天文台送快递结果喜欢上了天文学，后来担任了天文台的门卫。当时的威尔逊山上流传着一个传说，说他们的天文台有个看门人，每天的天文学本领都在快速增长，感觉就像少林寺的扫地老僧一样。赫马森没有那么神，但他确实是一个天生使用望远镜的奇才，微调仪器的本领无人能出其右，这让他成为哈勃最得力的助手。在研究中，赫马森负责追踪星系的多普勒频移，哈勃则测量星系的距离。说真的，这两个性格迥异的人能组成一个组合也真的是够奇葩，他们一个十足的英国绅士派头，另一个则天天到酒吧喝黑豹汁，那是一种非法酒精勾兑的烈性酒。
哈勃和赫马森
到1929年，哈勃和赫马森已经测量了46个星系的红移速度和距离。在把其中一半的测量误差较大的数据排除后，哈勃将其余可靠的数据中星系的距离和退行的速度作为两个变量画在了同一张图上，这张图的横轴是哈勃的成果，纵轴则是赫马森的杰作。结果，哈勃他们认为这些数据点近似呈现出一条直线的形状，这说明距离和退行速度不是随机的，而是成正比关系。一颗恒星如果距离远3倍的话，退行的速度也会快3倍。这个推论可不得了，如果宇宙的退行规律真是如此的话，那它在遥远的过去就极有可能是浓缩在一个很小的区域里。未来大爆炸理论的胎盘就在此时出现了。
尖锐的质疑接踵而来，主要的炮火都对准了哈勃所说的近似呈现出直线的那副样本图。许多人都说，这些点看起来非常凌乱，硬说它们分布在直线附近太过勉强，完全可以用其他形状的曲线来拟合这些样本点，或者也可以说它们完全没有显示出任何的形状来。哈勃不喜欢争论和解释，他能做的就是更多的测量。此后两年间，哈勃和赫马森继续在深夜埋头工作，捕捉更多的更遥远的星系的运动。到了1931年，新的数据图形做出来了，这个时候就连最挑剔的学者也不得不承认，它确实是一条直线。星系距离和退行速度成正比，哈勃定律由此诞生。这个定律还有一个极其重要的推论。由于星系退行速度和当前的距离已经测定，用距离除以速度就得到了星系的退行时间，很显然这就是宇宙从极小区域膨胀到今天的规模所经过的时长，哈勃认为这就是宇宙的年龄，也被称作哈勃常数，其数值是18亿年。
宇宙正在膨胀，哈勃的观测证据和弗里德曼、勒迈特等人的理论成果互相吻合在了一起。弗里德曼不够走运，他没有等到这一天就静悄悄的离开了人世，勒迈特则幸运的多，在遭受了足够多的质疑和无视后，哈勃终于让他的工作获得了认可。勒迈特曾给爱丁顿写信介绍自己的理论，结果没有得到任何回复。现在，勒迈特再次致信给爵士，爱丁顿终于意识到自己的重大错误。他在1930年6月去信权威的《自然》杂志称自己在3年前本应该注意到勒迈特的工作，并把勒迈特的论文推荐发表在《皇家天文学会月刊》上，评价是“对此问题的完整的答案”，一个“绝妙的解”。此后人们对于宇宙膨胀的认识在快速加深。爱丁顿把宇宙的膨胀过程比喻成一个吹气的气球，星体就是气球皮上的斑点。天体其实没有移动，它们看起来的退行只是空间本身的膨胀所致。所以严格的说，赫马森看到的光谱红移也不是多普勒效应。这个气球比喻还可以很好的回答人们对于宇宙膨胀理论会重新的把地球变为宇宙中心的疑虑，所有的星体固然看起来好像都在以地球为中心四下扩散，但其实如果站在气球皮上的任何一点，你会产生完全相同的中心感体验，处处都是中心也就是没有中心。当然，光是过了爱丁顿这关是不够的，物理学最大的权威仍然是爱因斯坦。在整个20年代，也许是感觉到自己的广义相对论已经解决了一切，爱因斯坦失去了研究宇宙的兴趣。随着1931年初，他来到威尔逊山天文台访问，老婆口中“显得孤陋寡闻”的爱因斯坦在哈勃的助手赫马森的介绍下，欣赏了巨大的天文望远镜和众多的天文照片。2月3日，他向云集此地的媒体公开宣布，放弃静态宇宙学说支持膨胀宇宙模型。宇宙常数，这个被爱因斯坦称为“有昧于良心”的“丑陋的东西”终于从广义相对论方程中被抹去了。
爱因斯坦参观天文台
勒迈特终于成名了，他最喜欢的一个比喻是：“在万物开始的时候，有一束美丽的烟花。一声爆炸后，烟雾充盈了世界。可惜我们来的太晚，无法见证造物主创生时刻的辉煌灿烂。”造物主？这个词引起了许多科学工作者的警惕，这个和哈勃一样大出风头的人可不像绅士哈勃一样只是乐于在镁光灯下讲讲自己决斗的故事或者到奥斯卡颁奖典礼上接受众星的膜拜，勒迈特是一位虔诚的牧师，这个身份也帮助他吸引了更多人的眼球。他的原子理论难道不是一种现代版的《创世纪》吗？他是不是在为宗教寻找某种伪科学的证明？然而要想驳斥牧师，烟火宇宙的批评者们，面对哈勃提出的坚实的证据不得不去思考和寻找勒迈特-哈勃体系的硬伤。这个硬伤其实很容易发现，只要低头看看脚下的石头，证据就在那里。地球上当时已经发现的最古老的岩石年龄为34亿年，而哈勃测量的宇宙年龄不到20亿年。先有了儿子的一只脚才有了母亲，这不是扯淡什么是扯淡。然而仅仅找到对方的问题还不够，自己的弱点也有补强才行，坚持保守的稳恒宇宙论的人必须在自己的框架下能够解释哈勃红移才可以自圆其说。我记得一位鞋匠曾经对我说过一句话：“鞋子都是你自己不想要而不是因损坏才被扔掉的，只要你想修它就一定可以穿下去。”这个话真的是经典，对于物理理论它同样适用。弗里茨·兹维基（FritzZwicky）就是一位稳恒宇宙的修鞋匠。这个以顽固和保守著称的保加利亚人最喜欢讽刺别人，把别人称为混球。这个混球可不是中文词汇，这个混球的意思是一个人像一个球体一样坏，从任何方向看过去，坏的程度都完全相同。我从来没想过，混球还有各向同性的物理含义。
兹维基的创造性可不仅仅体现在发明混球上，他还创造出了光疲劳理论。哈勃不是发现红移了吗？那不是星体在后退，只是光线跑了那么远，累了，能量降低了，所以才会变红。这就和往天上扔石头一个道理，越向上能量就会越弱。这和宇宙膨胀没有半毛钱关系。如果说光疲劳的解释还算是理论上的讨论的话，那么兹维基老毛病复发，无端的攻击赫马森等人因为要拍哈勃的马屁而故意修改了数据，则实在是令人反感。而且，就算是光疲劳的说法其实也是不靠谱的，因为它顶多只能占有红移幅度当中非常小的一部分。爱丁顿曾经评价道：“在解释哈勃红移的问题上，并没有为光疲劳理论留下空间。”
弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky）
然而，这丝毫不等于对宇宙爆炸起源论的批评或讨论曾经停止过，毕竟宇宙年龄和地球岩石年龄抵触的那个硬伤还摆在那里。而且如果只是要解释哈勃红移所推论出的宇宙膨胀这个事实的话，其实有很多套路的。比方说，如果你坚持认为宇宙从诞生到现在一直是在膨胀的，那它当然得开始于一个极小的尺度？但是，宇宙为什么不可以是从一个比现在的规模稍微小那么一点点的状态开始膨胀的，如果这样的话，膨胀的过程只要很短的时间就够了。爱丁顿就是这样的渐进变化论者，他不太赞成烟花式的膨胀观，而是认为宇宙的早期也许经历了漫长的稳恒状态，但在后来一些微小的改变打破了平衡，才开启了平稳的宇宙膨胀过程，正如人类此时之所见。除此之外，爱丁顿还提出了更大的脑洞，为什么一定要认为是宇宙在膨胀呢，难道不能是所有的原子同时在缩小吗？其实，说来说去，爱丁顿的这种种设想还包括当时许多其他研究者给出的宇宙演化图景都在说明一个问题，那就是爱丁顿在1933年所著的《膨胀的宇宙》一书中所总结的一句话，哈勃红移现象“太过纤薄，尚不足以支撑深远的理论”。
宇宙的烟花要想继续燃放，人们还需要更多的燃料。
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书名：《大爆炸简史》
作者：西蒙·辛格
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