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宇宙大爆炸传奇-11

2019.02.15

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宇宙大爆炸传奇-11 来自琦记杂谈 14:22

在伽利略时代,他就通过望远镜看到了大量的恒星,数量比用肉眼看多的多。后来到了哈雷时代就发现好像这些恒星也不是稳定不动的,其实它们都在运动,恒星也是天体,既然是天体那恒星也会存在远和近,也存在物理结构,之后有人就提出来说这些恒星都不是独立存在的,它们之间是有联系的。到了1750年,英国天文学家赖特就提出了系统,他认为天上所有的恒星和银河一起组成了一个巨大的系统,它的形状应该就像一个煎饼或者车轮,我们的太阳系也在其中,站在这个系统往外看就可以看到银河的形状,他猜想这个银河的轮廓不整齐,很有可能是因为太阳系不在银河的中心所致,因为要在中间的话那往哪边看都一样。在1755年,德国哲学家康德就在他那本《自然通史和天体论》里发展了赖特的思想,他就认为这些看上去跟云雾一样的天体是要比恒星大几千倍的恒星世界,他其实说小了,几千倍是远远不够的,其中每一颗恒星都是联系在一个共同平面之上的,这样就组成了一个整体,他就觉得这些恒星都是有组织有纪律的,他还觉得整个宇宙就是由无限个这种天体结构组成的,他就把这些星系称为宇宙岛。在1761年,德国学者就提出无限阶梯宇宙模型,他认为太阳是一级体系,太阳和周边的恒星构成的恒星集团是第二级,银河系就是这种恒星集团的总和为第三级,就跟俄罗斯套娃一样,就这样无限延伸下去就构成了宇宙。 

伊曼努尔·康德

 那时候很多东西看不清楚,用望远镜看也是模模糊糊,康德说星云是恒星组成的星系,那有人就不同意这个说法,他们认为既然叫星云那就应该是云才对,这时候有个音乐家就站出来了,他叫赫歇尔,他是一个半路出家的天文学家,最强的手艺就是磨制望远镜,他们家后来都快成望远镜作坊了,他还把他弟弟妹妹儿子全拉下水一家人在那研究天文,他最著名的成就就是发现了天王星,他还对恒星和星云做了大量的研究,坚持对天上的星星进行统计。统计星星这看不是简单的事,那是要一个一个数的,他进行了1083次观测,一共数了683个观测天,里面数了117600颗恒星,获得了非常多的资料,他就发现银河附近的恒星数量比别的地方的数量要多的多,大部分星星是集中在银河附近的。在1785年赫歇尔就画了一个银河系的轮廓图,那个轮廓参差不齐,太阳在最中间,其实太阳不在中间,但是他任性啊,非要把太阳放中间,这画出来就不成样子了。赫歇尔是首个通过观测手段证实银河是由很多恒星组成的一个天气系统,这就是银河系,我们看到的这些星星不是各自独立的,而是都有组织有纪律的在运动。赫歇尔当时还做了一个很有影响力的事,那就是对星云进行观测。他用他弄的在当时算是首屈一指的人间大炮对准了云雾状天体,他搞这大炮就是用来观测这些天体的。他一共选了29个观测对象,结果这些星云绝大多数都被分解成了非常暗弱的恒星组成的集合体,赫歇尔就认为这些星云也就是星系那跟我们银河系是一样的,他认为望远镜里分不出的那些星云也可能是因为自己望远镜不够大导致的,望远镜要厉害了一样能分出来,所以不着急,慢慢来。那因为赫歇尔很有名望,所以他的结果一发表出来影响非常大。还是有一些星云分解不开,那这事就没办法做个定论,星云到底是啥没人能说清,赫歇尔发现一个星云中间有一颗恒星,恒星周围就有那种云气状的结构,这赫歇尔就抓瞎了。他之前先说的星云不是恒星构成的,所以就管它们叫行星状星云,后来我们知道了这些行星状星云说白了就是一些老恒星临死前进行爆炸的痕迹,爆炸就喷成了这么一个云团,有些星云看起来就很漂亮,最著名的就是那个猫眼星云。后来爱尔兰的威廉·帕森思也开始磨望远镜,尺寸比赫歇尔的还要大,他还甚至发明了蒸汽磨镜机,开始用机器去打磨了,但观测结果是很多星云仍然无法分解开,没办法把它分解成一个一个的恒星。人们就这样折腾了很久仍然对星云没有一个统一的说法。就在这个时候碰到了物理学大发展,这就给天文学提供了不少新的技术手段,天文学家发现星体是可以给它测光谱的,星云的光谱都还不一样,有的星云光谱里明亮的部分到了另外的星云里就变成了暗线。有人就说那能不能根据光谱来给星云区分类别,大家一听觉得这是个好主意啊,结果忙乎了一阵发现这样行不通,因为有的星云既没有亮线也没有暗线,这就头疼了。就这事这帮天文学家吵了200多年,结果还一直没有一个定论。 

威廉·赫歇尔

 在科学家不停争论的这些年里,这个世界上出大事了,那就是这个地球上有一个国家开始崛起了,这个国家就是美国。赫歇尔正在研究恒星结构的时候美国爆发了独立战争,科学家在研究恒星独立光谱的时候美国恰好在打南北战争,打完了南北战争美国就进入了飞速发展的阶段。比如说发明重机枪的那个马克沁,他是1840年出生,打完南北战争的时候他正好是当时的发明大王。1847年,爱迪生出生,发明电话的亚历山大·贝尔也是1847年出生。后来证明光速不变的麦克尔逊莫雷实验的麦克尔逊是1852年出生的,莫雷要比麦克尔逊早一点,是1838年出生。可以发现美国人创造力最旺盛的时候就是南北战争结束之后的这么一段时间。企业方面呢,大财阀摩根是1837年出生,报业大王普利策是1847年出生,洛克菲勒1839年出生,当年的小伙子现在变成了肌肉男,美国有钱啦,技术方面就还是腾飞了,但理论科学还是很薄弱,毕竟欧洲的科学底蕴非常深厚,理论科学那就是在英国那帮人,比如胡克啊牛顿啊,后来转到了法国,比如拉普拉斯啊拉格朗日啊居里夫人啊,后来又转到了德国,比如爱因斯坦啊普朗克啊,那美国是跟欧洲没法比的。不过美国人有钱啊,有钱就好办事了,他们理论不行,就从实验性和观测性方面入手。他们出了一个天文学家叫海尔,海尔在研究太阳方面很有建树,发明了单色光照相机,有了这东西就可以去观察以前看不到的太阳色球层的运动了,比如说日珥之类的,所以这东西也俗称叫日珥镜。日珥的爆发只有在色球层才能看到,因为色球层颜色暗很多,不把光球层的光给过滤掉那就根本看不见。不过海尔对天文学最大的贡献还不是这个,他最大的贡献就是给学会拉了赞助,游说了金融家叶凯士出资修建了叶凯士天文台,而且在天文台里安装了当时世界上最大的一米口径的折射望远镜,这尺寸在折射望远镜里算大的了,因为如果要再大那镜片就受不了了。天文台到1897年建成,结果海尔还是不满意,他又开始鼓动那边一个叫胡克的商人出钱在威尔逊山天文台修了一个2.54米的反射望远镜,号称叫一百英寸望远镜,这是在1917年建成的,打这起往后31年时间里它都是世界上最大的望远镜。到了1928年海尔又筹钱建造了一个200英寸的望远镜,后来放到了帕洛玛山天文台,这个望远镜因为二战的原因被拖了下来,到了1948年才建造完毕,不过这时候海尔已经去世了,后人为了纪念他就把这个望远镜称之为海尔望远镜。他一生最大的贡献就是鼓动一帮商人掏钱造望远镜,这些大望远镜得到的成果那可比海尔一个人单打独斗出的成果大的多啊。天文学是一个玩观测的学科,那有了趁手的家伙成果肯定出的多啊,美国人思路也很清楚,理论比不上欧洲,那就先搞实践,人才没办法用钱砸出来,只能出去碰运气去发现,但是仪器设备是可以用钱砸出来的啊,这也是一条路。 

叶凯士天文台及爱因斯坦等科学家合影

 海尔在芝加哥大学当过教授,当时学生里面也有很多很崇拜海尔做的那些贡献,里面有一个学生就爱上了天文。海尔当教授没当多久,就去了叶凯士天文台当台长,这年轻人后面折腾了一阵也去了叶凯士天文台当研究生,不过这时候海尔已经走了,他去搞那个威尔逊山天文台了,他要造更大的望远镜。后来一战就开打了,这年轻人躲不开就去当了两年兵。到了1919年,就在开巴黎和会,爱丁顿就领着一帮人在观测星光,爱因斯坦就在欧洲等消息,这个年轻人就去了威尔逊山天文台工作,做了海尔的手下,这个年轻人就是后来大名鼎鼎的埃德温·哈勃。哈勃来的时候刚好是大望远镜建成的第二年,算是一台新设备,哈勃也很兴奋啊,这东西太好玩了,他就把精力投入到星云的问题上。这个问题的关键不在于能否把星云分解成一颗一颗的恒星而在于它对于我们距离的远近,那它们的距离要怎么测呢?要测距离就缺少不了一把量天尺。在19世纪90年代,哈佛大学天文台就招募了一帮聋哑女性,让她们对天文台的照片进行分析,测量对比之类的工作,这也算是对残疾人就业的一种福利。在1893年有一个姑娘叫乐维特就加入了这个工作,她就注意到在小麦哲伦云里的一颗变星的变光周期越长,亮度变化就越大,变光幅度也就越大,这个变星就被称之为造父变星,当然了这是咱们中国人的命名,那是因为第一个发现的这种星叫做造父一,所以中国人就管它叫造父变星。它们的光度会发生周期性变化,其实北极星也是一颗造父变星,只是它的光度变化非常小,连1%都不到,那肉眼就无法分辨出来了。在1908年哈勃就把初步结果发表在了哈佛大学的天文台年报上面。小麦哲伦云范围很小,它是一个矮星系,那我们在地球上基本就可以认为小麦哲伦里的恒星距离远近离我们都差不多,一个天体的亮度,它离我们近就亮,远就暗,那恒星离我们距离差不多的话,谁亮谁暗就能分得清了,就可以排除掉这个距离的因素。经过研究之后,到了1912年就确定了造父变星的周期和变光光度的关系。1915年天文学家就开始用造父变星作为量天尺计算出了银河系的大致范围,这哈勃手下的世界最大望远镜果然是厉害。 

埃德温·哈勃

 哈勃在拍摄仙女座大星云M31和附近的M33星云照片里面,他发现经过这么长时间对比,拍的这两造父变星里面还有其他星星会忽明忽暗,这就是一个重大发现了。哈勃观测了好久,统计了很多数据,把光变周期算出来了,那么现在知道了光变周期,我们就可以算出来。知道了光变周期之后就可以算出来仙女座大星云大致的距离了,那当时计算的结果大概是80万光年。而放到今天我们知道准确的数值是220万光年,哈勃当时计算的结果少了,这是因为当时的照相底片不是特别准,存在比较大的误差。这消息一出来天文学界就震惊了,这是因为银河系大多数的星星离地球也就是10万光年左右,仙女座当时测出来就是80万光年,看来它根本就不在银河系里啊,那这就是两块星系了,仙女座大星云看起来是跟银河系一样平起平落的大星系,甚至看起来比银河系还要大不少。天文学界200多年时间吵的事现在终于有答案了,这就是哈勃的一大贡献。在望远镜里那些没办法分解出来的星云啊那些气体啊那些都是我们银河系里的天体,而那些像大风车一样,看着很遥远很模糊的天体实际上就是类似于我们银河系一样的星系。从此哈勃名声大噪,然后他再接再厉,到了1929年他又拿出一个成果,还是跟星系有关。他分析了二十多个星系的光谱,他发现距离地球越远的星系红移越厉害,离的近的星系红移反而不明显。这个红移就是说观察天体的光谱,可以看到很多谱线,这些谱线就像指纹一样是有独立特征的,因为每个天体上都有氢啊氦啊这些元素,这些元素就会在光谱上留下自己的指纹,那就可以通过分析天体的光谱来分析天体上有哪些化学成分。不过哈勃观测发现同一个天体的光谱每个星期都不太一样,大部分都是略微会往红端移动一点点,这就是所谓的红移了。哈勃认为造成这种偏移的原因就是星系的运动,星系它不是静止在那的,而是在远离我们而去,这样光谱就会偏红,因为远离我们而去光的频率就降低了嘛,哈勃认为这就是多普勒效应。多普勒效应我们中学物理课上都学过啊,一辆汽车鸣着喇叭靠近我们又远离我们的时候,音调是逐渐变高然后又逐渐降低的,这个就跟哈勃认为的是一个道理。不过后面我们会说到这个红移的原因并不是多普勒效应,这个后面再说。那么既然这个红移跟退行速度也就是离开我们的速度是有关的,哈勃就提出了著名的哈勃定律,他认为退行速度和距离是成正比的,这个比值被称为哈勃常数。也就是说一个星系离我们越远,那它跑的也就越快,所有的星系都在远离我们。哈勃定律的提出又让天文学界震惊了,原来这个宇宙不是静态的啊,它是一直在膨胀。物理学界也震惊了,尤其是前面提到的勒梅特神父,他一听这消息开心坏了,他还特地跑美国去找哈勃见了一面,两个人好好聊了聊天,不过估计两个人说的对方都听不懂,勒梅特是理论物理学家,他跟搞观测的哈勃不是一类人,知识体系也不一致,所以也不知道他们到底说了啥。

 勒梅特和爱因斯坦

 回来后勒梅特还是很兴奋,他就提出了一个非常大胆的假设,他说既然今天宇宙里所有的星系都在远离我们,那么在过去相互之间一定比现在靠的要近,那么就不断往前追溯,很久很久以前所有的星系会不会都紧挨在一起,那再往前推,是不是所有的星系都压缩在一起,难不成我们的宇宙是从一个蛋里蹦出来的?对于神父来说,他估计心想,哎呀上帝你还会下单啊,圣经里没写啊。欲知后事如何,请看下回分解。


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