（圖片作者：Matipon Tangmatitham）

1928年的一天,，美國威爾遜山天文臺(tái)的天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）詢問他的觀測助手赫馬森 （Milton L Humason）：“你是否愿意和我一起試驗(yàn)一下測量星云的紅移,？”  這一年哈勃39歲，已經(jīng)是美國科學(xué)院最年輕的院士,。4年前他測量了一系列星云的距離,，這些測量使人類第一次確定，銀河系并非宇宙的全部,，夜空中的漩渦星云實(shí)際上是一個(gè)個(gè)和銀河一樣璀璨的恒星世界,，也就是所謂的”河外星系”。這個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)為他帶來了巨大的聲譽(yù),。當(dāng)他和妻子在歐洲旅行的時(shí)候,，處處受到人們的歡呼，好像他們是皇家貴族,。頻繁社會(huì)活動(dòng)使得哈勃親自爬上望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間減少,，卻沒有減少他對星系世界奧秘的渴求。在歐洲的旅行中,，哈勃獲得了靈感,，開始醞釀一個(gè)新的觀測計(jì)劃。

所謂紅移是指星系光譜的移動(dòng),。星系發(fā)出的光并不是單色的,，而是由不同波長的光組合成的。光束能量在不同波長的分布就稱作光譜（圖1）,。 如果星系相對地球有運(yùn)動(dòng),，按照多普勒效應(yīng)，星系的光譜會(huì)發(fā)生移動(dòng),。當(dāng)星系朝向地球運(yùn)動(dòng),，它發(fā)出來的光，波長會(huì)變短一些；如果星系遠(yuǎn)離地球而去,，它發(fā)出來的光,，波長就會(huì)變得長一些。在光學(xué)天文領(lǐng)域,，天文學(xué)家習(xí)慣將短波長方向稱作藍(lán)端,，而將長波方向稱作紅端。因此,，星系光譜的變化就被對應(yīng)的稱作“紅移”或者“藍(lán)移”。

圖1  星系的紅移和藍(lán)移示意圖,。當(dāng)星系向觀測者運(yùn)動(dòng),，光譜會(huì)向藍(lán)端移動(dòng)，反之則向紅端移動(dòng),。光譜中間的黑線是一條吸收譜線,，在靜止坐標(biāo)系里譜線的位置完全由原子物理決定，它可以作為測量光譜移動(dòng)的探針,。

早在1914年,，美國天文學(xué)家斯里弗（Vesto Slipher）就宣稱，夜空中的星云都在遠(yuǎn)離地球而去,，因?yàn)樗鼈兊墓庾V普遍存在光譜紅移的現(xiàn)象,。而且，斯里弗發(fā)現(xiàn)越暗的星云遠(yuǎn)離太陽系的速度就越快,。但是在1914年斯里弗還無法確定星云的本質(zhì)是什么,，也就無法確切地闡釋這一現(xiàn)象的原因。在進(jìn)行了十幾年的研究后,，被測量誤差困擾的斯里弗不得不放棄了這個(gè)領(lǐng)域,。1928年，由于哈勃的工作,，天文學(xué)家已經(jīng)知道了星云其實(shí)是銀河系外的恒星世界,。測量星云紅移 （或者應(yīng)該正確的稱作河外星系紅移）就是測量星系遠(yuǎn)離銀河系的速度。在哈勃看來,，這種研究將為繪制河外空間的疆域提供重要線索,。

哈勃知道自己具有兩個(gè)斯里弗不具備的優(yōu)勢。首先,，哈勃有辦法測定河外星系的距離,，因此他可以研究河外星系紅移和距離之間的關(guān)系，而這對探索宇宙的結(jié)構(gòu)具有重要的意義,。哈勃的第二個(gè)優(yōu)勢是他可以使用當(dāng)時(shí)世界上最好的望遠(yuǎn)鏡——威爾遜山天文臺(tái)的100英寸胡克望遠(yuǎn)鏡,。當(dāng)時(shí)科學(xué)界對斯里弗工作的數(shù)據(jù)質(zhì)量比較懷疑，猜測他觀測到的紅移可能不夠準(zhǔn)確。胡克望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)比斯里弗使用的洛厄爾天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大,，因此哈勃不但可以比斯里弗拍攝更暗的星系,，而且可以以更高的精度獲得紅移。

事實(shí)上,，哈勃還有第三個(gè)優(yōu)勢,，那就是赫馬森的經(jīng)驗(yàn)。拍攝星云的光譜,，需要長時(shí)間的曝光,，對天文學(xué)家的觀測技巧和耐心要求很高，而赫馬森是威爾遜山天文臺(tái)最優(yōu)秀的觀測天文學(xué)家,。赫馬森14歲輟學(xué),，沒有受過高等教育，開始是以雜工的身份加入威爾遜山天文臺(tái),，但他高超的望遠(yuǎn)鏡操作能力很快折服了天文臺(tái)的天文學(xué)家沙普利 （Harlow Sharpley） 和臺(tái)長海爾（George Hale）,，成為了正式的駐站觀測人員。在過去十幾年里,，威爾遜山天文臺(tái)最重要的觀測結(jié)果都有他的功勞,。哈勃自己當(dāng)然也是一個(gè)優(yōu)秀的觀測家，但是現(xiàn)在他已經(jīng)慢慢離開觀測第一線,，赫馬森就成了保證他計(jì)劃成功的重要一環(huán),。

讓我們來簡單回顧一下天文學(xué)家測量天體距離的手段。

天文學(xué)上最準(zhǔn)確的距離測量來自于視差法（圖2),。地球在公轉(zhuǎn)軌道上運(yùn)行的時(shí)候,，近處的恒星會(huì)因觀測者視線方向的變化而產(chǎn)生相對恒星背景的位移。觀測者通過觀測目標(biāo)天體在一年中相對恒星背景的變化,，就可以通過三角法計(jì)算出目標(biāo)天體的距離,。但是視差法無法測量非常遠(yuǎn)的天體，那些天體在天球上的移動(dòng)太慢了,。例如哈勃當(dāng)初就無法用視差法測量河外星系的距離,，而不得不使用造父變星測距。

圖2  視差法測距,。地球繞太陽運(yùn)動(dòng),，因?yàn)橐暡畹脑颍谲壍赖膬啥?點(diǎn)和2點(diǎn)處,，觀測者看到目標(biāo)天體位置會(huì)從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn),。利用三角法，觀測者可以從AB之間的差別計(jì)算目標(biāo)天體的距離,。圖片來源：http://abyss./~js/images/parallax.gif

造父變星是一類亮度周期變化的恒星（圖3）,。造父變星的周期越長,，其真實(shí)亮度就越大。這個(gè)規(guī)律被稱為”周光關(guān)系”,，由美國天文學(xué)家勒維特發(fā)現(xiàn),。造父變星這樣的天體在天文學(xué)研究中被稱作標(biāo)準(zhǔn)燭光。造父變星就好像一個(gè)個(gè)出廠功率標(biāo)定的燈泡,。天文學(xué)家通過比較這些燈泡的觀測亮度和它們的真實(shí)亮度,，就可以計(jì)算它們的距離。需要讀者注意的是,，就好像燈泡的額定功率需要實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn),，造父變星的”周光關(guān)系”也需要其他獨(dú)立的觀測校準(zhǔn)。怎么做呢,？天文學(xué)家首先對臨近地球的造父變星進(jìn)行”視差法”測距,。這樣這些造父變星就有了一個(gè)獨(dú)立而精準(zhǔn)的距離測量，這個(gè)距離可以用來標(biāo)定它的”周光關(guān)系”,。之后，天文學(xué)家就可以將標(biāo)定好的”周光關(guān)系”用于更遠(yuǎn)處的造父變星了,。

圖3  造父變星是一種脈動(dòng)天體,，它的體積會(huì)周期性的變化。當(dāng)造父變星變大時(shí),，就會(huì)顯得更亮,。而越亮的造父變星，光變周期也越長,。圖片來源：http://www.mso./~jerjen/researchprojects/cepheids/cepheid-variables.jpg

造父變星是比較亮的恒星,，但它畢竟也只是一顆恒星。當(dāng)河外星系距離銀河系超過150萬光年后,，即使威爾遜山天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡也無法分辨出其中的造父變星,。這時(shí)候，哈勃必須尋找新的標(biāo)準(zhǔn)燭光來測量距離,。而新的標(biāo)準(zhǔn)燭光,，則需要造父變星來進(jìn)行校準(zhǔn)。這樣利用不同的測距方法,，一級一級向宇宙深處邁進(jìn)的研究方法,，被哈勃稱作宇宙的”距離階梯”。

1928年到1936年間,，哈勃和赫馬森尋找的第三級階梯是星系中最亮的恒星,，哈勃假設(shè)它們的絕對亮度和銀河系中最亮的恒星相同。第四級階梯則是星系團(tuán)的亮星系,，哈勃假設(shè)在星系團(tuán)中第五亮的星系總是具有相似的亮度,。用今天的眼光來看，這兩級新的距離臺(tái)階遠(yuǎn)不如前兩級臺(tái)階穩(wěn)固。但無論如何,，哈勃利用它們開始了自己的宇宙探索,。

哈勃的計(jì)劃野心勃勃，他們觀測的第一個(gè)星系就比斯里弗所有的星系都暗,，顯示了胡克望遠(yuǎn)鏡的強(qiáng)大威力,。這個(gè)星系像預(yù)料般的顯示出了比以前所有星系都高的紅移，它以大約3000千米/秒的速度逃離地球,，是之前斯里弗測量到的最高紅移星系的兩倍,。到1929年，哈勃和赫馬森已經(jīng)收集了四十多個(gè)個(gè)星系的紅移,，但能夠測量距離的星系只有24個(gè),。

1929年哈勃發(fā)表了這批觀測結(jié)果。這篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文只有短短六頁,。在論文中,，哈勃將這些星系的紅移和它們的距離對應(yīng)起來，畫在一張圖上（圖4）,。讀者驚奇地發(fā)現(xiàn)這些星系遠(yuǎn)離地球的速度v正比于星系的距離D,。哈勃用大寫字母K代表星系退行速度和星系距離的比值，計(jì)算出K=500 km/s/Mpc,。這里Mpc代表百萬秒差距,，是一種天文距離單位。百萬秒差距大約等于326萬光年,。換句話說,，哈勃的觀測意味著一百萬秒差距外的星系正在以500千米每秒的速度遠(yuǎn)離地球。這就是著名的紅移距離關(guān)系,。為了紀(jì)念哈勃的貢獻(xiàn),，后來的研究者將這個(gè)關(guān)系稱作”哈勃定律”，并在論文中用哈勃形式的首字母H來代表比例系數(shù),。

為什么星系會(huì)存在速度-距離關(guān)系,？1929年的論文中，哈勃沒有過度闡釋這個(gè)關(guān)系的內(nèi)涵,，只是談到它可能反應(yīng)了宇宙學(xué)家談到的時(shí)空效應(yīng),，并沒有進(jìn)一步闡述。但這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓理論宇宙學(xué)家們激動(dòng)不已,，他們意識(shí)到,，哈勃發(fā)現(xiàn)的可能是宇宙膨脹的直接證據(jù)。

圖4  1929年哈勃畫出的速度距離關(guān)系,。圖中每一個(gè)實(shí)心點(diǎn)是一個(gè)河外星系,，橫坐標(biāo)表示星系的距離,，縱坐標(biāo)表示星系遠(yuǎn)離地球的速度（Hubble E, 1929, PNAS, 15, 168）。

怎樣理解宇宙的膨脹,？我們可以把宇宙空間想像成一塊巨大的面包,，而星系是這塊面包上的葡萄干。當(dāng)面包在烘烤過程中膨脹,，葡萄干就會(huì)隨著面包的膨脹遠(yuǎn)離彼此（圖5）,。在最初相聚越遠(yuǎn)的葡萄干，在膨脹的過程中遠(yuǎn)離彼此的速度也就越快,。

圖5  當(dāng)面包在烘烤過程中膨脹,，葡萄干就會(huì)隨著面包的膨脹遠(yuǎn)離彼此。在最初相聚越遠(yuǎn)的葡萄干,，在膨脹的過程中遠(yuǎn)離彼此的速度也就越快,。圖片來源：http://ffden-2.phys./212_fall2003.web.dir/eli_sonafrank/rasin_bread_expansion.jpg

在牛頓的絕對時(shí)空觀中，空間的膨脹是無從解釋的,。但是進(jìn)入20世紀(jì),，愛因斯坦已經(jīng)為人們提供了廣義相對論，在后者的框架下,，宇宙的膨脹行為是由宇宙中所包含的物質(zhì)決定的,。事實(shí)上，早在1917年,，愛因斯坦自己就將相對論理論試用于研究宇宙的動(dòng)力學(xué)行為。他發(fā)現(xiàn),，如果假設(shè)宇宙中的物質(zhì)在大尺度上均勻分布（后來被稱作宇宙學(xué)原理,，但那時(shí)候觀測還遠(yuǎn)不支持這個(gè)猜測，但是愛因斯坦不在乎）,，那么根據(jù)廣義相對論,，宇宙空間不能夠靜態(tài)穩(wěn)定，除非人們在方程中引入一個(gè)常數(shù)因子,。這個(gè)常數(shù)因子后來被人們稱為宇宙學(xué)常數(shù),。

但是在幾年后，俄國科學(xué)家弗里德曼（Friedmann）利用相對論進(jìn)一步研究了宇宙的動(dòng)力學(xué)行為,，他發(fā)現(xiàn)即使加上這個(gè)常數(shù)的因子,，宇宙還是很難穩(wěn)定存在，因?yàn)楹苄〉臄_動(dòng)就可以使得宇宙偏離穩(wěn)定狀態(tài),，對于一個(gè)物質(zhì)均勻各項(xiàng)同性分布的宇宙,，膨脹或者收縮是一個(gè)自然的狀態(tài)。有趣的是弗里德曼此人本職并不是物理學(xué)家,，而是數(shù)學(xué)家,。他的主要工作是將流體和氣體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用到氣象學(xué),。但是當(dāng)廣義相對論傳入蘇聯(lián)后，他很快理解了其重要性,，并將之應(yīng)用于宇宙學(xué)領(lǐng)域,。弗里德曼在1922年和1924發(fā)表了兩篇關(guān)于宇宙動(dòng)力學(xué)的經(jīng)典論文后便在1925年去世了。愛因斯坦本人開始并不相信弗里德曼的理論,，在相當(dāng)長的一段時(shí)間里穩(wěn)態(tài)的宇宙更符合他的物理直覺,，但經(jīng)過和弗里德曼的通信后，愛因斯坦不得不承認(rèn)弗里德曼的推導(dǎo)是正確的,。在上世紀(jì)二十年代,，宇宙學(xué)是非常冷清的研究領(lǐng)域。弗里德曼的研究發(fā)表后,，居然長時(shí)間沒有其他人關(guān)注跟進(jìn),。直到1927年，理論家們才再次回到這個(gè)問題,。勒梅特（Lemaitre）和羅伯森（Robertson）先后發(fā)表了膨脹宇宙的論文,，他們指出如果宇宙真的是膨脹的話，宇宙中的天體距離和它們的紅移之間應(yīng)該存在關(guān)聯(lián),。1929年,，當(dāng)哈勃開始陸續(xù)發(fā)表他的紅移距離關(guān)系工作后，人們開始意識(shí)到,，這可能是膨脹宇宙的一個(gè)重要證據(jù),。

愛因斯坦教授的看法如何呢？愛因斯坦現(xiàn)在對穩(wěn)態(tài)宇宙的興趣已經(jīng)消退了,，他開始對自己曾經(jīng)引入宇宙學(xué)常數(shù)感到不舒服,，把這個(gè)常數(shù)描述成一生最大的錯(cuò)誤（雖然之后的歷史表明，宇宙學(xué)常數(shù)確實(shí)存在,，而穩(wěn)態(tài)宇宙論也并非他犯下的最大錯(cuò)誤）,。1931年初，愛因斯坦應(yīng)邀訪問加州理工學(xué)院,。一路上記者和媒體熱切地追逐著他的一舉一動(dòng),，似乎隨時(shí)都有幾十名記者包圍著他。如何用一個(gè)字定義第四維,？如何用一句話說明相對論,？如何評論美國的禁酒政策？愛因斯坦善于用玩笑躲避這些無意義的問題,，但記者需要更勁爆的新聞,。終于，在加州理工學(xué)院的演講會(huì)上,，愛因斯坦?jié)M足了記者們,，在演講的最后段落,，愛因斯坦簡短地宣布“哈勃和他的合作者對宇宙的研究具有劃時(shí)代的意義”。現(xiàn)場一片嘩然,，哈勃瞬間成為記者們簇?fù)碜放醯膶ο蟆?/span>

愛因斯坦放棄了穩(wěn)態(tài)宇宙觀,，發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹的哈勃卻有點(diǎn)退縮了 …… 

(未完待續(xù))