從哈勃到哈勃深空場（二）—膨脹在氣球上的宇宙
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本期為從哈勃到哈勃深空場第二篇，上一篇為：《從哈勃到哈勃深空場（一）—「男神帶你肉眼看（仙女座）星雲」》
本期將介紹一下內容：
1，哈勃工作的意義
2，哈勃利用造父變星測距法估測的宇宙有多大
3，星系發光的紅移現象是什麼
4，哈勃定律是什麼
5，哈勃定律解釋了宇宙間的什麼秘密
6，愛因斯坦為什麼失眠
河外星系初窺端倪
在開啟本期內容之前，先放幾張精美圖片作為開胃菜。
上期（從哈勃到哈勃深空場（一）—「男神帶你肉眼看（仙女座）星雲」）我們講到哈珀通過測算仙女座大星系的距離發現它遠在銀河系之外，這一發現在1924年底由美國天文學會正式公布，儘管哈珀本人沒有參加這次會議，但是當他的論文被宣讀完畢，在場的所有天文學家都意識到1920年的天文界世紀大辯論就此終結了。
哈勃的工作讓當時的天文學家認識到，星雲不是銀河系中的發光氣體雲，或者某個天體，而一定是像銀河系一樣的，由千億顆星星構成的真正的另一個星系。所以當堅持認為銀河系就是整個宇宙的沙普利收到哈珀觀測結果的信件時，坦言「這封信毀了我的宇宙」。
從此，銀河系不再是整個宇宙。 它更像是海灘上的一粒小沙子； 一個擁有無數舞者（星系）的芭蕾舞劇。地球所在的太陽系是在銀河系第三旋臂即獵戶旋臂上。而在2014年的一項研究中，天文學家將銀河系附近的區域的數千個星系繪製後發現，我們的銀河系並非一個孤單的宇宙島，它處在一個包含著10萬個星系的更為廣泛的超星系團中，這個超星系團被稱為Laniakea。當然這都是後話了
哈勃的工作為當時的科學家打開了一扇窗戶，揭開了銀河系之外宇宙的面紗。1925年，哈勃再次利用造父變星測距法測定了人馬座星雲NGC6822的距離，證實該旋渦星雲其實也是一個河外星系。此後更多的星系被一個個發現，它們就像一個個島嶼一樣遍布廣袤的宇宙。
在哈勃工作的基礎上，全世界的天文學家開啟了星際「大航海」，他們像四百多年前的哥倫布那樣，利用遍及世界各個角落的大型天文望遠鏡尋找包含造父變星的星系。隨著研究的深入和天文學家的努力，更大更遙遠的星系開始遍及整個宇宙，進入人類的視野。
哈勃先用胡克望遠鏡去測量更為遙遠宇宙的目標，他由數千年光年遠的球狀星團，延伸到造父變星測量所能達到的極限，也就是以300萬光年為半徑、包括20個星系的範圍。由那裡起，他再用旋渦星系旋臂中的藍色超巨星作為粗略的測量標尺，進而測量一個更遠的、包括200個星系的範圍，這個範圍距離我們3000萬光年。這是當時天文望遠鏡所能觀測宇宙範圍的極限了。
新的發現帶來了新的難題，人類再次回到最初面臨的那個問題：如何才能測定更遠星系的距離呢？宇宙，究竟有多大呢？
聰明的哈珀又想出了一個巧妙的辦法，他假設每個星系的絕對亮度都相差不大（儘管這樣會帶來不小的誤差，但相對於估算值的大小而言是可以容忍的），既然已經知道了仙女座大星系離我們的距離，就可以通過其他星系的視亮度與仙女座大星系視亮度差距來計算它們相距多遠，再利用仙女座大星系離我們的距離就能夠得到其他星系與地球之間的距離。
哈勃用這種新的測量法很快探究到了當時的宇宙極限。
哈勃測算的宇宙有多大呢？！
遠超10億光年！
這個計算結果讓哈勃大吃一驚，連他都不相信，離我們最遙遠的星系居然有10億光年之遠，我們的宇宙之大，超出了所有人的估計。
從多普勒到光的紅移——一個生動卻錯誤的類比
聲音是一種波，當聲源離我們越來越近，同一段時間內耳朵聽到的「聲音」越來越多，波長相當於被壓縮了，頻率就越來越大，音調也就越來越高；而聲源離我們越來越遠時，耳朵在同一段時間內收到的「聲音」也越來越少，波長就會被拉長，聲音的頻率越來越小，音調也越來越低。聲音的這種現象最先由奧地利的數學家物理學家多普勒在1842年發現並研究的，因此聲音的這種性質也被稱為「多普勒效應」。當時多普勒還定量研究了聲源與自己相對運動速度和波長變化之間的關係。
後來人們進一步發現，多普勒效應實際上對所有的波都是成立的。而我們知道，光實際上就是一種電磁波，自然也就存在多普勒效應：當一個光源遠離我們而去時，光波會被拉長，從光譜上看，光波向著紅端移動。這樣，通過多普勒效應您就可以理解「紅移現象」了吧。
星系發出的光有沒有類似的紅移效應呢？最開始測量星系星系紅移的並不是人們常說的哈勃，而是集數學天賦和科學素養於一身的傑出天文學家斯里弗（Vesto Slipher）。正是他的開創性工作，指引了後來的哈勃觀測星系紅移。讓我們來看看這個天文學史上的巨匠：
1914年斯里弗發現：夜空中的星雲都在遠離地球而去，因為它們的光譜普遍存在光譜紅移的現象。而且，他還發現越暗的星雲遠離太陽系的速度就越快。但是當時斯里弗還無法確定星雲的本質是什麼，也就無法確切地闡釋這一現象的原因。在進行了十幾年的研究後，被測量誤差困擾的斯里弗不得不放棄了這個領域。然而他卻不知道，他的天縱英才為打開宇宙大門準備好了撬杠，十年後，另一位巨匠，操起這把撬杠，將那扇蒙昧人類雙眼的「大門」砸了個稀巴爛
時間轉眼到了1928年，由於哈勃的工作，天文學家已經知道了星雲其實是銀河系外的恆星世界。而這些偉大的發現也為哈勃帶來了巨大的聲譽。當他和妻子在歐洲旅行的時候，處處受到人們的歡呼，好像他們是皇家貴族。頻繁社會活動使得哈勃親自觀測星系的時間減少，卻沒有減少他對星繫世界奧秘的渴求。在歐洲的旅行中，哈勃獲得了靈感，開始醞釀一個新的觀測計劃。
1928年的一天，美國威爾遜山天文台的天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）詢問他的觀測助手赫馬森 （Milton L Humason）：「你是否願意和我一起試驗一下測量星雲的紅移？」這一年哈勃39歲，已經是美國科學院最年輕的院士。
機遇傾向有準備的人
不知你身邊是不是存在這樣的人，上帝永遠站在他那邊。
哈勃就是這樣一個人。
相比斯里弗而言，哈勃有很大的優勢。首先，哈勃有著觀測數百個星系的經驗，對測量河外星系距離輕車熟路，因此研究河外星系紅移和距離之間的關係對他而言水到渠成，而這對探索宇宙的結構有著極其重要的意義。
斯里弗利用洛厄爾天文台望遠鏡得到的觀測數據一直為科學界懷疑，而哈勃使用的是當時實際上最先進，最大也是最好的天文望遠鏡——威爾遜山天文台的100英寸胡克望遠鏡。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。
哈勃還有一個得力助手、天文學界技術最熟練的觀測專家之一赫馬森（Milton LasellHumason，1891～1972）。拍攝星雲的光譜，需要長時間的曝光，對天文學家的觀測技巧和耐心要求很高，而赫馬森是一個世界級的天文觀測師。
赫馬森14歲輟學，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台，但他高超的望遠鏡操作能力很快折服了天文台的天文學家沙普利 （Harlow Sharpley） 和台長海爾（George Hale），成為了正式的駐站觀測人員。在過去十幾年裡，威爾遜山天文台最重要的觀測結果都有他的功勞。哈勃自己當然也是一個優秀的觀測家，但是現在他已經慢慢離開觀測第一線，赫馬森就成了保證他計劃成功的重要一環。
紅移現象——隱藏在光波中的驚天大秘密
研究星系紅移過程中哈珀發現，幾乎所有的星系都存在紅移現象，紅移現象不是個例，而是宇宙中星系普遍存在的規律。而且星系離我們越遠，紅移現象得就越厲害。哈勃的工作並沒有就此止步，緊接著他用了好幾年時間，測定了上百個星系的紅移大小，並將紅移大小換算成了視向速度，將之與星系距離顯示在一張圖上：
一看到這張圖，哈勃立即發現視向速度和星系距離成正比例關係，並由此提出了大名鼎鼎的哈珀定律：V=HD，這裡V表示星系遠離我們的退行速度，D表示星系的距離，H表示哈珀常數，也就是說星系的退行速度與距離之比是一個定值，這個定值就是哈珀常數。
關於「哈勃定律」，有一種說法是在1927年的時候，比利時天文學家勒梅特就已經在比利時的一個期刊上發表了一篇關於宇宙膨脹的文章。鑒於發表勒梅特論文的比利時期刊有限的流通量，以及他使用的是法語，人們認為他的非凡發現在當時很大程度上不為天文學界知曉。但是哈勃在1929年發表的發現很可能受到了勒梅特的影響，因為在1928年7月，勒梅特和哈勃在萊頓舉辦的IAU第三界會議上會面，會議期間，他們討論了表明宇宙膨脹的天文學證據。
愛因斯坦失眠了
看起來哈珀定律就是個簡單不過的數學公式，然而偉大的愛因斯坦看到這個公式卻激動地睡不著覺，因為這個公式背後蘊含著一個驚天秘密。
星雲「紅移」出現了多普勒效應無法解釋的現象，多普勒效應中，波長的拉長幅度在波發出的那一瞬間就已經決定了，之後波在傳播中就不會變化。而哈勃定律和觀測數據顯示，從遙遠星系發出的光在隨著時間在不斷拉長，在光譜上是向著紅端移動的，這就說明光波在宇宙空間傳播時被「拉長」。這個來自深邃宇宙的詭異現象完全顛覆了多普勒效應帶給我們的直觀認識，立即引起了所有物理學家和天文學家極大地興趣。
更加詭異的是哈珀定律適用於宇宙中任何觀測點，你站在宇宙中任何一個位置觀看，都會發現所有的星系在離你而去。畢竟地球是宇宙空間再普通不過的點。
只有一種情形下才會出現這種景觀，那就是宇宙整體在膨脹。就像一隻吹大的氣球一樣。
舉個不算恰當的例子（這個類比很生動、形象，被幾乎所有的科普書所採用）：把一個氣球吹大，對於氣球表面這個二維「宇宙」而言，就相當於空間正在膨脹，如果在氣球上用筆點幾個點代表星系，就會看到隨著氣球的膨脹，這幾個點彼此的距離會增大，代表星系彼此遠離。反之，收縮的時候這些點的距離會減小。但是很明顯，氣球表面這個二維「宇宙」是沒有邊界的。在球面上並沒有哪個點是特殊的，以每個點為中心看去，別的點都在遠離這個參照點，因此可以說每個點都是中心。用一句行話來說，這個二維宇宙是「有限無界」的。
哈珀所觀測到的宇宙就像這樣的一隻氣球，所有的星系都在互相遠離，這說明我們的宇宙正在膨脹中，這裡的宇宙膨脹並不是宇宙在一個已經存在的某個空間中向外擴張，而是空間本身在不斷膨脹拉伸。宇宙膨脹並不表示宇宙存在邊界。不要問宇宙外面是什麼，因為人類對宇宙本身仍不了解。
這就是這個看上去簡簡單單的哈珀定律告訴我們的宇宙秘密。
當遠在歐洲的愛因斯坦讀到哈珀的論文驚訝地好幾天睡不著覺，因為哈珀的發現與愛因斯坦提出的廣義相對論互為印證。愛因斯坦樂顛顛地來到威爾遜天文台，親自趴在天文望遠鏡上遙望星空，試圖要驗證一下哈勃地定律。
但真正讓愛因斯坦吃驚的是他自己開始因為不相信宇宙會膨脹而生生地在他的廣義相對論方程中添加了一個不必要的常數，用以維持宇宙的穩定。據說，這是愛因斯坦一生中自認為最大的錯誤（這一直為俄裔物理學家伽莫夫津津樂道）。
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