窮宇宙之際(吳國(guó)盛)
20世紀(jì)的天文學(xué)，由于觀測(cè)手段更為先進(jìn)，將人類(lèi)的視野擴(kuò)展到了150億光年的空間距離。除了傳統(tǒng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡隨光學(xué)材料的改進(jìn)和加工能力的提高，出現(xiàn)了空前大的口徑外，無(wú)線電接收技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了可見(jiàn)光之外各波段的天文觀測(cè)，射電望遠(yuǎn)鏡沖破了銀河系內(nèi)星云塵埃等設(shè)置的光學(xué)屏障，把目光射向了河外星系。天文學(xué)進(jìn)入了全波時(shí)代。
天體物理學(xué)在20世紀(jì)發(fā)展成了天文學(xué)的主流，它最引人注目的成就是誕生了將整個(gè)宇宙作為自己的研究對(duì)象的現(xiàn)代宇宙學(xué)。以愛(ài)因斯坦的相對(duì)論為理論基礎(chǔ)，以大尺度的天文觀測(cè)特別是河外星系的普遍紅移和宇宙背景輻射為事實(shí)依據(jù)，宇宙學(xué)展示了宇宙整體的物理特征。
1河外星系的觀測(cè)與紅移的發(fā)現(xiàn)
在浩瀚的太空中，除了有無(wú)數(shù)發(fā)光的星星外，還有彌散狀的星云。關(guān)于星云的本質(zhì)長(zhǎng)時(shí)期存在爭(zhēng)論，一種觀點(diǎn)認(rèn)為星云是銀河系內(nèi)的星際物質(zhì)，另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，星云實(shí)際上是像銀河系一樣巨大的恒星集團(tuán)，只是因?yàn)樘h(yuǎn)而看起來(lái)像“云”，由于觀測(cè)手段的限制，這兩種觀點(diǎn)孰是孰非無(wú)法得到最后的判明。
到了20世紀(jì)，觀測(cè)手段有了較大的發(fā)展，美國(guó)在威爾遜山上建造了當(dāng)時(shí)世界上最大的25米口徑的反射望遠(yuǎn)鏡，確定空間距離的天體物理方法也發(fā)展了起來(lái)。人們可以對(duì)星云的本質(zhì)有所說(shuō)明了。
宇宙空間的尺度是太大了，不同的尺度范圍要采用不同的方法，因?yàn)樵谀硞�(gè)范圍有效的方法進(jìn)一步擴(kuò)展就失效了。對(duì)于較鄰近的天體，可以用三角法測(cè)距。三角法也就是傳統(tǒng)的視差法，距離太陽(yáng)最近的比鄰星(即半人馬座α星，我國(guó)古代稱(chēng)之為南門(mén)二)就是通過(guò)視差法測(cè)出的，距離為43光年。使用三角法已經(jīng)測(cè)定了500光年的空間距離，但更大的距離三角法就無(wú)能為力了。
更大的距離往往采用光度方法確定，我們知道，恒星的視亮度、距離與本身的光度三者之間存在某種確定的關(guān)系，視亮度是可以在地球上測(cè)定的，因此只要知道了某恒星的光度就可以知道它的距離。天體物理學(xué)已經(jīng)得知，從光譜分布可以相對(duì)地確定恒星的光度。因此，光度方法可以用來(lái)大致地確定更遠(yuǎn)的空間距離。使用主序星作為標(biāo)準(zhǔn)，天文學(xué)家測(cè)出了10萬(wàn)光年的空間距離，大致搞清楚了銀河系的空間結(jié)構(gòu)。
超出10萬(wàn)光年之外，主序星的光度就顯得太小而不為我們所見(jiàn)，天文學(xué)家又找到了造父變星作為標(biāo)準(zhǔn)，利用這個(gè)新的光度標(biāo)準(zhǔn)，可以確定星云的本質(zhì)了。
1924年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃(1889—1953)利用威爾遜山的大望遠(yuǎn)鏡觀察仙女座大星云，第一次發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上由許多恒星組成，而且其中有造父變星，這樣就可以運(yùn)用光度方法來(lái)確定它的距離了。計(jì)算的結(jié)果是，仙女座星云位于70萬(wàn)光年之外，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了銀河系的范圍，這就最終證明了某些星云確實(shí)是遙遠(yuǎn)的星系。哈勃一鼓作氣，此后十年致力于觀測(cè)河外星云，并找到了測(cè)定更遠(yuǎn)距離的新的光度標(biāo)準(zhǔn)，將人類(lèi)的視野擴(kuò)展到了5億光年的范圍。
與此同時(shí)，美國(guó)另一位天文學(xué)家斯萊弗(1875—1969)正致力于恒星光譜的研究。從1912年開(kāi)始，他將視線對(duì)準(zhǔn)了河外星云，發(fā)現(xiàn)它們的光譜線普遍存在著向紅端移動(dòng)的現(xiàn)象。隨著觀測(cè)的進(jìn)展，積累的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，除個(gè)別例外，幾乎所有的河外星系(此時(shí)哈勃已經(jīng)表明這些星云確實(shí)是河外星系)的光譜都有紅移現(xiàn)象。如果按照多普勒效應(yīng)解釋?zhuān)@就意味著這些星系都在遠(yuǎn)離地球而去，而且退移的速度相當(dāng)大，比如室女座星云的速度達(dá)到了每秒1000公里，這樣大的速度是令人稱(chēng)奇的。
1929年，哈勃考察了斯萊弗的工作，并結(jié)合自己對(duì)河外星系距離的測(cè)定，提出了著名的哈勃定律：星系的紅移量與它們離地球的距離成正比。這一定律被隨后的進(jìn)一步觀測(cè)所證實(shí)。哈勃定律指出了河外星系的系統(tǒng)性紅移，反映了整個(gè)宇宙的整體特征，特別是當(dāng)紅移作多普勒效應(yīng)解釋時(shí)，哈勃定律就展示了一幅宇宙整體退移也就是整體膨脹的圖景：從宇宙中任何一點(diǎn)看，觀察者四周的天體均在四處逃散，這就像是一個(gè)正在脹大的氣球，氣球上的每?jī)牲c(diǎn)之間的距離均在變大。
