—纪念天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃诞生120周年
来源:文汇报 作者:卞毓麟
今年是国际天文年，再过几天，又恰逢20世纪最杰出的天文学家哈勃诞生120周年，我们特约请上海天文学会副理事长、上海交通大学科学史系兼职教授、著名科普作家卞毓麟撰文，介绍哈勃的传奇人生及其对天文学的重要贡献。
2008年岁末，中国科学院唯一专攻科学史的院士席泽宗先生溘然长逝。此前十余年，他曾问我:“你认为20世纪最杰出的天文学家是谁？”我立即回答：“哈勃。”席先生告诉我，他还先后向王绶琯院士和时任中国科学院北京天文台台长的李启斌教授提过同样的问题，并得到了相同的回答。
本文讲述的就是被世人尊为“星系天文学之父”和“观测宇宙学奠基者”的天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃的故事。
1.传奇式的人物
哈勃的一生极具传奇色彩。他的兴趣爱好非常广泛。早在中学时代其体育运动就很突出。他在篮球、网球、棒球、橄榄球、跳高、撑竿跳、铅球、链球、铁饼、射击等许多项目上都取得了相当好的成绩。在芝加哥大学，他作为一名重量级拳击运动员而闻名全校。在牛津大学他被选拔为校径赛队员，还在一场表演赛中与法国拳王卡庞捷（世界重量级拳击冠军和4个级别的欧洲冠军，法国人视其为民族英雄）交手。1938年，哈勃当选为美国亨廷顿图书馆和艺术馆(该馆藏有极丰富的英美珍本图书与手稿)的理事……
哈勃除了第二次世界大战期间曾在美国军队中参与领导弹道学研究，并在马里兰州阿伯丁试验场超声风洞实验室担任领导工作外，始终未离开威尔逊山天文台。哈勃晚年担任威尔逊山和帕洛玛山天文台研究委员会主席。1949年末，帕洛玛山口径5.08米的反射望远镜正式投入观测，哈勃是它的第一位使用者。
1953年9月27日，哈勃在自己的书房里度过了下午和晚上。9月28日上午，他在办公室里同自己多年来的亲密同事赫马森谈论了新的工作设想。赫马森回忆：“当他解释自己脑海里所想的东西时说得很快，甚至不知什么缘故，很着急。”然后，哈勃走回家去吃午饭。“我们注意到他显得快活而有干劲，看上去是多么健康。”
哈勃夫人格雷斯在开车回家途中发现丈夫沿街大踏步地走着，同时挥舞着手杖。她让他上车，然后他和往常一样，问她：“你度过了怎样的一个上午？”此时他们离家大约尚有1500米。当她就要拐入车道之际，停车向他看了一眼，只见他笔直向前瞪着眼，带着一种令人迷茫的表情，并用一种奇特的方式张开嘴唇呼吸。她觉得奇怪，因而问道：“怎么啦？”
“不要停车，直驶，”他平静地回答，而格雷斯突然变得惊恐起来。她将车开进院子，下车绕到他坐着的一侧，同时尖声叫喊女管家伯塔。不一会儿，哈勃看上去已经昏厥，不能对格雷斯的呼叫声和触摸作出反应，伯塔探摸他的脉搏，但是毫无动静。格雷斯立刻打电话给医生斯塔尔。后者使她确信，脑血栓的形成几乎是瞬间的，又没有疼痛。“它会在任何时候在任何人身上发生。”
多年前，埃德温曾说过，当这个时刻来临之际，“我希望静悄悄地消失”。他没有丧礼，没有追悼会，也没有坟墓供哀悼者表示最后的敬意。铜骨灰匣埋葬在一个秘密的地方。
2.好莱坞影星的偶像
1937年3月4日晚，美国电影艺术学会在洛杉矶举行年度颁奖仪式。该学会主席、导演弗兰克·卡普拉曾因影片《发生在某夜》荣获奥斯卡奖，并即将因影片《迪兹先生进城》而再获奥斯卡奖。
埃德温·鲍威尔·哈勃夫妇作为卡普拉的宾客，参加颁奖仪式。当卡普拉向与会者介绍这位世界上活着的最伟大的天文学家时，哈勃起立致意，三只巨型聚光灯集中照在他身上，全场掌声雷动。
极少有科学家能像哈勃那样，成为好莱坞影星们的偶像。媒体的宣传使人们知道他在威尔逊山天文台工作。于是，驱车上山注视当时世界上最大的那架口径2.54米的天文望远镜，以及一睹哈勃本人的风采，便成了一种高雅的时尚。通常这必须预约，以便哈勃夫人格雷斯·伯克·哈勃在场充当女主人。
当时有一位精明的电影编剧和剧作家阿尼塔·露丝，她的畅销书《君子好逑》曾改编成百老汇轰动一时的音乐喜剧。1937年初，露丝函询有关参观的特许事项。哈勃知道她的名字，便安排她4月底偕夫君同来天文台参观。哈勃“长得很高又很健壮”，穿着系带的高统靴和敞开领口的法兰绒衬衫，正在高高位于头顶的似乎摇晃着的小平台上工作。对露丝来说，他真是太帅了，一定得看个够！
露丝成了格雷斯的少数几个知心女友之一，她为其他人的参观铺平了道路。奥斯卡奖得主、女明星海伦·海斯参观以后写道：“我们都感到好奇，因为一块很小的、刚合人眼窝的玻璃，却能向外扩大而包含整个宇宙。它好像把我们置于接近永恒的地方。”
在好莱坞真有点像在天上，那里有各种不同“星等”的明星，最明亮的就是神话般的查理·卓别林。卓别林与哈勃同岁，哈勃夫妇于1938年11月首次与其晤面，1940年11月他们又出席了卓别林的名片《大独裁者》的开幕式。
和卓别林相遇之后，哈勃夫妇在心中盘算：“现在我们想见谁呢？”确实，他们想见的人远不如想见他们的人那样多。
那么，哈勃究竟为什么如此神奇呢？要回答这个问题，还得从“星云”究竟是什么谈起。
3.旋涡星云之谜
古希腊学者德谟克利特曾天才地猜测，横亘天穹的银河其实是一大片星星构成的“云”。但在很长时间中，多数欧洲人都信奉亚里士多德的想法：银河是地球大气层发光的具体表现。
1609年，意大利科学家伽利略发明了天文望远镜。他从望远镜中看到，白茫茫的银河被分解成了无数的星星，从而证明德谟克利特的猜想完全正确。18世纪中叶，英国的托马斯·赖特、德国大哲学家康德等人开始思索恒星在太空中的真实分布。
1750年，赖特首先解释了银河环抱天穹的原因。他设想，天上所有的恒星组成一个扁平的透镜状集团，其形状像一个车轮或一张薄饼；地球所处的位置使我们沿这块“透镜”的长轴看去可以看到极其大量的恒星，星光融成一片就成了银河；但沿着这块“透镜”的短轴看去，却只能看见稀稀疏疏的少量恒星，它们的后面便是黑暗的空间。总的说来，赖特的见解基本正确。
康德进一步认为，我们置身其中、包含银河在内的这个恒星系统是个孤岛般的集团，在远离它的空间内必定还有别的孤岛般的恒星系统，他称它们为“岛宇宙”。他还说明，如果从十分遥远的地方观看我们自己这个银河系统，那么它必定与当时从望远镜中看到的一些云雾状斑块——即“星云”非常相似。康德的思想大大超越了他的时代，在此后170年中，天文学家才逐渐证实了他的正确性。
18世纪末叶，英国天文学家威廉·赫歇尔巧妙地确定了我们身处其中的这个庞大恒星系统——“银河系”的形状。它确实有点像一块透镜，赫歇尔认为它包含的恒星总数也许有好几亿。今天我们知道，银河系中的星数超过2000亿颗。
20世纪初，荷兰天文学家卡普坦首次较为精确地测定了银河系的大小。他于1922年得出银河系的尺度约为40000光年。尽管这还是比银河系的实际尺度小，但在当时已大大拓宽了人们的眼界。同时，天文学家们也更急切地希望弄清：太空中是否果真存在着与银河系相似的众多“岛宇宙”？
无月的晴夜，在无人为光源干扰的情况下，具有正常视力的人用肉眼即可看出，在仙女座中有一颗“恒星”宛如一小块暗弱的雾状光斑。这就是天文望远镜发明之前人们早已知晓的“仙女座大星云”（见左图）。康德猜想它正是一个岛宇宙，只因距离太远而显得模糊不清。
从天文望远镜中可以看见许多与仙女座大星云相仿的云雾状天体。起初，天文学家将它们统称为星云。后来，赫歇尔发现，不少星云在大望远镜中被分解成了一颗颗恒星，另一些星云则无论如何也分解不出恒星来。他认为后者乃是由大团气体物质组成的真正的星云。
1864年，英国天文学家威廉·哈金斯用光谱分析法进一步揭示了星云的本质。恒星的光谱是“吸收光谱”，即在明亮的连续光谱背景上呈现出许多暗的“吸收线”；稀薄气体的光谱则是“明线光谱”，即只有一些明亮的“发射线”，而不存在连续光谱背景和吸收线。哈金斯观测了赫歇尔无法分解为恒星的一些星云的光谱，结果看到的是明线光谱。于是，他说：“星云之谜被我窥破了，它不是一群星，而是一团发光的气体。”
看来，天空中那些云雾状的光斑可以分为两大类：一类是真正的气体星云，其光谱为明线光谱，它们位于银河系内，因此又称“银河星云”。另一类是能用当时的望远镜分解为众多恒星的天体集团，它们的光谱和恒星一样，也是吸收光谱。但后来查明，它们并非康德设想的岛宇宙，而是位于银河系内的另一种规模较小的恒星集团，称为“球状星团”。
但是，还存在着第三种类型的云雾状光斑：它们具有和普通恒星一样的吸收光谱，可是即便使用相当大的望远镜，也分辨不出其中的单个恒星。它们往往具有某种旋涡状的结构，所以被称为“旋涡星云”。
人们对旋涡星云的本质争论不休。1920年4月26日，美国国家科学院就此举行了一场举世闻名的大辩论，对垒双方都是当时天文学界的“大腕”：哈洛·沙普利和希伯·道斯特·柯蒂斯。柯蒂斯主张这些旋涡星云是“像我们自己的银河系一样的岛宇宙；作为银河系外的恒星系统，这些旋涡星云向我们指示了一个‘比先前想象的’更为宏大的宇宙”。沙普利却坚持认为“旋涡星云根本不是由典型的恒星构成，而是真正的星云状天体”。辩论双方各自阐明于己有利的天文观测证据，但是都未能说服对方。
4.造父变星解惑
彻底揭开旋涡星云之谜的正是哈勃。1889年11月20日，哈勃出生于美国密苏里州马什菲尔德的一个律师家庭，后在芝加哥上中学，并就读于芝加哥大学，1910年在该校天文系毕业，获理学士学位。同年前往英国牛津大学女王学院，主攻法学，于1912年获文学士学位。1913年哈勃回到美国，在肯塔基州路易斯维尔开设一家律师事务所。1914年，他前往芝加哥大学叶凯士天文台，任著名天文学家弗罗斯特的助手和研究生，1917年获博士学位，学位论文题目是“暗星云的照相研究”。
当时，美国最著名的天文学家乔治·埃勒里·海尔注意到了哈勃的天文观测才能，便建议他去由海尔本人创建的威尔逊山天文台工作。但是，第一次世界大战正酣，哈勃成了陆军士兵。他随美军赴法国服役，晋升至少校。战后又随美军留驻德国，直至1919年10月返美，随即赴威尔逊山天文台与海尔共事。那时恰逢当时世上最大的口径2.54米的反射望远镜在该台落成不久（见左下图）。此镜强大的聚光能力和很高的分辨本领，为哈勃作出一系列历史性的发现提供了十分有利的条件。
查明旋涡星云本质之关键，在于弄清它们究竟是位于银河系内，还是处于银河系外。也就是说，必须测出它们的距离。天体离地球越远，直接测量其距离就越困难。为此，天文学家想出许多测量天体距离的间接方法。其中特别重要的“光度距离法”原理如下：
一颗星离我们越远，看上去就越暗。要是知道了这颗星位于某一标准距离时看起来有多亮（其数值通常用“绝对星等”来表示），那就可以推算出它处在任何距离上的亮度；反之，只要知道一颗星的绝对星等及其表观亮度（用“视星等”表示），便可以推算出它究竟离我们有多远了。问题是：怎样才能确定恒星的绝对星等呢？
哈勃用威尔逊山的2.54米望远镜拍摄了一批旋涡星云的照片，并破天荒地在这些星云的外围区域辨认出许多“造父变星”。“造父变星”是一类特殊的变星，它们的亮度总是很有规律地变化着：增亮，变暗，再增亮，再变暗……而且其亮度变化的特征又很容易识别。早在1912年，美国女天文学家亨里埃塔·斯旺·莱维特已发现，一颗造父变星的亮度变化周期越长，它的发光能力就越强，这就是著名的“造父变星周光关系”。于是，根据一颗造父变星的光变周期，就可以利用周光关系推算出它的绝对星等；再把绝对星等和它的视星等进行比较，就可以推算出它的真实距离了。
造父变星的发光能力都很强，即使离我们远达数百万光年，它们也能被观测到。利用“周光关系”推算出那些造父变星的距离，并进而查明它们所在的星云究竟是位于银河系以内还是以外，就为彻底查明旋涡星云的本质提供了一条具有决定意义的途径。
1925年元旦，在美国天文学会和美国科学促进会联合召开的一次会议上，人们宣读了哈勃的一篇论文，宣布他用2.54米望远镜发现了仙女座大星云（又名M31）和三角座旋涡星云（又名M33）中的一批造父变星，并利用周光关系推算出两者与银河系的距离均约为90万光年。当时测定的银河系直径仅约10万光年，因此M31和M33显然远远地位于银河系以外。在哈勃的时代，银河系以外的这类恒星集团被称为“河外星云”。后来，人们又更确切地改称它们为“河外星系”，或简称“星系”。
哈勃本人并未到会，却分享了美国科学促进会为这次会议设立的最佳论文奖。同年，该文在《美国天文学会会刊》上正式发表，题为“旋涡星云中的造父变星”。多年以后，一位当初在场的科学家乔尔·斯特宾斯回忆道，哈勃的论文一经宣读，整个美国天文学会当即明白，关于旋涡星云本质的这场大辩论业已告终，空间中物质分布的岛宇宙观念已然确立，宇宙学的一个启蒙时代已经开始。当时，5年前那场大辩论的两位主角沙普利和柯蒂斯都在场。
把宇宙看作一个整体，来研究它的结构、运动、起源和演化的学科叫做宇宙学。在哈勃以前，宇宙学主要是理论家们的天地。哈勃的上述成就则开辟了研究宇宙学问题的全新途径，即“观测宇宙学”。观测天文学家从此可以沿两条路线继续前进，即研究单个星系——曾被称为“岛宇宙”的庞大恒星系统——的结构与成分，以及研究大量星系的空间分布与运动。在这两方面，哈勃本人都是业绩彪炳的先驱者。
5.形形色色的星系
宇宙中的众多星系，犹如生命世界中的众多物种，为了研究它们，就应该对其分类。1908年，德国天文学家马克西米利安·沃尔夫曾经提出一种描述性的星云分类体系。但他定出的那些类型缺乏变化过渡的连续性。
首先尝试系统地进行星云分类的又是哈勃。1922年，他在论文“弥漫银河星云的一般研究”中提出，星云可分为“银河星云”和“非银河星云”两大类，它们又各分为若干次类。
1925年，哈勃提出了新的星云分类方案。他发现，多数河外星云都有一个占主导地位的核心，整个星云则对它表现出某种旋转对称性，不具备中心核和对称性这两项特征的仅占极少数。哈勃分别将它们称为“规则星云”和“不规则星云”。规则星云又分为两大类，即“椭圆状的”和“旋涡状的”，每一类各有一个有规律的形态序列。“椭圆”序列之末与“旋涡”序列之首形态相近，几可衔接。而旋涡星云本身又分成两个平行的子序列，哈勃分别称它们为“正常旋涡星云”和“棒旋星云”。
在1936年出版的《星云世界》一书中，哈勃对此作了更详尽的描述，并绘制了著名的星云形态序列图——即所谓的“音叉图”。他说：“椭圆星云形成叉柄，球形的E0处于底端，透镜形的E7则刚好在柄与叉臂交接处的下方。正常旋涡星云和棒旋星云沿两条叉臂展开”。他还说：“柄与臂的交接处或许可用一种多少带有假设性的类型SO——它在所有的星云演化理论中都是一个非常重要的阶段——来表示。”后来，人们确实发现了许多SO型星系，并正式称呼它们为“透镜状星系”。今天，人们将这种序列图称为“哈勃星系形态序列”。它在看来纷乱庞杂的星系世界中引入了秩序，为人们进入这个神秘的世界提供了一幅总体导游图。（见上图）
在此后的10年中，天文学家们有一种流行的看法，即认为原始的星系在逐渐收缩的过程中越转越快，从而变得更扁平，并从赤道部分甩出碎片。就这样，原始的椭圆星系逐渐演变成了扁扁的旋涡星系。然而，在20世纪40年代，美国天文学家巴德却提出了相反的看法：星系演化的顺序可能是旋涡星系因失去旋臂结构而逐渐转化为椭圆星系。
在随后的半个世纪中，天文学家们渐渐意识到，星系的分类序列并不就是它们的演化序列。星系的演化与它们形成时的初始条件或所处的环境密切相关，但是星系形成的具体过程目前依然莫衷一是。
6.膨胀的宇宙
宇宙学是把宇宙作为一个整体，来研究其结构、运动、起源和演化的学科。现代宇宙学在理论方面肇始于爱因斯坦1917年发表“根据广义相对论对宇宙学所作的考察”一文。20世纪20年代，苏联数学家弗里德曼和比利时天文学家勒梅特，先后以爱因斯坦的广义相对论为基础，从理论上论证了宇宙随时间而膨胀的可能性。在观测方面，美国天文学家斯莱弗在1917年已初步证明，许多旋涡星云都正以巨大的速度远离我们银河系而去。
1929年，哈勃发表了堪称经典的重要论文“河外星云距离与视向速度的关系”，令人信服地论证了：距离我们越远的河外星云，沿着观测者视线方向远离我们而去的运动速度就越大，而且速度同距离两者之间存在着很好的正比关系。这就是举世闻名的“哈勃定律”。1930年，英国天文学家爱丁顿把河外星云普遍远离我们而去的现象解释为宇宙的膨胀效应。也就是说，哈勃定律为宇宙膨胀提供了首要的观测证据。
哈勃定律的确立是20世纪天文学一项十分重大的成就，它使人类的宇宙观发生了深刻变化。它表明宇宙在整体上静止的观念已经过时，取而代之的是一幅空前宏伟的膨胀图景：宇宙的各部分都在彼此远离，而且各个部分互相远离的速率与它们之间的距离成正比。紧接着的任务乃是更准确地测定宇宙膨胀的速率，以及膨胀速率本身如何随时间而变化。至今，天文学家们仍在为这些艰巨的任务而不懈地工作着。
7.诺贝尔奖的遗憾
哈勃是有史以来最重要的天文学家之一。其一系列开创性工作使他赢得了“星系天文学之父”的尊称，并被授予美国富兰克林金奖、英国皇家学会金奖等许多褒奖和荣誉。
哈勃夫人格雷斯曾听说，两位诺贝尔奖委员会委员——费米和钱德拉塞卡，已和他们的同事一致投票选举哈勃为诺贝尔物理学奖得主。后来，天文学家杰弗里·伯比奇和玛格丽特·伯比奇夫妇俩与钱德拉塞卡交谈之后证实了这一传闻。可是，诺贝尔奖不授予已故者，死神在关键时刻剥夺了20世纪最伟大的天文学家应得的荣耀。
哈勃去世后，遵其遗嘱，他的科学史古籍珍本赠送给了威尔逊山天文台。他身后则留下了一长串与他的大名相连的天文学术语：哈勃分类法、哈勃序列、哈勃常数、哈勃定律、哈勃半径、哈勃年龄等，乃至家喻户晓的哈勃空间望远镜。
哈勃去世已逾半个世纪，而他的发现依然闪耀着迷人的光彩。我们的宇宙在继续膨胀，哈勃定律依然成立，新发现的无数星系大多仍能纳入哈勃当初制定的分类法……。所有这些，都使著名科学作家盖尔·E·克里斯琴森在其1995年问世的力作《星云世界的水手——哈勃传》的结尾写下了大天文学家哈雷创作的、置于牛顿《自然哲学的数学原理》书前的那行诗句：
[他]更靠近凡人无法接近的神。
名词解释
光年
天文学中常用的距离单位。真空中的光速约为30万公里/秒，光在真空中行进1年所通过的距离就是1光年，其长度约为9.46万亿公里，或者更约略地说，约为1013公里。
星等
表示天体亮度等级的物理量。公元前2世纪，古希腊天文学家伊巴谷按亮度把恒星分为6个等级：最亮的那些是“1等星”，人眼勉强能看见的暗星为“6等星”。19世纪中期，英国天文学家波格森发现，那些1等星的平均亮度差不多正好是6等星平均亮度的100倍。由此他确立了一套定量标准：星等数每差5等，亮度就相差100倍；相应地，亮度每相差2.512倍，星等数就相差1等。比6等更暗的是7等、8等……，比1等更亮的则是0等、-1等……为了精确起见，星等常需用小数表示，例如北极星是1.99等，天狼星是-1.46等。
绝对星等
不同天体看起来亮度不一，直接原因有二：一是不同天体本身的发光能力各不相同，二是它们同我们的距离各不相同。在地球上看到的天体表观亮度称为“视亮度”，与之相应的星等称为“视星等”。设想把所有的天体都“移到”某个“标准距离”（在天文学中，它被取为32.6光年）处，再来确定它们的星等值，就称为“绝对星等”。绝对星等表征了天体的实际发光能力。例如，太阳和天狼星的绝对星等分别是4.8等和1.3等，可知天狼星的发光能力约为太阳的25倍。
造父变星
“仙王座δ”是一颗亮度变化极有规律的变星，从一次最亮变到下一次最亮历时5.37天，而且其光变模式也很确定，总是急剧增亮，缓慢变暗。在天文学中，光变模式与其相似的变星统称为“仙王δ型变星”。又因“仙王座δ”在中国古代称为“造父一”，故“仙王δ型变星”又称“造父变星”。
一颗造父变星的光变周期越长，其发光能力就越强，这称为“造父变星周光关系”。在测量距离未知的星团、星系时，只要能观测到其中的造父变星，就可以利用光变周期推算出它们的距离。造父变星由此也赢得了“量天尺”的美名。
来源:文汇报
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