威爾遜山天文臺舊景。版權／Mount Wilson Observatory

在宇宙的某個角落，漂浮著一顆暗淡的藍點，這就是我們的家園——地球。這顆藍點上的生物，用他們的好奇心和智慧，一次又一次地揭開宇宙的神秘面紗。其中，最讓人驚歎的一次探索來自於一位名叫埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的天文學家。一百年前，正是這位堅韌的科學家仰望星空，不斷追問著那些讓人困惑的謎團，才終於讓我們找到了照亮宇宙的「燈塔」。

在20世紀之前，人們普遍認為我們的銀河系便是整個宇宙的全部。然而，一些不同的聲音開始質疑這樣的宇宙圖景。他們堅信宇宙是一片浩瀚的大海，銀河系只是漂浮在這片大海上的一座小小的島嶼。這個觀點最早由18世紀的德國哲學家康德提出，因為當時的天文學家已經在銀河系邊緣發現了一些螺旋狀的星雲。不過由於一直無法確定它們與地球相距多遠，於是康德就提出了一個大膽的猜想：這些螺旋星雲都是和銀河系一樣的島嶼。

隨著19世紀末到20世紀初光譜學的發展，天文學家們開始了對宇宙更加深入的探索，逐漸揭開了這些神秘星雲的面紗。在19世紀60年代，天文學家將星雲發出的光分解，發現其中一些星雲的光譜與灼熱的氫氣相吻合，說明那裡除了星際氣體之外就沒什麼別的東西了。而其他一些星雲的光譜更為複雜，類似於恆星的光譜。統計表明，大約三分之二的星雲實際上屬於後者。不少星雲還顯示出複雜的旋轉結構，因此在當時被稱為「螺旋星雲」。然而，這些進展反而引發了更多的疑問：這些「螺旋星雲」到底是在我們的銀河系內部，還是在外部？當時的人們無法達成共識。

天文學家注意到，「螺旋星雲」中的一些恆星會偶爾發生被稱為「新星」的爆發。新星的特性在於它們的固有亮度大致相同，天文學家稱之為「標準燭光」。這意味著，新星可以用來測量距離。比如，如果你近距離觀察一枝燃燒的蠟燭，它會顯得很亮。但是，如果你站在遠處看，它就會顯得暗了許多。這是因為光在從光源發出後以球形擴散，而你離光源越遠，光照到你的部分就越少。因此，通過測量新星的亮度，我們就可以大致推測出它距離我們有多遠。

1917年，天文學家在被認為是「螺旋星雲」的仙女星系中發現了四顆非常暗淡的新星。這些新星的暗淡程度表明，仙女星系距離地球大約一千萬光年。大約在同一時間，美國天文學家哈洛·沙普利利用另一種恆星——天琴RR型變星作為標準燭光，測量了銀河系的大小，卻發現其直徑只有幾十萬光年。

沙普利認為螺旋星雲是銀河系中的天體，而我們的銀河系就是整個宇宙。然而，另一位天文學家柯蒂斯堅決不同意這個觀點，他認為螺旋星雲實際上是獨立的星系。於是，一場關於宇宙的世紀大辯論開始了。

1920年初，美國科學院為提升其影響力，計劃組織一場面向公眾的辯論，並邀請兩位知名的科學大咖參與。雖然有人提議可以搞一場關於冰川的辯論，但威爾遜山天文臺臺長喬治·海爾堅決反對，他認為應該選擇最前沿的科學問題，從而產生更大的社會影響力。因此，他推薦了兩個辯題，即愛因斯坦的相對論以及宇宙的尺度。

由於相對論在當時被認為過於超前，美國科學院最終選擇了關於宇宙的尺度這個辯題。有了辯題，接下來就是選出辯手。根據海爾的建議，沙普利和柯蒂斯被選為最合適的參與者。沙普利作為正方，他堅持銀河系就是宇宙的全部；而柯蒂斯作為反方，他相信「宇宙島」理論，認為銀河系外還有很多其他星系。雙方爭論的焦點，就在於銀河系究竟有多大。

1920年4月26日，這場舉世矚目的世紀大辯論在紐約市的史密森自然歷史博物館拉開帷幕。沙普利主要依據球狀星團的觀測資料，提出銀河系的直徑約為30萬光年；柯蒂斯則基於黃矮星的分析，認為銀河系直徑僅為3萬光年。事實上，目前的天文觀測結果顯示，銀河系實際直徑應為10萬光年。那麼為何這兩位頂尖的天文學家都沒有得出正確的結論？原因在於，他們採用的距離測量方法存在問題。

其實，無論是球狀星團還是黃矮星，都不能作為可靠的測距標準燭光。後來的經驗表明，最靠譜的測距工具是勒維特發現的造父變星。造父變星作為一類亮度呈週期性變化的天體，其光變週期和光度（也就是實際亮度）相關。所以，被認為是宇宙中最靠譜的標準燭光。

儘管這場世紀大辯論吸引了大量的公眾關注，但並未改變天文學界的分歧。具體來說，對於仙女星雲這樣的「螺旋星雲」到底是屬於銀河系還是獨立星系的問題，各方依然是「公說公有理，婆說婆有理」。直到3年後，一位年輕人的橫空出世，才為這場世紀大辯論畫上了句號。這個人就是美國天文學家埃德溫·哈勃。

天文學家埃德溫·哈勃。來源／wiki

哈勃和沙普利是來自密蘇里州的老鄉，他們的出生地相距不過150千米。哈勃比沙普利小4歲，出生在一個中產階級家庭。他從小學業成績就非常優秀，而且身材高大，是個體育特長生。哈勃的外公在他8歲的時候送給他一臺天文望遠鏡，這激發了他對天文學的興趣。然而，由於父親的要求，他大學和研究生階段分別是在芝加哥大學和牛津大學主修法律。後來，從英國學成歸國的哈勃，並沒有從事法律工作，因為他沒能通過美國的司法考試。所以，他只好跑到家鄉的一所高中教數學，並且兼校籃球隊教練，成為了名副其實的「教數學的體育老師」。好在不久後，他在一位教授的幫助下，得以重返芝加哥大學，攻讀天文學博士學位。

從1914年到1917年，哈勃成為了一名博士研究生，在隸屬於芝加哥大學的耶基斯天文臺學習和工作，他的天文學生涯也正是從那一時期開始了。當時，他的研究課題是用一臺約1米口徑的折射望遠鏡拍攝微弱星雲的照片，這是當時最好的望遠鏡之一，也是有史以來最大的折射望遠鏡。按照計劃，哈勃研究了星雲的本質特徵，並通過外觀對星雲進行了分類。到1917年的時候，這些觀測已經使他確信，有些星雲一定位於銀河系之外，尤其是那些巨大的螺旋星雲。

然而，他的這些觀點在那時並未得到進一步的發展。因為美國參加了第一次世界大戰，哈勃在完成博士論文答辯後，就於1917年4月參軍去了。儘管哈勃參加了殘酷的世界大戰，但他在美國本土駐紮了一年多才被派往歐洲，而且他在法國服役的那段時間，也沒有真正上過戰場。

不久，他就以少校的軍銜退役，隨即被喬治·海爾以年薪1500美元聘請到威爾遜山天文臺。1919年9月，哈勃回到威爾遜山天文臺，成為了天文臺的正式工作人員。威爾遜山天文臺是現代天文學的聖地，不久前這裡剛建成了2.5米口徑的胡克望遠鏡。這臺望遠鏡在接下來的30多年裡一直是全世界最大、最先進的光學望遠鏡。在這裡，哈勃有幸成為這座最強大的望遠鏡最早的使用者之一。

胡克望遠鏡。版權／Mount Wilson Observatory

然而，在這裡哈勃也遇到了他一生的競爭對手，那就是沙普利。哈勃和沙普利都將胡克望遠鏡對準了仙女座星雲和其它星雲。幸運的是，沙普利不久後離開了威爾遜山天文臺，接任了哈佛大學天文臺臺長，這樣哈勃就得到了更多寶貴的觀測時間。正是得益於大型望遠鏡的使用和攝像技術的改進，哈勃成功地抓住人生的機遇。在強大的望遠鏡加持和照片長期曝光的操作下，星雲中那些原本肉眼看不見的現象，在他的底片中接二連三地出現。從此，坐擁全世界最強大望遠鏡的哈勃開始一鳴驚人。

1923年10月4日的夜晚，哈勃將胡克望遠鏡對準了仙女座星雲的旋臂。雖然當時的觀測條件並不理想，但他還是成功拍攝了一張照片。在40分鐘的曝光後，照片上出現了一個點，看起來像是仙女座星雲中一個可疑的新星。當然，這也有可能只是沖洗照片時不小心留下的痕跡。這一新發現立刻引起了哈勃的好奇，他在第二天晚上重複了前一晚的觀測，並且延長了曝光時間。當他將新拍攝的仙女座星雲照片與之前的進行對比後，他又發現了兩顆新星。按照慣例，他在照片上將這些新星標記為「N」（nova）。由於這是他本月當班的最後一晚，第二天他帶著新發現的三顆新星，滿懷喜悅地離開了天文臺。

回到辦公室後，哈勃開始仔細地對比天文臺的底片檔案，他發現其中一顆被他標記為新星的星，其實在過去的記錄中就已經出現過。這意味著這顆星並不是新星，而是一顆時隱時現的變星。這個發現讓哈勃興奮不已，他立刻在照片上將「N」字擦掉，寫上了「VAR！」（variable）。哈勃激動地看著這毫不起眼的星點，這彷彿是仙女拋出的嫵媚眼神，讓他神魂顛倒。在核實無誤後，哈勃激動不已。他十分確定這就是變星，而且正是造父變星！這是在仙女座星雲中首次發現了造父變星。

很快，哈勃畫出了這顆星的光變曲線，並測出其光變週期是31.415天。他又利用被測恆星視星等，以及造父變星的周光關係得出了最終結論，這顆恆星離地球約有90萬光年。沙普利在很早前就已經確定了用周光關係測定造父變星距離的基準。所以，哈勃能夠輕易地用這把現成的「尺子」，輕鬆地估計出仙女星雲距離地球的距離。

此前，沙普利通過星團的測量發現，銀河比其他所有人想象得都更大，以至於他認為銀河就是整個宇宙，而宇宙的大小也不過是30萬光年。哈勃則發現仙女座星雲中的造父變星到我們的距離，是沙普利宣稱宇宙直徑的三倍。毫無疑問，仙女座星雲是銀河系之外的另一個恆星世界。

在接下來的幾個月裡，哈勃在仙女座星雲中又發現了1個造父變星和9個新星，而且根據它們得出的結論也都是一致的。此外，哈勃在其它星雲中也發現了造父變星和新星。1924年2月19日，依然沉浸在興奮中的哈勃，給在哈佛的沙普利寫了一封信。在寄出那封信之後，他倒忙裡偷閒，自己結婚度蜜月去了。

在這封信中，哈勃毫不避諱地開門見山說道：「親愛的沙普利：你可能會有興趣知道，我已經在仙女星雲中找到了一顆造父變星……」他還在信中附上了一幅描述這顆星的光強變化的曲線圖。雖然，這顆極其微弱的亮度只有18等的星，其光強變化的週期卻長達31天。根據周光關係，如此長的週期表明這其實是一顆內在亮度極其明亮的恆星。與它微弱的視覺亮度相比，說明它的距離非常遙遠。

哈勃隨信寄給沙普利的變星光強變化曲線圖。版權／Mount Wilson Observatory

根據沙普利的高徒塞西莉亞·佩恩回憶，沙普利在寥寥地掃了一下哈勃的來信後，便立刻領悟到他自己的宇宙圖景已經完全被摧毀了，只能哀嘆道：「這封信摧毀了我的整個世界。」沙普利為此倍感惆悵與失落，在他看來，假如他當年留在了威爾遜山，這些偉大的發現也許就沒有哈勃什麼事了。

1924年底，美國科學促進會在華盛頓舉行為期6天的年會。美國天文學會也一起湊熱鬧，同時舉行他們自己的年會。普林斯頓大學教授亨利·諾里斯·羅素，也就是赫羅圖的創建者之一，曾多次給哈勃去信邀請他參會，並且暗示他的論文一定能夠贏得天文學會的年度大獎。

與此同時，哈勃的發現不僅在天文學圈子裡不脛而走，就連《紐約時報》這些媒體也都紛紛報道了哈勃發現遙遠宇宙的訊息。但是，哈勃卻遲遲沒有提交論文，他害怕自己的資料或推論存在紕漏，於是躲在威爾遜山上拍攝更多的照片，希望掌握更多的資料。在羅素的反覆催促下，哈勃終於給他寄去了一篇論文稿。他自己則依然待在威爾遜山，並沒有親自去參加會議。

1925年元旦註定要成為一個重要的歷史性時刻。在喬治·華盛頓大學新建的大禮堂裡，羅素宣讀了哈勃題為《螺旋星雲中的造父變星》（Cepheids in Spiral Nebulae）的論文。在論文中，哈勃報告說他已經在仙女座星雲中找到了12顆造父變星，還在另一個星雲中找到了22顆，而且在其它一系列星雲中也看到了變星的跡象。不僅如此，他還報告說已經能夠清晰地看到星雲的外緣，是由一顆顆可辨認的恆星組成。所以，這些星雲不僅非常遙遠，也不像沙普利猜測的那樣由氣體塵埃組成，而是像我們的銀河系一樣群星璀璨。

終於，長久以來關於「宇宙島」的爭論平息了，一個超乎人類想象的大宇宙呈現在人們的面前。銀河系之外，是更為廣闊的世界，有無窮無盡的星系分佈在無垠的宇宙。自此，天文學又一次進入了一個全新的時代。

1922年哈勃在操作胡克望遠鏡。來源／wiki

作者簡介 /

李亮，中國科學技術大學科學技術史博士，中國科學院自然科學史研究所研究員。

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編輯 / 緩緩 懷塵