離家出走的恒星

宇宙在加速膨脹

多普勒頻移：在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高（藍(lán)移）；當(dāng)運動在波源后面時，會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，頻率變得較低 （紅移）。

埋沒的功臣

美國天文學(xué)家斯來弗在記錄恒星光譜圖上的讀數(shù)時發(fā)現(xiàn)了一個令人驚訝的現(xiàn)象：恒星好像在離我們遠(yuǎn)去。斯來弗發(fā)現(xiàn)恒星正在發(fā)生著一種叫作“紅移”的現(xiàn)象。

斯來弗第一個注意到了這種現(xiàn)象，這對于理解宇宙的變化趨勢具有十分重要的意義。然而這一發(fā)現(xiàn)并沒有引起人們的重視，以至于每逢談到發(fā)現(xiàn)“恒星遠(yuǎn)去”時，人們首先想到的將是下面提到的人物。

埃德溫·哈勃

1889年出生在密蘇里州小鎮(zhèn)的埃德溫·哈勃有一個富裕的家庭，從小就接受了良好的教育，并且身體素質(zhì)良好，富于正義感，才華出眾。

他輕松地考上了芝加哥大學(xué)，攻讀物理學(xué)和天文學(xué)，而他當(dāng)時的系主任就是阿爾伯特·邁克爾遜，不過這并不是重點。哈勃后來聲稱，20世紀(jì)20年代時自己曾在肯塔基州當(dāng)過數(shù)年律師，其實他是在印第安納州當(dāng)中學(xué)教師和籃球教練。哈勃愛吹牛的習(xí)慣是一些人不喜歡他的原因之一。

1919年，30歲的哈勃在威爾遜山天文臺找到了個職位，由此開啟了他一生中真正燦爛輝煌的時刻。哈勃發(fā)現(xiàn)銀河系外存在著其他星系，并且宇宙正在不斷膨脹，他是銀河外天文學(xué)的奠基人和發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹實例證據(jù)的第一人。

紅移和藍(lán)移

光同時具有波的性質(zhì)和粒子的性質(zhì)，因此光的表現(xiàn)會符合多普勒效應(yīng)，光的多普勒效應(yīng)又被稱為多普勒—斐索效應(yīng)。光波與聲波不同的是，光的頻率變化能夠通過顏色表現(xiàn)出來。

來自天體的光被特定原子吸收，從而在光譜中形成暗譜線。這也就意味著可以通過暗譜線來推測出該天體上所含有的主要元素。

造父變星

哈勃在天文臺工作后，開始著手研究宇宙的存在時間和范圍。要想明確這兩個問題，首先需要知道星系離我們有多遠(yuǎn)以及正在以怎樣的速度遠(yuǎn)離我們。前文提到的紅移能夠幫助我們知道星系遠(yuǎn)離的速度，但我們還需要一個作為參考的目標(biāo)——標(biāo)準(zhǔn)燭光。

亨利埃塔·斯旺·萊維特想出了找到這類恒星的方法，這于哈勃來說是一個莫大的好消息，萊維特注意到造父變星有節(jié)奏的搏動現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)在掌握的知識，我們知道，這是已經(jīng)走過“主序階段”的恒星變成了紅巨星。在燃燒剩余燃料的過程中，它們產(chǎn)生了一種像呼吸一樣有節(jié)奏的、一明一暗的現(xiàn)象。

北極星是一顆造父變星，然而這種恒星是不多見的。萊維特發(fā)現(xiàn)通過比較造父變星的相對量級能夠計算出它們的相對位置。她把它們稱作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。

值得一提的是，同時期的安妮·江普·坎農(nóng)作為一名女計算員，發(fā)明了一種恒星分類系統(tǒng)，這種分類法直到現(xiàn)在仍在使用。

突破想象力的宇宙

機(jī)智的哈勃將萊維特和斯來弗的研究結(jié)果結(jié)合在一起，使人們認(rèn)識到了一個更大的宇宙。1924年，哈勃發(fā)表《旋渦星云里的造父變星》，證明宇宙中不只有銀河系，還有其他大量的星系，其中許多比銀河系還要大。

可見的宇宙中有1400億個星系。天體物理學(xué)家布魯斯·格雷戈里通過計算后發(fā)現(xiàn)，將星系縮小到豆子一般的大小可以填滿老波士頓花園或皇家艾伯特大廳。

量天尺

造父變星是一類具有高光度、周期性的脈動變星，可以用來測量不知距離的星團(tuán)、星系距離地球的距離。因此，造父變星也被稱為“量天尺”。

變化的光度

測算系外星團(tuán)距離

通過這種方法，我們推測出仙女座星云的距離約為220萬光年，銀河系的直徑約有10萬光年。

宇宙在擴(kuò)大

哈勃是一個勇于開拓的天文學(xué)家，他不久之后又重新投入工作，開始測量遠(yuǎn)方星系的光譜。254厘米口徑的天文望遠(yuǎn)鏡加上聰明的頭腦使這次的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行得特別順利。20世紀(jì)30年代初他便取得了成果：天空中的其他星系都在遠(yuǎn)離我們而去，而且它們的速率與距離完全成正比。哈勃開始只是觀測了600萬光年范圍的18個星系，僅憑這樣少的觀測成果就推導(dǎo)出了哈勃定律，這讓人不得不嘆服他敏銳的洞察力和科學(xué)的思維方式。

斯蒂芬·霍金為這一結(jié)論的出現(xiàn)時間感到遺憾，這一觀點應(yīng)該至少提前200多年提出。他認(rèn)為，在牛頓之后的任何一個有頭腦的人都應(yīng)當(dāng)明白，一個靜止的宇宙是會自行坍縮的。此外，恒星不斷釋放的熱量也會讓我們在有限的空間里被烤得難以為繼。

喬治·勒梅特與大爆炸宇宙論

哈勃擅長發(fā)現(xiàn)新東西，但對理論研究缺乏熱情。哈勃沒能把自己的發(fā)現(xiàn)與愛因斯坦的理論結(jié)合起來，他把這個機(jī)會無意中留給了一名比利時的學(xué)者——喬治·勒梅特。

勒梅特將宇宙不斷擴(kuò)大的現(xiàn)象與愛因斯坦的論斷結(jié)合在一起，開發(fā)出自己的理論。他認(rèn)為宇宙一開始是一個幾何點——原始原子，突然之間發(fā)生爆炸，然后一直向四面八方發(fā)散開來。在這一理論中星系的退行可在愛因斯坦的廣義相對論框架內(nèi)得到解釋。該理論后來發(fā)展完善為著名的“大爆炸宇宙論”。

運動的宇宙

宇宙從奇點發(fā)生大爆炸之后，經(jīng)歷了短暫的戲劇性的擴(kuò)大，之后進(jìn)入了無窮無盡的不斷擴(kuò)張之中。

暴脹：加速膨脹

極早期的宇宙視界尺度過小，按照一般膨脹的速度來發(fā)展的話，宇宙從誕生之初到現(xiàn)在也只不過100千米大小的區(qū)域。20世紀(jì)80年代，美國物理學(xué)家阿蘭·古斯提出了宇宙暴脹理論。

這一理論認(rèn)為在10-33秒內(nèi)，宇宙尺度增加了1026倍，即從暴脹前的10-25厘米區(qū)域增大到了直徑10厘米的大小。

星系遠(yuǎn)離的方式

宇宙膨脹經(jīng)常被錯誤地理解為星系的擴(kuò)大。事實上，膨脹理論的觀點是指宇宙中星系之間距離的不斷擴(kuò)大，而非星系內(nèi)部。