窮宇宙之際(吳國盛)
20世紀(jì)的天文學(xué)，由于觀測手段更為先進(jìn)，將人類的視野擴(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，無線電接收技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了可見光之外各波段的天文觀測，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象的現(xiàn)代宇宙學(xué)。以愛因斯坦的相對論為理論基礎(chǔ)，以大尺度的天文觀測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河外星系的觀測與紅移的發(fā)現(xiàn)
在浩瀚的太空中，除了有無數(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)長時(shí)期存在爭論，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)而看起來像“云”，由于觀測手段的限制，這兩種觀點(diǎn)孰是孰非無法得到最后的判明。
到了20世紀(jì)，觀測手段有了較大的發(fā)展，美國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。人們可以對星云的本質(zhì)有所說明了。
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。對于較鄰近的天體，可以用三角法測距。三角法也就是傳統(tǒng)的視差法，距離太陽最近的比鄰星(即半人馬座α星，我國古代稱之為南門二)就是通過視差法測出的，距離為43光年。使用三角法已經(jīng)測定了500光年的空間距離，但更大的距離三角法就無能為力了。
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地確定恒星的光度。因此，光度方法可以用來大致地確定更遠(yuǎn)的空間距離。使用主序星作為標(biāo)準(zhǔn)，天文學(xué)家測出了10萬光年的空間距離，大致搞清楚了銀河系的空間結(jié)構(gòu)。
超出10萬光年之外，主序星的光度就顯得太小而不為我們所見，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)用光度方法來確定它的距離了。計(jì)算的結(jié)果是，仙女座星云位于70萬光年之外，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河外星云，并找到了測定更遠(yuǎn)距離的新的光度標(biāo)準(zhǔn)，將人類的視野擴(kuò)展到了5億光年的范圍。
與此同時(shí)，美國另一位天文學(xué)家斯萊弗(1875—1969)正致力于恒星光譜的研究。從1912年開始，他將視線對準(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。隨著觀測的進(jìn)展，積累的數(shù)據(jù)越來越多，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，這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奇的。
1929年，哈勃考察了斯萊弗的工作，并結(jié)合自己對河外星系距離的測定，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，氣球上的每兩點(diǎn)之間的距離均在變大。
