我们如何知道宇宙正在膨胀

不到一百年前，天文学家还认为银河系是宇宙中唯一的星系，望远镜捕捉到的模糊星云则都是银河系范围内的气体云。各种结果表明，宇宙是静态的，并没有随时间推移而变化。

▲ 天体物理学家曾经相信宇宙是静态的，只包含银河系，但后来的科学研究明确表明，事实并非如此。

一个例外是美国天文学家维斯托・斯里弗的发现。早在 1912 年，他就注意到仙女座星云正以每秒 300 公里的速度向太阳移动。为了确定这一点，他利用了多普勒效应，即由于波源（或观测者）的运动而引起的波动频率变化。在听到救护车或喇叭移向或远离我们的时候，我们都会感受到多普勒效应。如果移向我们，声波会被压缩，音调也会更高；如果远离我们，声波会被拉长，音调也会降低。光波也是如此。斯里弗推测，仙女座星云正在向我们移动，因为它的光移到了光谱的蓝端。

斯里弗是对的。我们现在知道，仙女座星系不仅在向我们移动，而且将在大约四五十亿年后与银河系碰撞 -- 形成"银河仙女座"（Milkdromeda）星系。

到 1917 年，斯里弗测量了其他几个星云的径向速度（物体向观察者方向移动的速度分量），得出结论称，它们正在红移，即远离我们。在欧洲，几乎没有科学家听说过斯里弗的研究结果。即使在美国，他的观点也存在争议。1917 年，爱因斯坦用全新的广义相对论提出了现代的第一个宇宙模型，他假设宇宙是静态的。

1920 年的大辩论

1920 年 4 月 20 日，在美国国家科学院的赞助下，威尔逊山天文台的哈洛・沙普利与匹兹堡阿勒格尼天文台的希伯・柯蒂斯展开了一场辩论，探讨星系的本质。星云究竟是不是银河系外的"岛屿宇宙"？银河系是不是唯一的星系，被浩瀚的真空所包围？这次辩论被称为"沙普利-柯蒂斯之争"，也被称为"世纪天文大辩论"（Great Debate）。这是一个有力的例子，说明了初步数据可以用各种不同的方式进行解释，而所有这些方式似乎都是合理的。另一方面，这也说明了为什么更好的数据对于健全的科学研究是至关重要的。

沙普利认为，银河系比大多数人想象的要大得多，因此有足够的空间容纳所有的星云。柯蒂斯提出了相反的观点，认为星云是银河系之外的其他星系。尽管沙普利似乎在这场辩论中占了上风，但最终的结果并不是决定性的。

哈勃的标准烛光

埃德温・哈勃正是在这时候介入了，他想要彻底结束这场争论。

哈勃利用威尔逊山天文台的 2.54 米胡克望远镜，在其他星云中发现了天文学家所说的"标准烛光"，也就是具有已知亮度的光源。想象一下，在一个黑暗的夜晚，你把相同的手电筒放在空旷场地的不同距离上，通过测量它们的相对亮度，就可以利用平方反比定律（光的强度与光源距离的平方成反比）来确定它们与你的距离。

哈勃在许多星系中都发现了标准烛光：一类被称为"造父变星"的恒星具有非常典型的脉动周期。哈佛大学天文台的亨丽爱塔・勒维特在造父变星方面做出了杰出的贡献，发现了这类恒星的周光关系，使得后来的天文学家能够计算地球与遥远星系间的距离。从邻近的光源开始，哈勃构建了一个"宇宙距离阶梯"，用他确定的标准烛光测量更遥远的星系距离。

1924 年初，哈勃写信给沙普利，表示自己在仙女座星云中发现了造父变星。沙普利立刻明白，他对宇宙的观点已经过时。到 1924 年底，哈勃已经在仙女座星云和其他 22 个螺旋星云中发现了几十个造父变星，它们之间的距离达数百万光年。大辩论结束了：宇宙是由"岛屿宇宙"组成的，这些星系相距遥远。不过，此时的宇宙仍然是静态的。

从静态宇宙到哈勃定律

同时，一些宇宙理论模型提出了与爱因斯坦相反的观点。宇宙会随着时间而改变。

1917 年，荷兰天文学家、物理学家威廉・德西特提出，一个拥有"宇宙学常数"的空宇宙将以指数级速度膨胀。（爱因斯坦在 1917 年提出了一个宇宙学常数，用来抵消引力场的影响，使他的方程能有静态宇宙的解。除去此项，宇宙就会快速增长。）

1922 年，俄罗斯宇宙学家亚历山大・弗里德曼提出，即使没有宇宙学常数，宇宙也可以膨胀和收缩，这取决于宇宙中含有多少物质。几年后，比利时神父兼天体物理学家乔治・勒梅特提出了一个原始原子模型，在这个模型中，宇宙从一个巨大的放射性中子球的衰变中诞生，并继续膨胀，产生星系和恒星。

这些理论或许很令人兴奋，但只有数据才能给理论注入生命。经过细致的研究，1929 年，哈勃和他的助手米尔顿・赫马森宣布，他们的观测结果支持了宇宙正在膨胀的观点。哈勃确定了他所需要的标准烛光 -- 在 46 个星系中那些非常明亮的恒星，甚至比造父变星还要亮。他得出结论，星系彼此远离的速度与它们的距离成正比。这种关系原先被称为哈勃定律，现在被改为哈勃-勒梅特定律，是描述宇宙如何膨胀的理论基础。

宇宙膨胀并不像炸弹爆炸

人们常常把宇宙的膨胀与炸弹的爆炸相混淆，但二者毫无相似之处。炸弹有一个爆炸中心，弹片会从这个中心点飞离，周围空间则作为背景保持固定。相比之下，宇宙的膨胀就是空间本身的膨胀，就好比你脚下的地面开始向两个方向伸展（因为地面是二维的），连同地面上的一切也开始互相远离。就像一个摆着许多课桌的教室，当地面延伸时，课桌也会移开距离。如果每张课桌都是一个星系，那么随着空间的膨胀，所有星系都会彼此远离。没有哪个比另一个更重要。

在膨胀的宇宙中，没有哪一点比其他任何一点更重要。回溯宇宙的历史，所有的点最终都汇聚在一起；那是大爆炸的时刻，发生在大约 138 亿年前，标志着宇宙膨胀的开始。