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銀河之外:回憶艾德溫·哈伯改變人類對宇宙的認識

2024-07-24科學

艾德溫-哈伯證明了宇宙正在膨脹,並確定了銀河系以外的星系,從而徹底改變了天文學。他的研究為哈伯定律奠定了基礎,重塑了我們的宇宙觀。他的遺產透過哈伯太空望遠鏡得以延續。

艾德溫-鮑威爾-哈伯(Edwin Powell Hubble)透過在韋遜山天文台的觀測,改變了我們對宇宙的看法,使其從靜止的實體變成了膨脹的實體。他的研究證明了銀河系以外星系的存在,並建立了哈伯定律的基本原理。哈伯的學術歷程以從法律轉向天文學為標誌,這是他畢生的激情所驅使的。雖然他從未獲得過諾貝爾獎,但他的貢獻仍然至關重要,哈伯太空望遠鏡的命名就是對他貢獻的紀念。圖片來源:歐空局/哈伯

由於哈伯的工作,我們對人類在宇宙中的地位的認識發生了永久性的改變:人類再次被置於宇宙中心之外。當科學家們決定用這位現代宇宙學奠基人的名字來命名太空望遠鏡時,這個選擇再合適不過了。

艾德溫-哈伯 1889 年出生於密蘇裏州,是一位保險經理的兒子,9 年後搬到芝加哥。1906年他高中畢業時,校長說"艾德溫·哈伯,我觀察了你四年,卻從沒見你學習過十分鐘"他停頓了一下,讓年輕的艾德溫惶恐不安了一會兒,然後繼續說:"這是芝加哥大學的獎學金"

這個高中獎學金也被錯誤地頒給了另一個學生,所以錢必須減半,剩下的錢由艾德溫自己提供。他透過做家教、暑假打工以及在大三時獲得物理學獎學金並擔任實驗室助理來支付學費。最終,他於 1910 年獲得了數學和天文學學位。

艾德溫-鮑威爾-哈伯 1931 年的工作室肖像。圖片來源:Johan Hagemeyer, Camera Portraits Carmel

哈伯是一個身材高大、體格健壯的年輕人,他熱愛籃球和拳擊,體育特長和學術能力的結合為他贏得了牛津大學的羅德獎學金。在牛津大學,他向臨終的父親許下諾言,父親從未接受艾德溫對天文學的癡迷,這使他選擇了學習法律而非科學,盡管他也選修了文學和西班牙語。

他在牛津大學學習羅馬法和英國法,1913 年才回到美國。在這裏,他透過了律師資格考試,並在肯塔基州半心半意地從事了一年的法律工作,當時他的家人就住在那裏。

1913 年秋,他還受聘於新奧爾巴尼高中(印第安納州新奧爾巴尼),教授西班牙語、物理和數學,並擔任籃球教練。他作為一名教師所受到的歡迎記錄在學校專門為他出版的年鑒中:"我們敬愛的西班牙語和物理老師,在我們高年級時一直是我們忠實的朋友,無論在學校還是在球場上,他都願意為我們加油助威,我們,1914 屆學生,謹以此文獻給他。"

1914年5月學期結束後,哈伯決定繼續追求自己的第一愛好,於是以研究生的身份重返大學,學習更多的天文學知識。

2009年5月19日,亞特蘭蒂斯號太空穿梭機上的一名STS-125機組成員拍攝到了哈伯太空望遠鏡的這張靜態圖片。在這一周中,進行了五次太空行走,以完成軌域觀測站的最後一次維修任務。資料來源:美國太空總署

英國著名天體物理學家史帝芬-霍金在他的【時間簡史】一書中寫道,哈伯"發現宇宙正在膨脹是20世紀偉大的思想革命之一"。當艾德溫於 1914 年在芝加哥大學開始攻讀天文學博士學位時,誰能想到他會有這樣的未來?

1917 年初,當哈伯還在完成他的博士學業時,他就受到了加利福尼亞州帕薩迪納韋遜山天文台創始人喬治-埃勒裏-黑爾的邀請,加入了那裏的工作人員行列。這是一個絕佳的機會,但卻發生在可怕的一年的四月。哈伯熬夜完成了他的博士論文,並在第二天早上參加了口試,之後他應征入伍,並給黑爾發了電報:"很遺憾不能接受您的邀請。我去打仗了"。

他在法國服役,1919 年返回美國。他立即前往韋遜山天文台,剛退伍的哈伯少校(他總是這樣自我介紹)也來到了那裏,雖然還穿著軍裝,但已經做好了開始觀測的準備。

哈伯很幸運,在正確的時間來到了正確的地點。韋遜山是新天體物理學(後來被稱為宇宙學)觀測工作的中心,100 英寸的虎克望遠鏡是當時地球上最強大的望遠鏡,經過近十年的努力,剛剛完成安裝。

在山上,哈伯遇到了他最大的科學對手哈洛-沙普利(Harlow Shapley),後者已經透過測量我們銀河系的大小而聲名鵲起。沙普利使用了哈佛學院天文台的亨麗Eta-利維特(Henrietta Leavitt)首創的一種方法,這種方法依靠被稱為"仙王座變星"的明亮恒星的標準化光變行為來確定天體的距離。

他得出的銀河系寬度為 30 萬光年,大約是之前公認值的 10 倍。然而,沙普利和當時的大多數天文學家一樣,仍然認為銀河系就是宇宙的全部。盡管威廉-赫歇爾(William Herschel)早在18世紀就提出了這樣的建議,但他還是贊同這樣的觀點,即所有星雲都是相對較近的天體,只是天空中的一些塵埃和氣體。

在證明沙普利的觀點是錯誤的之前,哈伯不得不在強大的虎克望遠鏡前度過了無數個嚴寒的夜晚。1923 年 10 月,他在仙女座的 M31"星雲"中發現了一顆他最初認為是新星的恒星在急劇閃爍。在仔細查驗了包括沙普利在內的其他天文學家之前拍攝的同一區域的照片後,他意識到這是一顆仙王座恒星。哈伯使用沙普利的方法測量了與這顆新仙王座恒星的距離。這樣,他就可以把 M31 放置在一百萬光年之外--遠在銀河系之外,因此它本身就是一個包含數百萬恒星的星系。那天,已知宇宙的範圍急劇擴大,從某種意義上說,宇宙本身也被發現了!

就連當時的【紐約時報】也意識到了這一發現的重要性:"發現螺旋星雲是恒星系統。哈伯爾博士[原文如此]證實了它們是與我們的宇宙相似的'島嶼宇宙'的觀點"。

這一發現對天文學界意義重大,但哈伯最輝煌的時刻還在後面。他開始對所有已知星雲進行分類,並根據它們發出的光的光譜來測量它們的速度。1929年,他又有了一個驚人的發現--所有星系似乎都在從我們身邊後退,其速度與它們離我們的距離成正比增長--這種關系現在被稱為哈伯定律。

這一發現對當時的天文學來說是一個巨大的突破,因為它推翻了靜態宇宙的傳統觀點,表明宇宙本身正在膨脹。十多年前,愛因斯坦本人屈服於當時的觀測智慧,修正了他最初預測宇宙膨脹的方程式式。現在,哈伯證明了愛因斯坦當初的預言是正確的。

這位年逾古稀、舉世聞名的物理學家特意前往韋遜山拜訪哈伯,表達他的感激之情。他稱當初改變他心愛的方程式式是"我一生中最大的失誤"。

哈伯一直在韋遜山孜孜不倦地工作,直到1942年夏天,他離開韋遜山參加第二次世界大戰。1946 年,他被授予榮譽勛章。最後,他回到了自己的天文台。他對天文學的最後一項重大貢獻是在帕洛瑪山設計和建造黑爾 200 英寸望遠鏡的過程中發揮了核心作用。黑爾望遠鏡的功率是虎克望遠鏡的四倍,幾十年來一直是地球上最大的望遠鏡。1949 年,他獲準首次使用這架望遠鏡,從而獲得了榮譽。

哈伯一生都在為獲得諾貝爾獎而努力,甚至在 20 世紀 40 年代末僱用了一個宣傳代理人來宣傳他的事業,但所有的努力都是徒勞的,因為天文學沒有諾貝爾獎。1953 年,哈伯在準備幾個晚上的觀測時去世,他最後的偉大抱負未能實作。

如果他知道"太空望遠鏡"是以他的名字命名的,他一定會非常激動,這樣天文學家們就可以繼續"希望發現一些我們意想不到的東西",正如他 1948 年在倫敦的 BBC 廣播中所說的那樣。

編譯自/scitechdaily