穷宇宙之际(吴国盛)
20世纪的(de)(de)天文(wen)学，由于观测手(shou)段更为(wei)先进(jin)(jin)，将人类(lei)的(de)(de)视(shi)野扩展(zhan)到了150亿光(guang)(guang)年的(de)(de)空间(jian)距离(li)。除(chu)了传统的(de)(de)光(guang)(guang)学望(wang)远(yuan)镜(jing)随光(guang)(guang)学材料的(de)(de)改进(jin)(jin)和(he)加工(gong)能力(li)的(de)(de)提(ti)高，出现了空前大的(de)(de)口径(jing)外(wai)，无线电接收(shou)技术的(de)(de)发(fa)展(zhan)，导致了可见光(guang)(guang)之外(wai)各波(bo)段的(de)(de)天文(wen)观测，射电望(wang)远(yuan)镜(jing)冲(chong)破(po)了银河系内星云尘埃等设置的(de)(de)光(guang)(guang)学屏障(zhang)，把目光(guang)(guang)射向了河外(wai)星系。天文(wen)学进(jin)(jin)入了全波(bo)时代(dai)。
天体(ti)物(wu)(wu)理学(xue)在20世纪(ji)发展成了天文学(xue)的(de)(de)主流，它(ta)最引人(ren)注(zhu)目(mu)的(de)(de)成就是诞生了将整(zheng)个宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)作为(wei)自己(ji)的(de)(de)研(yan)究(jiu)对象的(de)(de)现代宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)学(xue)。以爱因斯(si)坦的(de)(de)相对论为(wei)理论基础，以大尺度的(de)(de)天文观测特(te)别是河(he)外星系(xi)的(de)(de)普遍(bian)红移和宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)背景辐射为(wei)事实依据，宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)学(xue)展示了宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)整(zheng)体(ti)的(de)(de)物(wu)(wu)理特(te)征。
1河(he)外(wai)星系的观测与(yu)红移的发现
在(zai)浩瀚的太空(kong)中，除了有无数发光的星(xing)星(xing)外，还有弥散状的星(xing)云。关于(yu)星(xing)云的本质(zhi)长时期存在(zai)争论(lun)，一(yi)种(zhong)(zhong)观点认为星(xing)云是(shi)银河(he)系内(nei)的星(xing)际物质(zhi)，另一(yi)种(zhong)(zhong)观点则认为，星(xing)云实(shi)际上是(shi)像银河(he)系一(yi)样(yang)巨大的恒星(xing)集团(tuan)，只是(shi)因为太远(yuan)而看(kan)起来像“云”，由(you)于(yu)观测手段(duan)的限制，这(zhei)两种(zhong)(zhong)观点孰(shu)是(shi)孰(shu)非无法得到最后的判明。
到(dao)了20世纪(ji)，观测手段有(you)了较大(da)的(de)发(fa)展(zhan)，美国在威尔逊山(shan)上建(jian)造(zao)了当时世界上最大(da)的(de)25米(mi)口径的(de)反射望远镜，确定(ding)空(kong)间(jian)距(ju)离的(de)天体物(wu)理方法也发(fa)展(zhan)了起来。人们可以对星云的(de)本(ben)质有(you)所说明了。
宇(yu)宙(zhou)空(kong)间(jian)的(de)(de)(de)尺度(du)是太大(da)了，不同的(de)(de)(de)尺度(du)范围(wei)要采(cai)用不同的(de)(de)(de)方法(fa)(fa)(fa)，因为(wei)在某个范围(wei)有(you)效的(de)(de)(de)方法(fa)(fa)(fa)进一(yi)步(bu)扩展就(jiu)失效了。对(dui)于较邻(lin)近的(de)(de)(de)天体，可以用三(san)角法(fa)(fa)(fa)测(ce)距(ju)。三(san)角法(fa)(fa)(fa)也(ye)就(jiu)是传统的(de)(de)(de)视(shi)差法(fa)(fa)(fa)，距(ju)离(li)太阳最近的(de)(de)(de)比邻(lin)星(xing)(即半人马座α星(xing)，我(wo)国古代称(cheng)之为(wei)南门二)就(jiu)是通过视(shi)差法(fa)(fa)(fa)测(ce)出的(de)(de)(de)，距(ju)离(li)为(wei)43光(guang)年(nian)。使用三(san)角法(fa)(fa)(fa)已经(jing)测(ce)定了500光(guang)年(nian)的(de)(de)(de)空(kong)间(jian)距(ju)离(li)，但更大(da)的(de)(de)(de)距(ju)离(li)三(san)角法(fa)(fa)(fa)就(jiu)无(wu)能(neng)为(wei)力了。
更大的(de)(de)(de)距(ju)离(li)往往采用光(guang)度(du)方法(fa)确定(ding)，我们(men)知道(dao)，恒(heng)(heng)星(xing)的(de)(de)(de)视(shi)亮(liang)度(du)、距(ju)离(li)与本身(shen)的(de)(de)(de)光(guang)度(du)三者之间(jian)存在某种确定(ding)的(de)(de)(de)关系，视(shi)亮(liang)度(du)是可(ke)以(yi)在地球上测(ce)定(ding)的(de)(de)(de)，因(yin)此只(zhi)要(yao)知道(dao)了某恒(heng)(heng)星(xing)的(de)(de)(de)光(guang)度(du)就可(ke)以(yi)知道(dao)它的(de)(de)(de)距(ju)离(li)。天体物理学已经得知，从(cong)光(guang)谱分布可(ke)以(yi)相对地确定(ding)恒(heng)(heng)星(xing)的(de)(de)(de)光(guang)度(du)。因(yin)此，光(guang)度(du)方法(fa)可(ke)以(yi)用来大致地确定(ding)更远的(de)(de)(de)空间(jian)距(ju)离(li)。使(shi)用主序星(xing)作(zuo)为标准，天文学家测(ce)出(chu)了10万(wan)光(guang)年的(de)(de)(de)空间(jian)距(ju)离(li)，大致搞(gao)清楚了银河系的(de)(de)(de)空间(jian)结构。
超出10万光年(nian)之外，主(zhu)序星(xing)的(de)光度就显得太(tai)小而不为(wei)我(wo)们(men)所见，天文(wen)学家又找到了造父变星(xing)作为(wei)标准(zhun)，利用这个(ge)新的(de)光度标准(zhun)，可以确定星(xing)云的(de)本质了。
1924年(nian)，美(mei)国(guo)天文学(xue)家哈勃(bo)(1889—1953)利(li)用威尔逊(xun)山的(de)(de)大望远镜观(guan)察仙女座大星云(yun)，第一次发现它实(shi)(shi)际(ji)上由许多(duo)恒(heng)星组(zu)成，而且其中有造父变星，这样就可以运用光(guang)(guang)度方法(fa)来确定它的(de)(de)距离了(le)(le)。计算的(de)(de)结果是，仙女座星云(yun)位于70万光(guang)(guang)年(nian)之外，远远超(chao)出(chu)了(le)(le)银河(he)系(xi)(xi)的(de)(de)范围，这就最终(zhong)证(zheng)明了(le)(le)某些星云(yun)确实(shi)(shi)是遥远的(de)(de)星系(xi)(xi)。哈勃(bo)一鼓作(zuo)气，此后十年(nian)致(zhi)力于观(guan)测河(he)外星云(yun)，并找到(dao)了(le)(le)测定更(geng)远距离的(de)(de)新的(de)(de)光(guang)(guang)度标准，将人类(lei)的(de)(de)视野扩(kuo)展到(dao)了(le)(le)5亿光(guang)(guang)年(nian)的(de)(de)范围。
与(yu)此(ci)同时，美国(guo)另一位天文学家(jia)斯(si)莱弗(1875—1969)正(zheng)致力于恒(heng)星(xing)光(guang)谱(pu)的(de)研究。从1912年开始，他(ta)将视(shi)线对准了(le)河外(wai)(wai)星(xing)云(yun)，发现它们的(de)光(guang)谱(pu)线普遍存(cun)在(zai)着(zhe)向(xiang)红端移(yi)动的(de)现象(xiang)。随(sui)着(zhe)观测的(de)进(jin)展，积累的(de)数据越来越多，除个(ge)别例(li)外(wai)(wai)，几乎所有(you)的(de)河外(wai)(wai)星(xing)系(此(ci)时哈勃已经表明这(zhei)些星(xing)云(yun)确(que)实是河外(wai)(wai)星(xing)系)的(de)光(guang)谱(pu)都有(you)红移(yi)现象(xiang)。如果按照多普勒效应(ying)解释，这(zhei)就意味着(zhe)这(zhei)些星(xing)系都在(zai)远离地球而去，而且(qie)退移(yi)的(de)速度相(xiang)当大(da)，比(bi)如室女座(zuo)星(xing)云(yun)的(de)速度达到(dao)了(le)每(mei)秒1000公里，这(zhei)样大(da)的(de)速度是令人称奇的(de)。
1929年，哈勃考察了斯莱弗的工作，并结合自己对河外星系距离的测定，提出了著名的哈勃定律：星系的红移量与它们离地球的距离成正比。这一定律被随后的进一步观测所证实。哈勃定律指出了河外星系的系统性红移，反映了整个宇宙的整体特征，特别是当红移作多普勒效应解释时，哈勃定律就展示了一幅宇宙整体退移也就是整体膨胀的图景：从宇宙中任何一点看，观察者四周的天体均在四处逃散，这就像是一个正在胀大的气球，气球上的每两点之间的距离均在变大。
