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移除书签第3章 大辩论
已知的总是有限的，未知的则是无限的；从知识上说，我们像是处在一个令人费解的无边海洋中的小岛。我们每一代人的任务就是多回收一点土地。
——T.H.赫胥黎
了解宇宙的人越少，对它的解释就越容易。
——莱昂·布伦士维格
使用不充分的数据所造成的错误要比根本不使用数据所造成的错误少得多。
——查尔斯·巴贝奇
理论会崩溃，但好的观察永不褪色。
——哈罗·沙普利
首先，获取事实，然后你才能随心所欲地曲解它们。
——马克·吐温
天堂的轮子在你上方，向你展示她永恒的荣耀，但你的眼睛仍然只盯在地上。
——但丁
科学包含两个互补的链条——理论和实验。理论家考虑的是这个世界是如何运作的，并建立起描述实在的模型，而实验家则是通过将这些模型的结果与实际进行比较来检验这些模型。在宇宙学领域，爱因斯坦、弗里德曼和勒迈特等理论家已经发展出相互竞争的宇宙模型，但如何来检验它们是个很大的问题：你如何拿整个宇宙来做实验？
谈到做实验，天文学和宇宙学便被其他学科撇到一边去了。生物学家可以通过触摸、闻味、刺、捅，甚至品尝来感知他们研究的生物对象。化学家可以通过煮、烧和在试管中混合化学物质来更多地了解它们的特性。物理学家可以轻松地增加摆的质量和改变摆的长度来研究摆动为什么呈现这样一种方式。但是，天文学家只能冷眼旁观，绝大多数天体是那么遥远，他们只能通过检测这些星体发出并到达地球的光来进行研究。与主动深入各种各样的实验不同，天文学家只能被动地观察宇宙。换句话说，天文学家只可以看，但无法碰触。
尽管存在这样严重的限制，天文学家还是能够发现关于宇宙及其中天体的诸多信息。例如，1967年，英国天文学家乔瑟琳·贝尔就发现了一种被称为脉冲星的新型恒星。当她第一次在记录仪上看见规则的光脉冲信号时，她将其标记为“LGM”，即“小绿人”，因为它看上去就像智慧生物播出的一条信息。今天，当她站在讲台上讲授脉冲星时，贝尔·伯内尔教授（她现在被这么称呼）会让听众传阅一条折叠的小纸带。它上面说的是：“在拿起这条纸带的时候，你已经用了数千倍于世界上所有望远镜从所有已知的脉冲星那里收到的能量。”换句话说，像其他恒星一样，这些脉冲星辐射能量，但它们是那么遥远，天文学家经过几十年的密集观察，也才收集到来自它们的这么一点点能量。不过，尽管能量如此微弱，但天文学家已经能够从中推断出有关脉冲星的几个事实。例如，它们表明，脉冲星是恒星生命的最后阶段，是由称为中子的亚原子粒子构成的，其直径一般为10千米，它是如此致密，以至于一小匙脉冲星物质竟重达10亿吨。
只有通过观察收集到尽可能多的信息天文学家才有可能开始检查理论提出的模型，并检验它们是否正确。而为了检验所有模型中最大的模型——竞争性的大爆炸模型和稳恒态宇宙模型——天文学家将不得不将自己的观察技术推向极限。他们必须建造巨型望远镜，它包含硕大无比的镜面，由几个天文台共同安装调试，设备需要建造巨大的仓室来容纳，选址在深山山顶上。在我们考察20世纪大望远镜做出的新发现之前，我们首先需要了解一下截至1900年的望远镜发展的历史，看看这些早期设备是如何对改变我们的宇宙观做出贡献的。
凝望深空
伽利略之后，在设计和使用望远镜方面的下一个伟大先驱是弗里德里希·威廉·赫歇尔。赫歇尔于1738年出生在汉诺威，他最初是作为一个音乐家开始他的职业生涯的，跟着他父亲到汉诺威守备营作一名乐手。但在1757年的哈斯登柏克战役（七年战争的高潮）之中，他考虑要改变职业生涯。他遭到猛烈的炮火袭击，决定放弃他的工作和国家，到国外去过一种较为安静的音乐家生活。他选择了定居英国，因为此前汉诺威的乔治·路易斯已于1714年作为乔治一世登上英国王位，从而建立了汉诺威王朝。赫歇尔认为他去那儿应能获得表示同情的欢迎。他为自己取了个英国化的名字，叫威廉·赫歇尔，并在巴斯买了一套房子，由此作为一个优秀的双簧管演奏家、作曲家、指挥家和音乐老师过上了舒适的生活。然而，随着岁月的流逝，赫歇尔逐步对天文学感兴趣起来。这种兴趣从最初的业余爱好慢慢变成一种全身心的投入。最终他成为了一名全职的专业天文学家，并被他的同行们认为是18世纪最伟大的天文学家。
图32 威廉·赫歇尔，18世纪最著名的天文学家。为在夜晚观星，他穿着大衣戴着围巾
赫歇尔在1781年做出了他最有名的发现。他白手起家建造了一个望远镜，并在家里的花园里进行观察。他经过几个晚上的观察，辩认出天空中有一个新的天体在缓慢地移动。他开始以为这是一颗以前未曾发现的彗星，直到它变得清晰他才看清楚，这个天体没有尾巴，实际上是一颗新的行星，太阳系增加了一个大的成员。千百年来，天文学家只知道，除了地球外，还有其他5颗肉眼可见的行星（水星、金星、火星、木星和土星），但现在赫歇尔确定了一个全新的世界。他将它命名为Georgium Sidus（乔治之星），以纪念他的君主英王乔治三世，一位汉诺威老乡。但法国天文学家主张称这颗新的行星为“赫歇尔”，以纪念其发现者。最后这颗行星被命名为Uranus（天王星）——罗马神话中Saturn（土星）之父，Jupiter（木星）之祖父。
在后花园工作的威廉·赫歇尔，在欧洲奢华的宫廷天文台失败的地方获得了成功。他的妹妹卡罗琳一直担任他的助手，在助他成功上起到了至关重要的作用。虽然她自己就是一位杰出的天文学家，在她的职业生涯中曾发现了8颗彗星，但她却全身心地投入到支持威廉的工作中。在建造新望远镜的那段艰苦日子里，她和他并肩奋斗；在漫长寒冷的夜晚，她协助他观察夜空。她曾写道：“每个片刻闲暇都被抓来用于恢复一些进行中的工作，没时间考虑是否要换件外套，天长日久，衣服上一道道褶子被磨破，前后都沾满了溅上去的树脂……我甚至不得不把食物弄碎了喂到他嘴里。”
卡罗琳·赫歇尔提到的树脂是她哥哥用来作为抛光镜面的材料的。事实上，威廉对建造自己的望远镜感到非常自豪。作为一个望远镜制造者，他完全是自学成才，但他硬是凭借过硬的本领建造了当时世界上最好的望远镜。他的一架望远镜放大倍数可以达到2010倍，而皇家天文学家的最佳望远镜还只能达到270倍。
对任何望远镜，倍数当然是越高越好，但更重要的是它的集光能力，这可完全依赖于它的孔径，即主反射镜面或透镜的直径。肉眼可以看到的只有几千颗星星，而带大孔径的望远镜则展开一幅全新的前景。像伽利略用的那种非常小的望远镜可以将肉眼看不清的恒星展示在眼前，但对于更暗的星星就没有办法了。具有较宽口径的望远镜则能够捕捉、聚焦星光并将其放大到更高的倍数，这样较暗的、更加遥远的不可见的恒星就变得可见了。
1789年，赫歇尔建造了一架镜面直径达1.2米的望远镜，它具有当时世界上最大的望远镜的孔径。不幸的是，它有12米长，这使它变得如此笨重，以至于在望远镜被调到正确指向之前，宝贵的观测时间已经错过了。另一个问题是，镜面必须用铜质基架来支撑重量，而这带来的是它很快遭到锈蚀，抵消掉了它出色的聚光能力。1815年，赫歇尔不得不放弃这个怪物，改用小一点的望远镜（孔径0.475米、长6米）进行他此后的大部分观测。这架望远镜在灵敏性和实用性之间取得了平衡。
赫歇尔的一个主要研究项目是利用他的超级望远镜测量数百颗恒星的距离。他采用的粗略假设是，所有恒星发出同等亮度的光，而且观测到的亮度随距离平方的增大而降低。例如，如果一个恒星的距离是另一颗同等亮度恒星的距离的3倍，那么它在望远镜上显示的亮度就只有后者的1/32（或1/9）。反过来也一样，赫歇尔假定，一颗恒星探测到的亮度如果只有另一颗的1/9，那么前者的距离就是后者的3倍。以夜空中最亮的恒星天狼星为参考星，他根据到天狼星的距离——他定义的恒星距离单位，称为秒差距（siriometer）——的倍数，确定了他所测得的所有恒星的距离。因此，一颗恒星，如果其亮度只有天狼星的1/49（或1/72），那么它的距离就是天狼星的7倍，即7个秒差距。虽然赫歇尔知道不可能所有的恒星都一样亮，因此他的方法不是很准确，但他仍然相信，他是在构建一个基本有效的三维天图。
图33 在发现了天王星之后，赫歇尔搬到了斯劳，这地方的气候比巴斯更温和，也让他更接近他的赞助人，英王乔治三世。后者授予他每年200英镑的津贴，并资助他建造了创纪录的直径1.2米，长12米的望远镜
虽然我们可以合理地认为，恒星在各个方向，在所有距离上应该是均匀分布的，但赫歇尔的数据却强烈暗示，恒星事实上聚集在一个扁平的圆盘上，很像一个圆煎饼。这个巨大的煎饼的直径有1000个秒差距，厚度约100个秒差距。赫歇尔宇宙中的恒星不是延伸到无穷远，而是都包含在一个联系紧密的群落内。想象这种恒星分布的一个方法是将它设想为一个散布着葡萄干的煎饼，每一颗葡萄干代表一颗恒星。
这种宇宙观与我们看到的夜空的最著名的特征完全契合。如果你想象一下，我们处在煎饼内的某颗恒星上，那么我们将看到，在我们的前后左右都有很多恒星，但在我们的上方和下方，恒星却较少，因为煎饼很薄。因此，鉴于我们在宇宙中的有利位置，我们预料会看到星光都集中在我们周边——事实上从夜空中我们能看到这样的星带（只要你远离城市夜晚明亮的灯光）。古代天文学家非常了解夜空的这一特征。在拉丁语中这条星带叫作银河，意思是“牛奶路”，因为它有一种朦胧的、乳白色的质感。虽然古人看得不是很清楚，但使用望远镜的第一代天文学家则可以看到，这条乳白色的带实际上是由一个个的恒星汇集起来形成的，有些恒星太遥远很难被肉眼看清楚。这些恒星都位于我们周围的煎饼样的平面内。一旦宇宙的煎饼模型被接受，我们很快就知道这个星饼就是我们生活在其中的银河系。
由于银河系理应包含宇宙中所有的星星，因此银河系的大小实际上就是宇宙的大小。虽然赫歇尔已估计出银河系的直径和厚度分别为1000和100个秒差距，但直到他于1822年去世，他并不知道1个秒差距相当于多少千米。因此他无从知道银河系在绝对意义上的大小。要将秒差距转换成千米数，就需要有人来测量天狼星的距离。实现这一目标的重要一步发生在1838年，这一年德国天文学家弗里德里希·威廉·贝塞尔成为第一个测量一颗恒星的距离的人。
恒星距离之谜已困扰了几代天文学家，这个未解决的问题一直是哥白尼日心说的软肋之一。在第1章里我们了解到，如果地球绕太阳运动，那么当我们相隔6个月从太阳的两侧来看同一颗恒星时，显然它的位置会发生改变，这种现象被称为视差。回想一下，如果你竖起手指，用一只眼睛来看它，然后切换到另一只眼睛改变视角来看它，你会感觉到手指在背景下挪了位置。就是说，当观察点移动了位置，那么被观察对象似乎也移动了位置。然而，恒星似乎是固定不动的，这个事实让地球中心说的信徒拿来用以支撑其地球位置不变的信念。而持太阳中心说的人士则指出，恒星视差效应随着距离的增大而减小，因此恒星位置的不易察觉的变化可能只是意味着恒星距离地球一定是遥远得令人难以置信。
从1810年开始，通过弗里德里希·贝塞尔的努力，这句语义模糊的“遥远得令人难以置信”逐步被证实。当时，普鲁士国王腓特烈·威廉三世邀请贝塞尔在柯尼斯堡建造一座新的天文台。它将装备全欧洲最好的天文仪器，部分原因是英国首相威廉·皮特用他的惩罚性的窗口税毁掉了本国的玻璃制造业，从而使德国成为欧洲领头的望远镜制造商。德国人对镜片制作非常精心，他们发明了新的三透镜目镜，从而减小了色差带来的问题。所谓色差是指，各色光（白光是由各种单色光混合而成的）在通过镜片时由于折射率不同因而有不同的偏折所造成的聚焦上的困难。
贝塞尔在柯尼斯堡经过28年的磨炼和完善，他的观察最终取得了关键性突破。在考虑了各种可能的误差后，并通过相隔6个月的细致观察，他能够断言一颗叫天鹅座61的恒星位置移动了0.6272角秒，即大约0.0001742°。贝塞尔测得的这个视差非常之小——相当于你轮换两只眼睛来观察一臂之遥处竖起的食指所感觉到的移动……但这里的一臂之遥可是有30千米长！
图34显示了贝塞尔的测量原理。当地球处于位置A时，他观测天鹅座61时视线方向与日地连线方向呈某个角度。半年后，当地球处于位置B，他再次观测这颗恒星时，他注意到他的视线方向有轻微的移动。通过太阳、天鹅座61和地球三者之间形成的直角三角形，他可以利用三角法来估算这颗恒星的距离，因为他已经知道了日地之间的距离，现在他又知道了这个三角形的一个角。由此贝塞尔的测量表明，天鹅座61的距离为1014千米（100万亿千米）。现在我们知道，他的测量结果大约短了10%，因为现代估计，到天鹅座61的距离为1.08×1014千米，或日地距离的72万倍。正如图34的文字说明中给出的，这个距离相当于11.4光年。
哥白尼是正确的。星星确实在移动，恒星的“跳跃”之所以迄今为止一直难以察觉，是因为恒星的距离实在遥远得令人难以置信。尽管天文学家以前就知道，恒星肯定非常遥远，但当他们得知天鹅座61的绝对距离后，还是被吓着了。要知道，这还是到地球最近的一颗恒星。为了更清楚地理解这一点，我们不妨将宇宙缩微到我们的太阳系大小，这样，从太阳到冥王星轨道外缘的整个空间就相当于一间房子的大小，而我们到周边恒星的距离仍有几十千米远。很明显，我们银河系的恒星的聚集程度是非常稀松的。
图34 1838年，弗里德里希·贝塞尔第一次对恒星视差进行了测量。当地球绕太阳从A点移动到B点，近邻恒星（例如天鹅座61）分别从A点和B点观察时出现些许移动。到天鹅座61的距离可以通过简单的三角关系来测量。直角三角形中的锐角=（0.0001742°/2）或0.0000871°，三角形的短边是地球到太阳的距离。
因此贝塞尔估计，到天鹅座61的距离约为100 000 000 000 000千米，现在我们知道，这个距离实际上是108000000000000千米。
千米作为是恒星距离的测量单位显得太小了，所以天文学家更喜欢用光年作为长度单位，1光年定义为光在一年里走过的距离。1年有31 557 600秒，光速为299 792千米/秒，因此
1光年=31 557 600秒×299 792千米/秒=9 460 000 000 000千米
这意味着天鹅座61距离地球是11.4光年。光年的概念提醒我们，望远镜起着时间机器的作用。因为光走过任何距离都需要一定的时间，所以我们看到的只是天体的过去。阳光需要8分钟才能照射到我们，所以我们看到的太阳只是它8分钟前的样子。如果太阳突然发生爆炸，我们将在8分钟后才知道这件事。更遥远的恒星天鹅座61有11.4光年远，所以我们看到的只是它11.4光年前的样子。我们通过望远镜看得越远，我们所看到的就越是时间上的过去
贝塞尔的同时代人对他的测量结果大加称赞。德国医生兼天文学家威廉·奥伯斯说，这一成果“将我们对宇宙的想法第一次置于一个坚实的基础之上”。同样，约翰·赫歇尔——威廉·赫歇尔的儿子，也是一位著名的天文学家——称这一结果是“实用天文学迄今见过的最伟大、最光荣的胜利”。
现在，天文学家不仅知道了天鹅座61的距离，而且他们也可以估算出银河系的大小。通过将天鹅座61的亮度与天狼星的亮度进行比较，就能够大概地将威廉·赫歇尔的秒差距单位转换成光年，由此天文学家估计，银河系的跨度有10 000光年，厚度有1000光年。事实上，他们将银河系的大小低估了10倍。现在我们知道，银河系的跨度约为10万光年，厚度约10 000光年。
埃拉托色尼曾对他测得的到太阳的距离感到震惊，贝塞尔也对到最近的恒星的距离感到难以置信，但银河系的大小那才叫是真正的压倒性的大。与此同时，天文学家意识到，与假定的宇宙无限大相比，银河系的这种浩瀚还是微不足道的。一点不奇怪，一些科学家已开始琢磨银河系之外的空间是怎么回事。是完全空的吗，还是居住着其他天体呢？
注意力转向星云，夜空中那些奇妙的光的暗斑。它们看起来与星光的夺目的璀璨有很大的不同。一些天文学家认为，这些神秘天体可能洒满整个宇宙。但大多数人认为它们是我们银河系自身的更现实的实体。毕竟威廉·赫歇尔已经指明，一切都在我们这个薄饼状的银河系之内。
星云的研究可以追溯到古代天文学家，他们曾仅凭肉眼就发现了一些星云，但随着望远镜的发明，人们发现星云的数量多得令人惊讶。第一个编制详细的星云目录的人是法国天文学家查尔斯·梅西耶。他从1764年开始这项工作，在这之前，他曾成功地追踪过彗星，为此国王路易十五戏称他为彗星鼬。但梅西耶曾历经多次挫折，因为乍一看，很容易将彗星与星云这两种出现在天空的不同类型的微小暗斑混淆起来。缓慢移动的彗星划过天空，因此它们最终会显露出它们的真面目，但梅西耶要编制星云表，因此他没有大把的时间浪费在错误地盯着一个静态的对象徒劳地等着它移动。1781年，他发表了一份有103个星云的星表，直到今天，这些天体仍然以梅西耶的编号命名。例如，蟹状星云是M1，仙女座大星云是M31。梅西耶绘制的仙女座大星云的简图（如图35所示）。
当威廉·赫歇尔收到梅西耶星表的副本后，他把目光转向星云，用他的巨型望远镜对天空进行了地毯式搜索。赫歇尔的结果远远超过梅西耶，共记录下2500个星云。在调查过程中，他开始猜测其性质。由于它们看起来像云（“nebula”一词在拉丁语里的意思是“云”），因此他认为它们确实是大团的气体和尘埃。更具体地说，赫歇尔可以辨别出一些星云里的单星，所以他认为星云是由碎片包围着的年轻恒星，这些碎片想必正处于聚集形成行星的过程中。总而言之，在赫歇尔看来，这些星云似乎是正处在其寿命的早期阶段的恒星，像所有其他恒星一样，他们存在于银河系的范围内。
与赫歇尔认为的银河系是整个宇宙中唯一的恒星集群不同，18世纪的德国哲学家康德则持相反意见，他认为至少有一些星云是独立的恒星组群，其规模类似于银河系，但其周长则远远超出后者的周长。按照康德的观点，为什么星云看起来像云，是因为它们含有数以百万计的恒星，它们是如此遥远，以至于这些恒星都合并成一团光晕。为了支持他的假说，他指出，大多数星云都有一个椭圆形的外观，这恰恰是你所期望的，如果它们有如同我们银河系一样的圆煎饼结构的话。虽然银河从上方看起来像圆盘，从侧面观察时像一根细线，但如果从一个中间的角度去观察时，它将呈现为椭圆形。康德将星云称为“世界岛”，因为他将宇宙描绘成一个空间的海洋，其中零星分布着恒星构成的岛屿。我们的银河系就是这样的一个星岛。今天，我们将任何一个这样的孤立的恒星系统称为星系。
图35 经过20年的观察，查尔斯·梅西耶于1781年发表了一个有103个星云的星表。他详细绘制了他的星表上第31号星云——仙女座大星云。该图展示了星云与恒星之间的差异：前者有明确扩展的可见结构，后者则表现为一个光点
虽然康德偏好将星云看成是在银河系之外的星系的想法具有观察上的基础，但也有他信仰上的神学基础。他认为，上帝是万能的，因此宇宙应该是既永恒又是在内容上无限丰富的。在康德看来，上帝的创造仅限于银河系似乎是荒唐的：
如果我们将上帝的启示封闭在一个银河系半径所描述的球内，那么这并不比我们将其限定在一个直径1英寸的球内更接近上帝的无限的创造力。所有那些有限之物，无论是有极限还是与统一性有明确关联，都一样远离无限……正因此，具有神圣属性的启示涉及的领域必然像这些属性本身一样是无限的。永恒不足以囊括上帝的表现，如果它不与空间的无限性结合起来的话。
战线已经拉起来了。赫歇尔的支持者争辩说，星云是由碎片云环绕着的年轻恒星，它处于银河系之内；而康德的追随者则认为它们是星系，是远在银河系之外的独立的恒星系统。解决争论的关键是要拿到更好的观测证据，这项工作开始出现在19世纪中叶，是由非凡的威廉·帕森斯——第三代罗斯伯爵——做出的。
娶了个有钱的女继承人，并继承了比尔城堡——一座坐落在爱尔兰的大庄园，罗斯爵士很幸运，能够去追求一种绅士科学家的生活。他决心要建造世界上最大、最好的望远镜，而且不怕脏不怕累亲自动手。《布里斯托尔时报》的记者这样写道：
我看到了伯爵，那个亲自制造望远镜的人。他不是头戴礼帽，身着貂皮长袍，而是挽着衬衫袖子，露出他那粗壮的双臂。他刚刚离开他操作的台虎钳，身上还粘着铁屑粉末。他走到放在铁砧上的粗瓷面盆前洗手洗脸，两个铁匠则正挥动铁锤轮番锤击烧得发亮的铁棒，飞溅的火星向他们的贵族老爷扑来，但他们几乎不在意，就好像他是个火神。
仅仅铸造巨型望远镜的镜面本身就是一项重大的工程壮举。它需要用80立方米的泥炭来熔化3吨重的反射镜铸造材料，整个镜面直径达1.8米。阿马天文台台长托马斯·罗姆尼·罗宾逊博士见证了这一铸造过程：
崇高的美永远不会被那些亲眼目睹的幸运者遗忘。上方，是天空，缀满了星星并被最辉煌的月亮照耀着，就像是以吉祥的目光注视着他们的工作。下方，是熔炉——倾泻出带着近乎单色的黄色火焰的巨大的铁水，和点燃的坩埚——在铁水流过的地方，空气犹如红色的喷泉。
1845年，经过3年的建造，并自掏腰包花费了相当于100万英镑的开支，罗斯爵士终于制成了他的巨型16.5米长的望远镜（如图36所示），并开始用于观测。这期间正好赶上爱尔兰闹马铃薯饥荒。这是一场罗斯预计到并力图避免的灾难，早前他就曾主张采用新的种植技术，以减少马铃薯疫病带来的风险。他迅速停下他的天空调查，将时间和金钱都转移到支持当地社区的救灾工作上。他还免收他的房客的租金，赢得了作为一位真诚的政治家的声誉，在爱尔兰历史上的这段黑暗时期，他代表农村居民站出来竞选。
图36 罗斯爵士的“帕森斯镇的巨兽”，它有1.8米的强大口径，当它建成时，是当时世界上最大的望远镜。“帕森斯镇”是望远镜选址所在地的旧称，现在这个镇叫比尔
几年后，罗斯爵士最终又回归到对恒星的测量。每当他要进行观察时，都得爬上围绕他的巨型望远镜搭起来的脚手架，晃晃悠悠地蹲在那里观测。与此同时，当5名工人摇动曲柄，操纵平衡块和滑轮，以使望远镜被抬高到正确的高度时，他还得保持自身的平衡。夜复一夜，罗斯爵士和他的团队就这样与这个怪物搏斗，这也就是为什么它被戏称为“帕森斯镇的巨兽”。
罗斯观测夜空壮观景象的努力得到了回报。罗斯的助手，约翰斯通·斯托尼，将望远镜对准那些非常微弱的恒星进行观测后，这样评估了望远镜的质量：“这些恒星在大望远镜下非常明亮。它们通常看上去就像光球，像小豆豆，在大气扰动的背景下猛烈沸腾……测试表明望远镜确实非常接近理论上的完美。”
唯一的问题是，这架“巨兽”坐落在爱尔兰中部，这里不具备清澈无云的良好天气条件。除了“浓浓的雾”外，据说这里就只有两种类型的天气：“下雨之前”和“下雨之中”。有一次，这位极富耐心的爵士写信给他的妻子，解释说：“这里的天气依然混沌不清。但不是绝对不可救药。”
不知怎的，就是在这样的多云天气之间，罗斯居然能够对星云做非常详细的观察。星云在他的望远镜下不是表现为无形的一团污迹，而是开始展示自身独特的内部结构。屈从于“巨兽”的第一个星云是梅西耶星云表上的M51，罗斯为这个星云画出了惊人的详细结构图，如图37所示。他可以轻易地辨别出M51具有螺旋结构。他特别注意到了在旋臂之一的尾端有一个小的漩涡，这就是为什么M51有时被称为罗斯爵士的问号星云。罗斯的草图很快传遍整个欧洲，人们甚至认为正是这幅画激发了文森特·梵高创作出画《星夜》，这幅画明显展示了一个螺旋星云和一个伴随的漩涡。
这种与漩涡的相似性使M51获得了另一个绰号：旋涡星云。它还导致罗斯得出一个显而易见的结论：“这种系统的存在，如果没有内部运动，似乎是根本不可能的。”此外他还认为，旋臂的质量可能不仅仅是气态云：“因此我们认为，随着光学器件水平的连续不断地提高，结构会变得更复杂……但星云本身，无疑点缀着众多的星星。”
图37 罗斯爵士画的漩涡星云（M51）的结构，右边用作对比的是拉帕尔马天文台拍摄的现代图象。由此可见罗斯的望远镜的水平和他观察的准确性
事情变得越来越清楚：至少有一些星云是恒星的集合，但这并不能证明康德的理论，即星云是等同且独立于我们银河系的星系。这些星云必定巨大、独特且相距遥远，但漩涡星云或许是处于我们银河系内或边缘的一个相对较小的恒星子群。关键的问题是距离。如果有人能以某种方式测得星云的距离，那么它们是处在银河系内，还是处在银河系附近，或远远超出银河系的范围，将很容易决定。但是视差方法——这种用于测量恒星距离的最佳技术——却不能用到星云上。如果说，这种测量方法用来测量最靠近的恒星的角位移还算勉强可行的话，那么要用来识别银河系边缘的——亦或更遥远的——模糊星云的角位移就根本无从谈起了。这样，星云的身份只有留在被忘却的场所了。
随着每个10年的过去，天文学家在建造日益强大的望远镜方面投入了更多的资金。这些望远镜基本上都建在晴空无云的高海拔地区（不像爱尔兰）。虽然在他们的案头还有其他问题，但天文学家们特别迫切地想要搞清楚星云的真实身份，如果不能通过测量它们的距离来判断，那就得想办法寻找其他重要线索来揭示其性质。
建造望远镜的下一位大师是古怪的百万富翁乔治·埃勒里·海耳。事实表明他比罗斯爵士更沉迷。海耳出生于1868年，当时家住芝加哥北拉萨尔街236号。1870年，全家搬到了海德公园的郊区，有幸避开了1871年的芝加哥大火。那场大火烧毁了18 000座建筑物，包括他的老家。这座城市由此变成了建筑师手中的白板，接着，九层高的家庭保险大楼不仅成为当时世界上的第一高楼，而且在建筑设计上为芝加哥和美国其他许多城市的建筑开创了新趋势。海耳的父亲，威廉，早先是一位苦苦挣扎的推销员，但他足够聪明，搞到了贷款，并成立了一家为芝加哥摩天大楼提供必需的电梯的公司。最终，他甚至为艾菲尔铁塔修建了电梯。
家庭变得富裕后，就有能力让小乔治在显微镜和望远镜的兴趣方面放纵一把了。他们不知道，他童年的迷恋会演变成成年后的痴迷。事实上，海耳长大后就成为一连串世界级望远镜的制造者。他的第一个大项目开始，他便从西海岸的天文学家那里翻捡拾取一些已不用的镜头，他们刚刚放弃了自己建造望远镜的计划。海耳的雄心是要把这些镜头组合成一架40英寸（1米）口径的折射望远镜，他还想围绕这架望远镜建立一座完整的多功能天文台。
海耳为他的新望远镜和天文台向查尔斯·泰森·叶凯士寻求资金支持。叶凯士是一位交通领域的大亨，他通过建造芝加哥高架轨道交通系统挣了些钱，这套系统直到今天仍在服务于这座城市。叶凯士曾是个被定罪的骗子，所以海耳试图说服他，赞助天文台建设将有助于他洗刷污点并获得芝加哥上流社会的接纳。海耳还利用叶凯士嗜好胜人一筹的心理，向他指出富裕的土地投资家詹姆斯·利克已资助加州设立了利克天文台。他开始用口号“击败利克（Lick the Lick）”来游说叶凯士，因为他的新望远镜将让利克天文台相形见绌。
图38 1910年，安德鲁·卡内基和乔治·埃勒里·海耳在威尔逊山上，圆顶房屋的外面是60英寸的望远镜。百万富翁卡内基（左）站在斜坡上端，看上去显得高一些——这是他与其他人一起照相时经常采用的一种策略
为海耳的不懈努力所折服，不久叶凯士便决定拿出50万美元赞助天文事业，从而使叶凯士天文台成为芝加哥大学的一部分。捐献仪式结束后，一家报纸发了一篇大标题为“叶凯士闯入社会”的文章来突出这个骗子的新建立的地位。但对叶凯士不幸的是，这个标题过于乐观了。他仍未能被芝加哥精英阶层所接受，于是他移居伦敦，致力于发展那里的地铁系统，尤其是皮卡迪利线。
叶凯士天文台位于芝加哥北部120千米外的威廉姆斯湾社区附近。这个镇仍然依靠蜡烛和煤油灯照明，因此天文学家知道，天体微弱的光不会被明亮的电灯所污染。甚至离得最近的使用电灯的社区——度假胜地日内瓦湖——也在10千米外。这架望远镜，长20米，重6吨，于1897年完成。它由一台20吨重的机器导向，这台机器专门设计用来操纵望远镜的指向，并能够保持与地球自转同步。通过这种方式，被检查的恒星或星云就能够始终留在仪器的视场内。它曾是，现在仍然是，世界上同类望远镜中最大的望远镜。
不过，海耳还是不满足。10年后，他从卡内基研究所筹集到资金，决心将望远镜建造工程的极限推向更远——他要在加州帕萨迪纳附近的威尔逊山上建立一台口径60英寸（1.5米）的望远镜。这一次他用一面镜子而不是一个透镜，因为一个60英寸的透镜因自身的重量而下垂。他将他对更宽、更长、更灵敏的望远镜的追求描述为“美国人”的症状，即贪得无厌的野心被看作是最好的。不幸的是，海耳渴求完美的强迫症和管理重大项目的责任心变成了自我毁灭。由于过度的紧张，他患上了间歇性抑郁症，这个病症最终迫使他去缅因州的一个疗养院待了几个月。
在他开始实施他的第三个项目——威尔逊山的100英寸（2.5米）的望远镜——后，他的精神健康进一步恶化。作为他的反射镜的基础，海耳从法国定购了一件5吨重的玻璃盘，当时的报纸称其为横渡大西洋的一件最有价值的商品。但是，当它到达后，海耳团队最关心的是这件玻璃制品的强度和光学质量，结果他们发现，玻璃竟然含有微小的气泡。埃维莉娜·海耳目睹了这个最新项目给她丈夫带来的痛苦，并开始讨厌给他带来困扰的这个巨型镜头：“我真希望这块玻璃葬身海底。”
这个项目似乎注定要失败。在精神极度紧张期间，海耳曾出现幻觉，受到一个绿色小精灵的造访，而这个小精灵很快便成为他倾诉他的望远镜计划的唯一的人。小精灵通常是报以同情，但偶尔也会嘲笑他。海耳对一位朋友感叹道：“如何逃离这种新的持续不断的折磨形式，我真的不知道。”
在洛杉矶五金件巨头约翰·胡克的资助下，100英寸的胡克望远镜最终在1917年完工。11月1日那天晚上，海耳有幸成为通过目镜观测天空的第一人。他被所看到的景象惊呆了——木星上重叠有6个幽灵般的行星。人们立即想到的是这可能是玻璃中的气泡这一光学缺陷在捣鬼。但冷静下来后他们很快想出了一种替代的解释：完成全部安装那天，工人们一直让观测台的屋顶敞着，因此阳光一直在加热镜子，从而有可能使镜面变得扭曲。于是天文学家们停了下来，一直等到凌晨3点，他们希望这么长的冷却时间应该已经解决了这个问题。在夜晚的寒意中，海耳的第二次观天看到的要比历史上任何一次观察都更清晰。胡克望远镜能够展示出以前因为光线太微弱在任何其他望远镜上根本无法看清的星云。它是如此灵敏，甚至能检测到15 000千米外的一支蜡烛。
海耳仍不满足。他在“更高的集光本领”的指导思想的驱动下，又开始了建造200英寸（5米）的望远镜的工作。他的执着可谓众所皆知，后来这段故事被电视制作者拿来作为《X档案》里的一段情节——穆德对斯库利解释道，这其实是小精灵就筹款事宜给海耳的一个建议：“实际上，这个点子是一天晚上海耳在玩台球时小精灵向他提出的。小精灵爬上他家的窗口，告诉他可以找洛克菲勒基金会去要建造望远镜的钱。”斯库利评论说，穆德想必肯定知道，他不是看到绿色精灵的唯一的人，但是穆德回答道：“在我看来，有一群小绿人。”
遗憾的是，海耳没能活着看到自己的200英寸的望远镜工程的竣工。但他能够亲眼看到他的40英寸、60英寸和100英寸的望远镜带来的影响，它们每一个都进一步揭示了，星云不仅数量众多而且种类纷繁。然而，这些天体的确切位置仍然是一个谜。它们到底是我们银河系的一部分，还是远离我们的自成一体的遥远星系？
对这个问题的争论在1920年4月达到白热化。当时美国国家科学院计划在华盛顿举办一场被后世称为“大辩论”的讨论会。科学院决定，会议应当将关于星云本质的两个对立阵营汇集到一块儿，在当时最杰出的科学家面前就相关问题展开争论。一种观点认为，银河系包含整个宇宙，当然也包括星云，威尔逊山天文台的天文学家就强烈坚持这种观点，他们选派了一位雄心勃勃的年轻天文学家哈洛·沙普利，来代表他们出战这场论战。相反的观点则认为，星云都是自成一体的星系，持这种观点的代表是利克天文台，他们推荐希伯·柯蒂斯来捍卫自己的立场。
说来也巧，两位敌对的天文学家乘坐同一趟列车从加利福尼亚州来华盛顿。这是一趟尴尬、令人难受的旅程——两位天文学家在奔驰4000千米的火车上就直接面对面地干起来，每一方都注意避免过早地卷入以后的辩论。而且这种情形因为各自的性格反差而变得更加严重。
柯蒂斯顶着一副杰出天文学家的优越光环和声誉，一向以说话权威和信心十足而著称，谈起即将到来的论战可说是津津乐道。与此相反，沙普利很紧张，被震摄住了。这个从密苏里州来的贫穷农民的儿子，迷迷糊糊地闯进天文学领域，更多的是靠运气而不是判断。十几岁上大学时，他原本想学新闻学，但这门课被取消了，于是他必须找一门新课来替代：“我打开课表，能选的第一门课是a-r-c-h-a-e-o-l-o-g-y（考古学），我都发不好这个词的音！……于是我又翻过一页，看到a-s-t-r-o-n-o-m-y，这个词我念得出来——就它了！”
到了大辩论这年，沙普利已经确立了自己作为新一代有前途的天文学家的地位，但他还是感到柯蒂斯浓重的阴影笼罩着自己，因此，当他们乘坐的南太平洋列车在亚拉巴马州抛锚时，他高兴地感到终于有机会摆脱对手的恐吓性做派了。沙普利把时间花在了寻找车厢周围的蚂蚁上，这方面他已经研究并收集了许多年。
当大辩论的夜幕终于降临时，沙普利的神经已被会议议程的主要191事项——长篇大论的颁奖仪式——弄得极度疲劳。对获奖者的表彰和获奖者的演讲似乎没完没了。当时没有一滴酒可以帮助提振精神，因为禁酒令在那年的早些时候开始生效。在台下，爱因斯坦低声对他的邻座说道：“我刚刚得到了一个关于永恒的新理论。”
图39 大论战的两个主角：年轻的哈罗·沙普利（左），他相信星云位于银河系之内；资深的希伯·柯蒂斯，他认为星云是独立的星系，远在银河系之外
最后，大辩论终于占据了舞台中心，当晚的主项正式拉开序幕。沙普利率先开始发言，他给出了星云在银河系内的理由。在演讲中，他依靠两个证据来支持他的观点。首先，他讨论了星云的分布，它们一般都处于银河系扁平平面的上方或下方，极少在银盘平面本身之内，这个带状区域就是后来众所周知的隐带。沙普利这样来解释这种情形，他声称星云是一团孕育新生恒星和行星的气体云。他认为，这样的云团只存在于银河系的上方和下方可触及的地方，并随着恒星和行星的逐渐成熟而飘向平面的中心。因此，他可以根据银河系是唯一的星系这一点来解释隐带。然后，他转向他的对手，声称隐带与他们的宇宙模型不兼容：如果星云代表的是穿插在整个宇宙中的星系，那么它们应该出现在银河系周围的各个地方。
沙普利的第二个证据是1885年曾出现在仙女座星云的一颗新星。顾名思义，新星不是新的恒星，而是一颗原先非常暗淡的恒星在亮度上突然增强的结果，其能源得自对其伴星的盗取。1885年的这颗新星的亮度只有整个仙女座大星云的亮度的十分之一，如果仙女座只是由位于我们银河系边缘上的少量恒星构成的话，这一点就非常好理解。但如果仙女座，像他的反对者所声称的那样，是一个自成一体的星系，那么它就将由上千亿颗恒星组成，而新星（其亮度是仙女座的十分之一）就会像亿万颗恒星加起来一样亮！沙普利认为这是荒谬的，因此唯一合理的结论就是，仙女座星云不是一个独立的星系，而只是我们银河系的一部分。
对于一些人来说，这种水平的证据是绰绰有余了。天文学史专家艾格尼丝·克拉克事先已了解沙普利的证据，并在此之前曾写道：“现在我们可以信心十足地说，没有一个称职的思想家，面对所有这些可获得的证据，仍坚持认为单个星云是一个与银河系等级相同的恒星系统。”
然而对柯蒂斯来说，事情还远远没有解决。在他看来，沙普利列举的情形有弱点，他攻击他的两个主要论点。两人都有35分钟的时间陈述各自的理由，但是他们的风格迥异。沙普利给出的是一个基本上非专业性演讲，旨在让来自不同学科的科学家都能听懂。而柯蒂斯则从细节上提出了无情的反击。
关于隐带，柯蒂斯认为，这是一种错觉。他认为，星云，作为星系，是对称地点缀在空间各处的，并且远远超出了银河系范围。依据柯蒂斯的理解，天文学家无法看到银河系平面内的很多星云的唯一原因，是因为它们的光被占据银道面的所有恒星和星际尘埃阻断了。
接下来是对沙普利的另一个支柱——1885年的新星——的攻击。柯蒂斯不认为这里有什么异常。在星云的旋臂里人们已经观察到许多其他新星，而且它们全都比著名的仙女座新星要微弱得多。事实上，观测到的大多数星云新星都是这样极其微弱的，柯蒂斯辩称道，这证明星云一定是遥远得令人难以置信，远远超出了银河系的范围。总之，柯蒂斯不准备仅仅因为一颗35年前的明亮的新星就放弃自己珍爱的模型。柯蒂斯再次重申了他的未经证实的多星系模型：
在思想家心目中所形成的概念中很少有比这个想法更重要的了。这就是说，我们，在数以百万计的恒星所构成的银河系中的一个恒星的小卫星中的微不足道的居民，可以超越其界限而看得更远，并看到其他类似的星系，它们的直径有数万光年，每一个都像我们银河系这样，由上十亿颗太阳组成，而且，在我们这样做的时候，我们正渗透到更大的宇宙中，其距离从五十万光年至一亿光年不等。
柯蒂斯在他的演讲中还提出了各种其他证据，有些用于支持他自己的理论，有些用于攻击沙普利。他相信他已经提出了一个令人信服的理由，并在不久之后写信给他的家人道：“华盛顿的辩论圆满收场，我一直认为我的表现相当出色。”但事实是这场辩论没有明确的胜利者，如果说有那么一点偏向于柯蒂斯的观点，沙普利也是将其归因于风格而非实质内容：“我记得，我宣读我的论文，柯蒂斯介绍了他的论文，可能他不用介绍得很充分，因为他是一个善于表达的人，不怯场。”
大辩论对于将注意力集中到一个远未解决的问题上的成效并不大。但它敏锐地反映了引导科学前沿研究的性质，在科学前沿，相互竞争的理论彼此相互校正，所依据的却只有最薄弱的硬数据。每一方用来支撑自己观点的意见都缺乏严谨、细节和体量，因此太容易被反对者贴上数据有缺陷、不准确或随意解释的标签。除非有人能够确立一些具体的观察手段来可靠地给出星云的距离，否则这些竞争性理论都不过是猜测。理论的可接受性似乎取决于其支持者的个性，而不是任何真实的证据。
大辩论涉及人类在宇宙中的位置，解决这个问题需要在天文学上有重大突破。一些科学家，如大众天文学作家罗伯特·鲍尔，认为这样的突破是不可能的。在《天堂的故事》一书中，他的观点是天文学家有知识上的局限性：“我们已经到达这样一个点，人的智力开始无法让他看清前途，他的想象力已被其试图实现其已有知识的努力所压垮。”
一些古希腊人在驳斥测量地球的大小或到太阳的距离等可能性时也有过类似的表述。然而，第一代科学家，包括埃拉托色尼和阿那克萨哥拉，发明了一系列能让他们量度地球和太阳系的技术。随后，赫歇尔和贝塞尔采用亮度和视差的方法来测量银河系的大小和恒星的距离。现在，是到了该有人站出来发明一种可以跨越宇宙的衡量标准，一种可以解决星云的真正本质的方法的时候了。
现在你看它，但你看到的不是现在的它
纳撒尼尔·皮戈特来自一个富裕且人缘广泛的约克郡的家庭，是第一等的绅士天文学家。作为威廉·赫歇尔的密友，皮戈特曾对日食做过两次仔细的观察，并对1769年的金星凌日现象做过观测。他还建造了18世纪末英国的三大私人观象台中的一座。因此，他的儿子爱德华从小就是在望远镜等天文仪器的环境中长大的。爱德华养成了迷恋夜空的习惯，显然，假以时日，他一定会在对天文学的热情和专业知识两方面超越他的父亲。
爱德华·皮戈特的主要兴趣是变星。新星被认为就是一类变星，因为它们发出的光经过很长一段时间的相对微弱后突然爆发，随后又逐渐变回到它们以前的昏暗状态。其他变星的亮度变化则要规则得多，例如英仙座的大陵五，外号“眨眼的恶魔”。这些变星在天文学上之所以很突出，是因为它们直接与古人认为的恒星不变的观点相矛盾，并引起整个学界共同努力来理解是什么导致它们的亮度出现波动。
在20多岁时，爱德华·皮戈特结识了少年约翰·古德利克。后者是个聋哑人，但对科学产生了浓厚兴趣。在他成长期间，教育工作者首次对聋哑孩子的学校教育问题开展讨论。这使他有幸入学英国第一所为聋哑孩子设立的学校。这所由托马斯·布雷德伍德资助的学校于1760年在爱丁堡开办。学校的良好声誉引得作家兼词典编纂家萨缪尔·约翰逊在1773年前往拜访，在学校他可能遇见过古德利克，当时后者还只是个9岁的小学生。约翰逊对教育聋哑儿童特别感兴趣，因为他在婴儿期曾从他的乳母那里染上肺结核，后来又患上猩红热，两次疾病让他的一只耳朵永远失去了听觉，并伴有弱视。约翰逊对布雷德伍德聋哑学校的深刻印象在他的《西苏格兰岛旅行记》一书中有清晰的反映：
我走访了这所学校，发现一些学生在等待他们的校长，据说在他进校门时，他们会面带微笑、两眼放光地迎接他，满怀着对新的想法的渴望。一名年轻女子拿着一块石板过来，我在上面写了一个三位数与两位数相乘的问题。她看了看，然后以一种我觉得很漂亮的方式活动着她的手指，但我知道不论这种姿势是艺术还是娱乐，乘出来的结果在相加时一般要分两行写，并要使数位对齐。
然后，到14岁时，古德利克从布雷德伍德聋哑学校转到沃灵顿学院，在这里他能够与听力正常的学生一起学习。他的老师将他描述为“一个非常宽容的传统的人，一个优秀的数学家”。回到家乡纽约后，他在爱德华·皮戈特的指导下继续他的研究，皮戈特教授他天文学，特别是变星的意义。
古德利克被证明是一位非凡的天文学家。他天生一副无与伦比的视力和对明暗的灵敏度，能以极高的准确度给出变星逐夜的亮度变化。这是一种了不起的本领，因为他要考虑到大气条件和不同水平的月光的影响，以便获得足够精确的数据。为了有助于衡量变星的亮度，古德利克将变星的亮度与周围非变星的固定亮度做比对。他的第一项研究是观察大陵五从1782年11月至1783年5月之间亮度的微妙变化。他将结果精心绘制成一幅亮度随时间变化的曲线图，图中显示，每过68小时50分钟，该星的亮度达到最低点。大陵五的亮度变化如图40所示。
图40 变星大陵五的亮度变化是对称的和周期性的，每隔68小时50分钟达到其最小亮度
古德利克的大脑和他的视力一样敏锐。通过研究大陵五的亮度的变化规律，他推断，这不是一颗孤独的恒星，而是一个双星——一对相互绕行的恒星，现在我们知道这是恒星的一种比较常见的情形。就大陵五的情形，古德利克提出，其中一颗恒星要比另一颗暗很多，总体亮度的变化是暗星转到了亮星前面，阻挡了后者的光所致，换言之，所述的亮度变化是一种食效应。
当时古德利克刚满18岁，他关于大陵五的分析——亮度变化模式是对称的，交食是一个对称过程，这个恒星系统通常是明亮的，但有一个相对短暂的昏暗阶段，而这种模式又是食系统的典型行为——完全正确。实际上，大多数变星都可以用这种方式来予以说明。他的工作得到了英国皇家学会的认可。皇家学会向他颁发了久负盛名的科普利奖章，以表彰他做出的当年度最重要的科学发现。三年前，这一荣誉被授予威廉·赫歇尔，而在以后的岁月里，获得此项殊荣的还有门捷列夫（提出元素周期表）、爱因斯坦（在相对论方面的工作），以及弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森（因解开DNA的秘密）。
食双星的现象是天文学史上的一个重大发现，但它在星云这出戏剧里不起任何作用。可就是古德利克和皮戈特在1784年进行的一组观察结果，最终解决了大辩论所提出的问题。9月10日那天晚上，皮戈特观察到恒星天鹰座η（天桴四）亮度有变化。一个月后的10月10日，古德利克发现造父一的亮度也在变；此前没有人曾注意到这些恒星的变异，但皮戈特和古德利克有一个用于检测亮度微妙变化的诀窍。古德利克绘制了两颗恒星的亮度随时间的变化图，表明天桴四的重复周期是7天，而造父一的周期是5天，所以二者与大陵五相比，变化周期明显要长得多。让天桴四和造父一变得更显著的是它们在亮度变化上的整体形态。
图41显示了造父一的亮度变化图。最显著的特征是缺少对称性。与大陵五的图（图40）显示出一系列的深窄、对称的波谷不同，造父一在短短一天内就爬到峰值亮度，然后在超过四天的时间里逐渐变暗到最低限度。天桴四的亮度变化显示的也是类似的锯齿状或鲨鱼鳍状。这种模式不能由任何类型的食效应来解释，因此两位年轻人认为，必定是这两颗恒星内在的某种东西造成了这种变化。他们决定，天桴四和造父一属于一类新的变星，就是我们现在所称的造父变星。某些造父变星是非常微妙的，如北极星，即北方之星。这是离我们最近的一颗造父变星。威廉·莎士比亚完全不懂这颗恒星的可变性质，他在《凯撒大帝》一剧中让凯撒大声宣布：“但我像北方之星那样是永远不变的。”尽管这颗恒星表示北方这一点是永远不变的，但它的光度在变化，大约每四个晚上它明暗变化一个周期。
图41 造父一的亮度变化规律。这种变化是不对称的，变亮时亮度上升迅速，变暗时亮度下降较慢
今天我们知道了造父变星内部所发生的变化，知道了是什么原因导致了其不对称的光变规律以及是什么使得它区别于其他恒星。大多数恒星都处于一种稳定的平衡状态，就是说，恒星巨大的质量总是倾向于在自身引力的作用下向内坍缩，但这种向内的力被恒星内部物质的巨大的热能引起的向外的膨胀压力抵消了。这有点像气球。气球就是处于一种外面的橡胶皮向内收缩与里面的空气压力向外推的平衡状态。将气球在冰箱中过一夜，气球里的空气冷却下来，球内的气压减小，气球收缩，从而达到一个新的平衡状态。
然而，造父变星不是处在一种稳定的平衡态下，而是处于涨落状态。当造父变星的温度相对较低时，其膨胀力无法抵消引力，从而导致恒星收缩。这种收缩使得处于恒星核心区的燃料被压缩，从而有更多的能量被产生出来加热恒星，恒星受热后又开始膨胀。在膨胀期间及膨胀之后，能量被释放掉，于是恒星又开始冷却和收缩，这个过程就这样不断地循环往复。关键是，收缩阶段压缩了恒星的外层，这导致它变得更加不透明，从而导致造父变星处于昏暗阶段。
虽然古德利克不清楚造父变星的光变背后的解释，但这种新类型恒星的发现本身就是一项伟大的成就。才21岁，一项新的荣誉就降临到他头上：他被任命为皇家科学院院士。但仅仅过了14天，这位才华横溢的年轻的天文学家便撒手人寰。古德利克死于肺炎，起因是在漫长的寒冷夜晚凝望天空的星星。他的朋友和合作者皮戈特感叹道：“这位非常宝贵的年轻人不在了，他不仅让很多朋友感到遗憾，更将被证明是天文学的重大损失，因为他如此迅速地做出了这些发现就是明示。”职业生涯只持续了几年，古德利克就为天文学做出了杰出贡献。虽然他并没有意识到这一点，但他对造父变星的发现将被证明是终止大辩论和宇宙学的发展关键。
在接下来的一个世纪里，造父变星的星探们又发现了33颗具有不同的鲨鱼鳍的变星。每一颗的亮度都有增减变化，有时周期不到一个星期，有时会长达一个多月。但是，有一个问题一直困扰着造父变星的研究，即主观性。事实上，这个重要问题在整个天文学领域都普遍存在。如果观察者在天空中看到某个东西，他们不可避免地会带着一定程度的偏见来解释它，特别是如果这种现象很短暂，对它的解释还有赖于记忆。此外，观察只能以文字或草图的形式记录下来，这两者都不可能达到完美的精确度。
这以后，在1839年，路易斯·达盖尔发明了银版照相技术——一种用化学方法将影像印制在金属板的方法。一时间，盖达尔银版法便风靡世界，人们排着队前来拍照。伴随每一项新的技术，都会有一些批评，正像《莱比锡城广告商》对此归结的那样：“想捕捉短暂影像的愿望不仅是不可能的……而且这一愿望本身就是一种亵渎。上帝按照自己的形象造出了人，绝没有人造的机器可以固定上帝的形象。难道上帝应该放弃他永恒的原则，并允许一个法国人给世界一项恶魔的发明吗？”
约翰·赫歇尔，威廉的儿子，皇家天文学会的现任会长，是最早采用这项新技术的人之一。在达盖尔公布这项发明后的几个星期内，他便能够复制整个过程，并在玻璃上拍得第一张照片（图42），照片取材于他父亲最大的望远镜，不久之后它便被拆除。他还对改善摄影工序做出过巨大贡献，并创造了诸如“照片”“快照”，以及其他一些像“正片”和“负片”等摄影术语。事实上，赫歇尔只是将拍摄运用到极限，并在努力捕捉极其微弱的天体的过程中开发出新的摄影技术的众多天文学家中的一位。
图42 约翰·赫歇尔爵士，威廉·赫歇尔的儿子，由著名的人像摄影师朱莉娅·玛格丽特·卡梅伦拍摄。右边是由约翰·赫歇尔本人于1839年拍摄在玻璃上的第一张照片，取景于他父亲的望远镜，图33的铜版画也取材于同一图像
摄影为天文学家提供了他们一直寻找的客观性。当赫歇尔试图描述一颗恒星的亮度时，以前他不得不这样写：“长蛇座阿尔法远不如狮子座伽马，也比金牛白塔弱。”这种模糊的随笔现在可以由更加客观和准确的照片来取代了。
尽管摄影有优势，但传统的保守主义者对这一新技术的影响却持有一定程度的怀疑。素描天文学家就对新技术持谨慎态度，他们担心这项技术会将纯属化学过程的人为痕迹作为新的属性被引入到太空。例如，某些化学残留物会不会有可能被误认为是星云？从今以后，任何报告的观察结果都得被标记上是“肉眼看见的”或“拍摄的”，这样其出处才是明确的。
一旦技术成熟，自然的保守主义论调便会平息下来。人们普遍认为，照片是记录观测的最佳方法。1900年，普林斯顿天文台的天文学家认为，照片提供了“一种永久性的、真实可靠且不带个人的想象和假设上的偏见的记录，它严重破坏了许多肉眼观察记录的权威性”。
照相术不仅对于准确、客观地记录观察被证明是一项非常宝贵的技术，而且对于探测以前看不见的物体同样显示出其强大的力量。如果一架望远镜指向一个非常遥远的对象，但到达人眼的光可能太微弱以至于无法被感知到，即使望远镜具有较宽的孔径。然而，如果将眼睛替换为照相底板，那么它可以曝光几分钟甚至几个小时，这样，随着时间的推移，就能捕集到越来越多的光。人眼对光的吸收、处理和处置都是瞬间的事儿，然后它又从头开始再来一遍，而照相底片可以持续累积光，经长时间积累建立起明暗对比度较强的图像。
总之，眼睛具有有限的灵敏度，具有较宽孔径的望远镜能够提高其灵敏度，而同样的望远镜如果加载一个照相底片则更加灵敏。例如，昴星团（或七姐妹星团）包含了七颗肉眼可见的恒星，但伽利略用他的望远镜在这一区域能看到47颗星，而在19世纪80年代末，法国的保罗·亨利和普罗斯珀·亨利兄弟俩对这部分天区进行了长时间的底片曝光，共计录下2326颗恒星。
处于天文学照相术革命的中心的是哈佛大学天文台。这部分原因是得益于它的第一任主任威廉·克兰奇·邦德，早在1850年，他就拍摄了第一张夜空中织女星的银版照片。此外，业余天文学家亨利·德雷伯——他的父亲约翰·德雷伯曾拍得第一张月球照片——将他个人的财富全数留给了哈佛，以资助对所有可观察到的恒星进行拍摄和编目。
这促使爱德华·皮克林——1877年成为哈佛天文台主任——开始实施一项百折不挠的天体拍摄计划。在随后的几十年里，该天文台拍摄了50余万幅照相底版，以至于皮克林面临的最大挑战之一是如何建立起一个工业规模的照片分析系统。每块底板都含有数百颗恒星，并且每个斑点都需要对其亮度予以评价，并测定其位置。皮克林招募了一批年轻人来从事这项“计算机”性质的工作，computer这个词最初就是用来形容整理数据并进行计算的人的。
不幸的是，他很快就变得非常沮丧，因为他的团队缺乏凝聚力，对细节的注意力不集中。一天，当他失去耐心后，他脱口而出：他的苏格兰女仆可以做得更好。为了证明自己的观点，他解雇了所有的男性团队成员，聘请了一批女性“计算程序员”来替代他们，并让他的女佣威廉米娜·弗莱明来负责管理这个团队。弗莱明在移民美国前曾是一名苏格兰的教师，当她怀孕后被丈夫抛弃了，这迫使她不得不找了份女佣的工作。现在，她正带领着一个绰号“皮克林的娘子军”的团队对世界上最大的天文图片集进行审读。
皮克林对他的自由招聘政策是有过仔细考虑的，在某种程度上说，他是出于现实的动机。妇女通常比她们所替换下的男性更准确和细致，她们还能容忍25～30美分每小时的报酬标准，而男人们则要求50美分。此外，妇女被限定仅从事计算员的工作，没有机会亲自进行观察。这部分是由于望远镜都安置在寒冷黑暗的天文台，这里被认为是不适合女性的工作场所；部分是因为在维多利亚时期，人们对男人和女人深夜里一起工作，盯着浪漫的恒星阵列，有一种易于犯罪的敏感。但至少现在妇女可以检查夜间观测的拍摄结果，对天文学这一在过去很大程度上将她们排除在外的一门学科做出了自己的贡献。
图43 哈佛的“计算员”在工作，忙于检查照相底版，爱德华·皮克林和威廉米娜·弗莱明在一旁监督。背景墙上挂着两幅图，它们显示出恒星的振荡光变
虽然威廉米娜·弗莱明的女性计算员团队只是从事从照片中采集数据的苦差事，使男性天文学家得以进行研究，但不久她们就得出了她们自己的科学结论。日复一日地盯着底片让她们对这些天体有一种亲切的熟悉感。例如，安妮·坎农在1911年到1915年期间大约每个月要编目5000颗恒星，对每一颗星计算其位置、亮度和颜色。她凭借她的实践经验为恒星的系统分类做出了重大贡献，她将星级划分为七个等级（O, B，A, F，G, K，M）。今天的天文学系的本科生仍然要学习这一恒星分类谱系，为了便于记忆，人们将这几个字母编成顺口溜：“Oh, Be A Fine Guy-Kiss Me！（哦，是一个不错的家伙——吻我！）”1925年，坎农成为了获得英国牛津大学荣誉博士学位的第一位女性，以示对她做出的这一有见地和艰苦的工作的认可。1931年，她还被选为12位美国最伟大的女性之一，并于同年成为获得美国国家科学院颁发的著名的德雷伯金质奖章的第一位女性。
坎农在童年时曾遭受猩红热的打击，这让她几乎完全失聪，这一点上很像造父变星的先驱约翰·古德利克。很可能正是听力的丧失让他俩都有一副敏锐的视力来得到弥补，从而使他们能够挑出其他人错过的细节。皮克林团队的最著名的成员，亨丽埃塔·莱维特，也是一位严重耳聋患者。可正是莱维特从底片上看出的特征一劳永逸地解决了大辩论这场争论。她使得天文学家能够测量到星云的距离，她的发现将对未来几十年的宇宙学的发展产生重大影响。
莱维特于1868年出生在马萨诸塞州的兰开斯特，是一位公理会牧师的女儿。索伦·贝利教授在哈佛大学天文台工作时就认识她，他在谈到她的宗教成长氛围的背景如何塑造了她的性格时这样回忆道：
她是这个亲密大家庭里的忠实成员，她那无私的友谊、坚定忠实于原则、做事认真、为人真诚的品格，都深受她对宗教和教会的依恋的影响。她有一种能力，能够欣赏别人身上一切有价值的、可爱的地方，她有一种非常阳光的特质——在她看来，所有的生命都如此美丽而富有内涵。
1892年，莱维特毕业于哈佛大学的拉德克利夫学院，当时，这所学院以传授女子高等教育而著称。在接下来的两年里，她只能呆在家里恢复健康，她得了严重的疾病，可能是脑膜炎，这导致她丧失了听力。健康恢复之后，她成为哈佛大学天文台的一名志愿者，任务是筛选底版和寻找变星，她被指定编制这方面的星表。照相术此时已被用于变星的研究，由于在不同夜晚拍摄的两块感光玻璃底版可以叠起来直接进行比较，因此恒星亮度上的差异更容易被发现。莱维特运用这种新兴技术分析了大部分底版，发现了2400多颗变星，其中大约有一半在她那个年代是已知的。普林斯顿大学的教授查尔斯·杨对此留下了深刻印象，他叫她“变星的恶魔”。
在各类变星中，莱维特对造父变星情有独钟。在花了几个月对造父变星进行测量和编目之后，她很想知道是什么决定了它们的明暗起伏的节律。为了解开这个谜，她将注意力集中到任何造父变星都具有的两种信息上：它的变化周期和亮度。她的理想目标是，想看看变化周期与亮度之间是否存在什么关系——也许较亮的恒星可能被证明比较暗的恒星有较长的周期，反之亦然。但不幸的是，对亮度数据进行整理似乎没有任何实际意义。例如，表观明亮的造父变星实际上可能是颗暗星，只是因为离得近所以显得亮，而一颗表观上暗的造父变星实际上可能是一颗离得很远的明亮恒星。
图44 亨丽埃塔·莱维特，她以哈佛大学天文台志愿者的身份取得了20世纪天文学中最重要的一项突破
天文学家很早以前就意识到，他们可以察觉的只有恒星的视亮度，而不是它的实际亮度。这种情况似乎令人绝望，大多数天文学家都放弃了，但莱维特的耐心、献身精神和专注力使她有了相当机智和漂亮的高招。她将注意力集中在被称为小麦哲伦星云的恒星形成问题上并取得了突破。这个星云是以16世纪探险家麦哲伦的名字命名的，当时他的环球远航正航行到南半球的海洋上，他记录下这个星云。由于小麦哲伦星云只有从南半球才可见，因此莱维特不得不依靠哈佛设在秘鲁南部的阿雷基帕观测站拍摄的照片。莱维特设法识别出位于小麦哲伦星云中的25颗造父变星。她不知道从地球到小麦哲伦星云的距离，但她估计这应该比较远，而且这个星云中的造父变星彼此间相对较为接近。换言之，所有这25颗造父变星到地球的距离大致相同。而这正是莱维特所需要的：如果小麦哲伦星云的造父变星都处于大致相同的距离上，那么如果一颗造父变星比另一颗更明亮，那一定是因为它内在地就更明亮而不仅仅是表观上更亮。
小麦哲伦星云的恒星到地球的距离大致相等这一假设虽然是一种信念上的飞跃，但却是一个非常合理的假设。莱维特的思路类似于一个观察者在看天空中的25只鸟，假定鸟与鸟之间的距离相比于到观察者的距离非常小。因此，如果有只鸟看上去要比其他鸟小，那么它可能是真正的小。但是，如果这25只鸟是散布在天空，那么一只看上去比另一只小，并不能让你确信到底是它真的小，还是因为它飞得较远之故。
莱维特现在已经做好探索造父变星的亮度与周期关系的准备。她建立了这样一个假设：小麦哲伦星云的每颗造父变星的表观亮度，在与星云中其他造父变星的亮度比较时，都可以作为其实际亮度的真实指示。莱维特画出了这25颗造父变星的视在亮度对光变周期的变化曲线图。其结果是惊人的。图45（a）显示，光变周期较长的造父变星通常更亮，而更重要的是，这些数据点似乎都遵循平滑曲线。图45（b）显示的是同一组数据，但光变周期的标尺做了改变，这样更清楚地揭示了亮度与光变周期之间的关系。1912年，莱维特公布了她的结论：“对于对应于最大值和最小值的两组数据的每一组，都可以画出一条直线，这表明，变星亮度与其周期之间存在简单关系。”
莱维特发现，一颗造父变星的真正亮度与其视亮度的变化周期之间有严格的数学关系：造父变星的亮度越高，亮度峰值之间的周期就越长。莱维特相信，这个规律可以适用于宇宙中的任何造父变星，她的曲线图可以扩展到包括具有非常长周期的造父变星。这是一个惊人的结果，孕育着宇宙级的重大成果，但它发表时却用了一个过于低调的标题：“小麦哲伦星云的25颗变星的周期”。
图45 这两幅图显示的是亨丽埃塔·莱维特对小麦哲伦星云的造父变星的观察结果。图（a）是亮度（垂直轴）对周期（水平轴）的曲线图，测量的时间单位是天，每个数据点代表一颗造父变星。图中有两条线：一条表示的是每颗变星的最大亮度，另一条表示每颗变星的最小亮度。
为了有助于理解这幅图，被圈起来的点代表一颗周期大约为65天的造父变星，其亮度在11.4到12.8之间的变化。经过数据点可做出一对平滑的拟合曲线。不是每一个点都位于这两条曲线上，但如果我们给出误差范围，就可知这些曲线似乎对所有数据都是有效的。
恒星的亮度是根据星等来测量的，这是一种不寻常的测量单位，因为星越亮，星等越低，这就是为什么在垂直标尺上星等会从16变化到11的缘故。另外，星等往往用对数标度来表示。就我们的目的而言没必要定义这样一个对数标度。我们需要知道的是，如果周期也用对数标度来绘制的话，那么亮度与光变周期之间的关系将变得更清晰，如图（b）所示。在图（b）中，所有数据点现在都合理地位于一对直线上，它们表明，造父变星的光变周期与其亮度之间存在简单的数学关系
莱维特的发现的力量在于，现在我们可以通过比较天空中任意两颗造父变星来求得它们到地球的相对距离。例如，如果她能在天空的不同部分找到两颗造父变星，它们具有非常相似的周期，那么她就会知道，它们很可能一样亮——图45的预言，特定的周期意味着某种特定的固有亮度。因此，如果这些变星中的一颗比其他变星暗9倍，那么它必然更遥远。的确，如果它暗9倍，那么它的距离必然远3倍，因为亮度随距离的平方而变弱，故有32=9。或者如果一颗造父变星比另一颗暗144倍，而它们的周期非常类似，那么前者必定比后者远12倍，因为122=144。
但是，尽管天文学家可以利用莱维特的图来校准造父变星的亮度，并建立任何两颗造父变星之间的相对距离，但他们还是不知道它们的绝对距离。他们可以证明，一颗造父变星比如说比另一颗远12倍，但也仅此而已。只有知道了一颗造父变星的实际距离，我们才可能利用莱维特的测量尺来衡量每一个造父变星的距离。
使得这种可能性得以实现，从而校正造父变星的距离标尺的决定性的观察是由包括哈洛·沙普利和丹麦的埃纳尔·赫茨普龙等天文学家在内的集体努力取得的。他们采用综合技术，包括视差，来测量一颗造父变星的距离，然后将莱维特的研究推广到关于宇宙的最终距离上。造父变星可以用作为宇宙的衡量标准。
总之，天文学家现在可以通过简单的三个步骤来测量任何造父变星的距离。首先，看它变得有多快，这反映出它实际有多亮；其次，看它表观上有多亮；第三，搞清楚什么距离下会使实际亮度变成这样的视亮度。
作为一个简单的类比，我们将脉动的造父恒星比作闪烁的灯塔。想象一下，该灯塔闪烁的速度取决于它的亮度（就像一颗造父变星），因此一个3000瓦的灯塔每分钟闪烁3次，而5000瓦的灯塔则每分钟闪烁5次。如果在漆黑的夜晚一个水手在海上看到远处闪烁的灯塔，他就可以通过上述三个步骤来测量它的距离。首先，他计数闪烁的频率，从而他立即获知灯塔的真实亮度。其次，他看看它看上去有多亮。最后，他搞清楚了是多远的距离会使实际亮度变成这样的视亮度。
另外，水手还可以估计他的船到海边渔村的距离，只要这个渔村是在沿灯塔的视线方向上，因为他可以假设到村子的距离与到灯塔的距离相当。当然实际情形可能是这个村庄坐落在离海岸很远的地方，自然离灯塔也很远，或者灯塔位于突出海岸的礁石上，距离村庄有一段距离，但一般来说，灯塔会靠近村庄，并且估计是相当准确的。同样，一个测定造父变距离的天文学家也可以通过这种方法知道在其附近的其他恒星的粗略距离。这个方法不是万无一失，但它在大多数情况下确实是有效的。
瑞典科学院的约斯塔·米塔格—莱弗勒教授对莱维特及其造父变星标尺的这种功能印象非常深刻，1924年，他开始以书面方式呼吁，应提名她获颁诺贝尔奖。然而，当他开始研究莱维特目前的科学趣向时，他震惊地发现她已于3年前的1921年12月12日——刚满53岁——死于癌症。莱维特不是那种高调地在世界各地周游出席研讨会的天文学家，而是那种静悄悄地在一边认真研究她的底片的不起眼的研究人员，因此她的过世几乎没有被欧洲注意到。她不仅没能活到看到自己的工作得到认可，而且也从不曾见证自己的工作对星云性质的大辩论所具有的决定性影响。
泰斗级天文学家
对莱维特的发现的潜在意义充分加以利用的天文学家是埃德温·鲍威尔·哈勃。哈勃可以说是他那一代人中最著名的天文学家。他于1889年出生在密苏里州，是约翰和珍妮·哈勃的第二个儿子。约翰在农场的一场事故中身受重伤，珍妮——当地医生的女儿——为他进行护理以恢复健康，就这样认识了他。他伤得是如此严重，以至于她刚接手时抱怨说，她“再也不想见到约翰·哈勃了”。但当他痊愈后，她却爱上了他，他们于1884年结婚。
哈勃的童年大体上是快乐的，只是在他7岁那年出过一次使他身心受到严重创伤的事件。他和他的兄弟比尔一直很不喜欢他们的14个月大的妹妹——喜欢惹人注意的弗吉尼娅，他们决定故意踩她的手指让她哭叫来泄愤。几天后，她患上了严重的无法确诊的疾病，并被病魔夺去了生命。哈勃陷入了困惑和烦乱，深深地责备自己，尽管弗吉尼娅的病与他先前的行为无关。据他的一位姐妹回忆说：“埃德温的心理变得不健康，好在他聪明的父母非常体谅他，才使这种偏执没有成为家里的另一场悲剧。”哈勃特别接近他的母亲，正是她帮助他平稳度过了童年的这场令人不安的事件。
哈勃与他的祖父——马丁·哈勃——的关系非常亲近。在他8岁生日的那天，马丁送给他一副自己亲手制作的望远镜，从而将他领入到天文学上来。马丁说服了这孩子的父母，让埃德温熬到深夜一起观看密苏里漆黑的夜空中点缀的无数的星星。从此他变得对恒星和行星非常着迷，并灵感突现，写了一篇关于火星的文章发表在当地的报纸上，当时他还只是一个中学生。他的老师哈里特·格罗特小姐充分肯定了哈勃在天文学方面飙升的热情：“埃德温·哈勃将是他那一代人中最有才华的人之一。”大概每一位老师说到自己的得意门生时都会溢美之词不绝于口，但哈勃的情形还真让老师说着了，他切切实实兑现了格罗特小姐的预言。
哈勃在惠顿学院继续学习，希望能赚取奖学金去一所重点大学。在奖学金即将揭晓的毕业典礼上，督导的宣布让哈勃很震惊：“埃德温·哈勃，4年来我一直在关注你，我从来没有见过你学习10分钟。”在这出堪称最大悲剧的一阵戏剧性沉默之后，他继续道：“这是给你的芝加哥大学的奖学金。”
哈勃原本计划在芝加哥研究天文学，但他强势的父亲逼着他去攻读法学学位，因为这样稳定的收入才有保证。从年轻时开始，约翰·哈勃就一直在努力获得一份体面的工资，在他成为一名保险业经纪人后，他才有了财政上的安全感。他对能使哈勃家族过上体面的中产阶级家庭生活的这个职业感到非常自豪：“我们发现，文明的最好的定义，就是一个文明人做什么都是出于对所有人最有好处，而野蛮人做什么都是对自己最有好处。文明不过就是一个对付人的自私的巨大的互助保险公司。”
哈勃很好地解决了他的梦想与他父亲的实用主义要求之间的冲突。他的做法是明面上学习法律，让父亲安心，同时也完成足够的物理学课程，让自己的成为天文学家的梦想保持鲜活。芝加哥物理系的系主任是阿尔伯特·迈克耳孙，就是那位摒弃了以太概念，并于1907年成为第一位荣获诺贝尔物理学奖的美国科学家的主儿。芝加哥大学也是罗伯特·密立根的家园，密立根则在日后成为第二位获得诺贝尔物理学奖的美国科学家。在哈勃还是一名本科生时，密立根就让哈勃承担了兼职实验室助理的工作。这是一段短暂但却非常关键的交往，因为密立根帮助哈勃去实现他的下一个目标——获得罗兹奖学金去牛津大学学习。
图46 埃德温·鲍威尔·哈勃，他那个时代最伟大的观测天文学家，叼着石楠木烟斗是他的标志性形象
罗兹奖学金设立于1903年，是由维多利亚帝国的缔造者塞西尔·罗兹资助设立的。当时他已在一年前去世。这项奖学金被授予在性格力量和智慧两方面俱佳的美国年轻人。曾协助管理该计划的乔治·帕克曾表示，这32位奖学金获得者将“有可能成为美国总统、最高法院大法官，或美国驻大不列颠全权大使”。密立根在为哈勃写的一流人才的推荐信中这么写道：“我觉得哈勃有着魁梧的身材、令人钦佩的学者风度，以及堪称可爱的性格……我不知道还有什么人能比哈勃先生更有资格合乎罗兹奖学金的创始人所提出的条件。”由于这封推荐信出自美国最著名的科学家之手，因此哈勃实现了他的获取罗兹奖学金的目标。1910年9月，他前往英格兰。唯一让哈勃感到失望的是，由于父亲的强烈要求，他在牛津学的主科仍然是法律。
在牛津的两年，哈勃变成为一个极端的亲英派，从衣着品味到贵族口音，一切无不英国绅士化。罗兹学者沃伦·奥尔特在英国遇到了即将期满回国的哈勃，对他的形象流露出满是鄙夷的惊讶：“他穿着高尔夫球手才穿的灯笼裤，上身是带皮纽扣的诺福克夹克，戴着一顶硕大的礼帽。他还手持一根拐杖，操着一口我几乎听不懂的英国口音……这两年让他明显变成了一个冒牌的英国人，就像他那一口冒牌的英国口音一个样。”与哈勃同在女王学院的来自艾奥瓦州的雅各布·拉森，也有着同样的负面印象：“当我们其他人都试图保持我们各自的家乡口音时，他却竭力想学会正统到极致的英语口音。我们都嘲笑他的这种努力。我们总是声称他不可能总这么端着，他不过是在一个澡盆里洗了个澡而已。”
哈勃在英国的时间因父亲的病重并于1913年1月19日去世戛然而止。他被迫返回家乡，但仍穿着他牛津短披风，操着一口冒牌的英国口音。他得承担起供养母亲和四个兄弟姐妹的责任，他们的苦难因家庭财务投资的失败而变得雪上加霜。在接下来的18个月里，哈勃在一所中学里找了份教师的工作，并兼职一些律师业务，从而使家里的财务状况得到足够的改善，重新站稳了脚跟。在完成了自己对家庭的职责，而且摆脱了他的误导、霸气的父亲的束缚后，哈勃突然可以自由地追求自己儿时成为一名天文学家的梦想了。“天文学就像一个政府部门，”他曾经说，“没有人可以没接到召唤就闯进去。我接到了这个明确无误的召唤，而且我知道，尽管我只是个二流或三流人员，但要紧的是这是天文学的召唤。”他在谈话中重申了这样一点，而这似乎正冲着他已故父亲的愿望对着干：“我宁愿当一个二流的天文学家也不做一个一流的律师。”
哈勃开始弥补他在攻读法律时所耽误的时间，他走上了一条成为职业天文学家的漫长道路。由于他与芝加哥大学保持着科学上的联系，因此获得了在附近的叶凯士天文台——海耳的第一架大望远镜所在地——攻读研究生的机会。他继续完成他的博士论文——对星云（有时他用它的德文名字来称呼它）的调查。哈勃知道，他的这篇论文将是一项坚实的工作，但却不是一项富有启发的工作：“它无法明显地为人类的知识总和添砖加瓦。总有一天，我希望通过研究这些星云的本质而达到某种目的。”
为了实现这一特定目标，哈勃意识到他必须在天文台得到一个研究职位，这样才能接触到这里最好的望远镜。他曾说道：“人有五官，所以他能探索他周围的宇宙，并称为探险科学。”对于天文学家来说，最重要的感官是视力，谁接触到最好的望远镜，谁就会看得最远最清晰。因此，威尔逊山就是这样一个地方：它已经有了一架大的60英寸的望远镜，而且更大的100英寸的望远镜也将很快完成。在此期间，加州天文台已经了解到哈勃的潜力，并热衷于挖他过来，因此，当他于1916年11月接到威尔逊山提供的入职邀请函时高兴得不得了。但这项任命被推迟了，因为这个时候美国已投入第一次世界大战。哈勃觉得自己有义务协助英国——他爱得这么深的国家。但他到达欧洲时已来不及参与作战，只好在战后作为驻德占领军的一员待了四个月。他推迟返回美国以便能好好游历一下他心爱的英格兰。1919年秋天，他终于来到了威尔逊山天文台报到。
虽然他只是一个经验相对较少的初出道的天文学家，但哈勃很快就成为天文台的显耀人物。他的一个助手在他站在60英寸的望远镜前拍摄照片时对他有一段生动的描述：
他高大矫健的身影，嘴里叼着烟斗，在天空的映衬下显得十分清晰。身上裹着的军用风衣在轻风的吹拂下掀起又合上，烟斗偶尔喷出的火花升向黑暗的穹顶。那天晚上的“视宁度”按我们威尔逊山的评级标准看属于极差，但当哈勃从暗室洗完底片回来时却显得十分欢快。“如果这是很差的视宁度条件下的样本，”他说，“那么用威尔逊山的仪器我永远都能得到有用的照片。”那个晚上他表现出来的信心和热情非常具有典型性，这是他处理问题的典型方式。他对于要做什么，如何去做，有着很强的自信。
对于大辩论的议题，哈勃倾向于认为星云是独立的星系。这有点儿尴尬，因为威尔逊山的大部分天文学家认为银河系是唯一的星系，星云都在它之内。特别是哈罗·沙普利，就是在华盛顿捍卫单一星系理论的那个人，将这个新来的男孩看成是一个在看法和举止上都与自己相左的大大的另类。沙普利自己谦卑的态度与一个迷恋英国贵族言行方式的男人显然格格不入，后者喜欢身着牛津的斜纹软呢外套，动辄就叫道：“哦天哪！”或者“这什么呀！”，而且一天好几次。哈勃喜欢成为人们关注的焦点。他特得意的是能够划着一根火柴，让它在空中翻转360°，然后接住并点燃他的石楠木烟斗。他是个精湛的表演者，而沙普利则完全相反，很不屑这样出风头。最糟糕的是，沙普利曾极力反对美国卷入战争，但哈勃却坚持每天穿着他的军用风衣来天文台上班。
这种常年的个性冲突在1921年结束了，这一年沙普利离开威尔逊山出任哈佛大学天文台主任一职。这显然是对沙普利的提升，部分原因是为了表彰他在尚未解决的大辩论中的主导作用，但移师东海岸后来被证明竟然是一场灾难。虽然他躲开了哈勃，并得到了久负盛名的主管职位，但沙普利也脱离了在未来四十年里将主宰天文学的天文台主战场。威尔逊山拥有世界上最强大的望远镜，注定将成为孕育天文学下一个伟大突破的天文台。
哈勃补缺自然地升了一级，逐渐获得了更多的使用望远镜的时间，并表态要拍出最佳的星云照片。每当他的名字出现在观测日程表上时，他都会风尘仆仆地沿着陡峭崎岖的山路登上1740米高的威尔逊山主峰，并在那里度过几天的修道院般的生活，在这个只有男人待的地方放弃与外界的联系，潜心注目于太空。
图47 埃德温·哈勃（左）与同事在操纵威尔逊山天文台的100英寸胡克望远镜。图48显示了整个望远镜
这可能会给人一种天文学家是那种整夜陷入沉思和古怪的冥想方士的印象，但实际上天文观测是一项很艰苦的工作。它要求观察者在几小时的时间里精力高度集中，要克服整晚上睡眠被剥夺的痛苦。更糟糕的是，威尔逊山上的温度经常处于冰点以下，这意味着必须用冻得发僵疼痛的手指去进行望远镜方向的精细调节，而睫毛可能因泪水成冰而与目镜冻结在一起。天文台的日志上有这么几句提供警示的话：“当你疲倦、寒冷和犯困的时候，千万不要不停歇不加思考地挪动望远镜或穹顶。”只有最勤奋和最坚定的观察者才能取得成功。最顽强的天文学家们在至高无上的精神品质和身体素质要求方面都堪称楷模，他们能够抑制自己的颤抖，以免引起拍摄仪器的晃动，因为它抓取的是无价的宇宙图像。
图48 位于威尔逊山天文台的圆顶内的100英寸胡克望远镜。这是当时世界上最强大的望远镜，1923年，哈勃正是利用它进行了历史性的观察
1923年10月4日这天的晚上，算来他来到威尔逊山已经4年过去了，哈勃用100英寸望远镜进行观测。观测条件被评为1级，就是说虽然视宁度较差，但在穹顶被关闭前还允许观测。他设法对准仙女座星云M31曝光了40分钟。经显影并在白天对照片研究之后，他发现了一个新的斑点，他认为这既可能是照相底片的污迹也可能是一颗新星。第二天晚上，他当班的最后一个观测日，天气比上一晚清晰得多，他对M31进行了重复曝光，并延时5分钟，希望这次能够确认这是颗新星。斑点再次出现在那里，而且这次有另外两个可能的新星加入到底片里。他在底版上在每个候选新星的旁边用“N”将其标示出来。使用望远镜的时间结束后，他立即回到了自己在帕萨迪纳圣巴巴拉大街的办公室和感光板库。
哈勃急于将他的新版与以前拍摄的同一个星云的底版进行比较，看看是否真的是新星。天文台的所有照相底片都被存储在一个抗震的地下室内，经过精心编目和分类，因此找到合适的底版并检查候选新星是一件简单的事情。好消息是，这两个斑点确实是新的新星，而更令人振奋的是，第三个斑点不是一颗新星，而是造父变星。这第三颗星在一些早期的底版上曾有记录，但在其他底版上却没有，这说明它是可变的。哈勃取得了他职业生涯中最伟大的发现。他很快叉掉了“N”并得意洋洋地注上“VAR！”，如图49所示。
这是在星云中发现的第一颗造父变星。让这一发现变得如此重要的是造父变星可以用来测量距离，所以哈勃现在可以测量到仙女座星云的距离，并由此得出一举解决大辩论的问题：到底星云实体是在我们银河系内，还是它们本身就是像我们一样的星系，而且离我们很远？这颗新发现的造父变星的明暗周期超过31.415天，所以哈勃可以用莱维特的方法来计算这颗恒星的绝对亮度。结果证明，这颗造父变星的亮度是太阳的7000倍。通过比较其绝对亮度和视亮度，哈勃推算出它的距离。
图49 1923年10月，哈勃选定了仙女座星云的3颗候选新星，每一颗的旁边都标有“N”。这些新星中有一颗被证明是一个造父变星，即一颗亮度会发生预期变化的恒星，因此它旁边的“N”被划掉并重新标注为“VAR！”。造父变星可以用来测量距离，所以哈勃现在可以测量到仙女座星云的距离，由此解决了大辩论
推得的结果是惊人的。这颗造父变星，以及它所在的仙女座大星云，似乎距离地球有大约90万光年。
银河系的直径大约是10万光年，因此仙女座显然不是我们银河系的一部分。如果仙女座星系真的是如此遥远，那它一定明亮得难以置信，因为它用肉眼就可以看见。这样的亮度意味着它是一个包含数以亿计的恒星的系统。仙女座星云显然是一个独立的星系。大辩论就此告终。
仙女座星云就是现在的仙女座星系，因为它和其他大多数星云相比确实是独立的星系，并且像我们银河系威武壮观，其位置远远超出了银河系的范围。哈勃已经证明，柯蒂斯是正确的，沙普利是错误的。
仙女座的巨大距离是如此令人震惊，使得哈勃决定暂不发表这一结果，直到他有更多的证据为止。在威尔逊山，他被一帮单星系理论的信徒包围着，所以他得谨慎以免使自己出丑。他怀着巨大的克制力和耐心，又拍摄了更多的仙女座星系照片，并发现了第二颗较昏暗的造父变星，这证实了他的初步结果。
图50 星系不再被列为星云，所以仙女座星云在今天被称为仙女座星系。这张照片是拉帕尔马天文台于2000年拍摄的。它表明，仙女座星系由数以百万计的恒星组成，是一个独立的星系
最后，在1924年2月，他打破沉默，将这些结果用信件形式发给了沙普利——单星系理论的发言人。沙普利曾帮助校准莱维特的造父变星的距离标尺，而现在它却将他在大辩论中表明的立足点给摧毁了。当沙普利阅读了哈勃的笔记后，他说道：“就是这封信捣毁了我的宇宙。”
沙普利试图通过暗示光变周期超过20天的造父变星不可靠来攻击哈勃的数据，因为得到研究的长周期的造父变星寥寥无几。他还认为，哈勃的仙女座恒星的所谓的变异性可能不外乎照片显影过程中或是曝光时间上带来的瑕疵。哈勃知道他的观测结果并不完美，但其误差不可能大到足以将仙女座拉回到银河系；所以哈勃相信，仙女座星系距离地球大约是90万光年，并且在未来几年这个问题将变得十分清晰，绝大多数的其他星系甚至更远。唯一的例外是少数矮星系，如亨利埃塔·莱维特研究过的小麦哲伦星云。这是目前已知的因引力而附着在我们银河系边缘的小卫星星系。
术语“星云”最初用于描述呈云状外观的任何天体，但现在这些星云中的大部分被重新标记为星系。然而，有些星云只不过是银河系内单纯的气体和尘埃的云罢了，因此术语“星云”适时地开始专指这样的云。尽管存在这些相对来说较小的、局部的气体和尘埃星云，但这并不能改变这样一个事实：许多原始星云，如仙女座，实际上确实是独立的星系，并远在银河系之外。大辩论的核心问题是，宇宙中是否充满了这样的星系，而哈勃的回答是确实如此。
那么对于1885年爆发的仙女座星系的新星又作何解释？沙普利曾认为，它的亮度证明，仙女座不可能是一个遥远的、独立的星系，因为新星这么亮是不可能的。事实上，我们现在知道，1885年爆发的不是一颗新星，而是超新星，它确实是一个“不可能的”超高亮度事件。超新星是一种与普通新星完全不在同一个数量级上的灾难性现象，它是某个恒星在毫无预兆的情形下突然爆炸时所呈现的情形，其亮度在短时间内甚至盖过数10亿颗恒星的总亮度。当柯蒂斯和沙普利在1920年谈到超新星这一罕见事件时，他们还不能正确评价这种现象的意义。
沙普利的反驳的另一个支柱是什么呢？如果宇宙充满了星系，那么它们就应该在各个方向上都可见。然而，在银河系平面的上方和下方可观察大量的星云，但在银河系平面内却很少有星云被观察到，从而银河系平面被戏称为“隐带”。事实证明柯蒂斯是对的，他声称隐带是扁平状的银河平面内的星际尘埃模糊了我们对银河系之外的星系观察的结果。从那时以来，现代望远镜技术已经能够穿透尘埃，因此现在我们知道，在这个“空”区有着与其他方向上看见的同样多的星系。
随着哈勃的发现消息的传出，他的同龄人开始为他成功解决了天文学史上最旷日持久的这场争论而鼓掌。普林斯顿大学天文台主任亨利·诺里斯·罗素写信给哈勃：“这是一项完美的工作，你值得拥有它带给你的所有荣誉，这些荣誉无疑是巨大的。你打算什么时候公布这些成果的具体细节？”
哈勃的正式结果是在1924年在华盛顿召开的美国科学进步协会的会议上公布的。在会上，他因这篇最杰出的论文与另一位获奖者雷米尔·克利夫兰共同分享了1000美元的奖金。克利夫兰的获奖是表彰他在白蚁体内发现肠道原虫这一开创性的工作。由美国天文学会起草的一封信强调哈勃的工作的意义：“它开辟了以前无法进入进行调查的深度空间，为不久的将来取得更大的进展提供了前景。同时，它将已知的物质宇宙的范围扩大了100倍，并明确解决了长期以来一直无法确定的[螺旋星云]的性质问题，表明它们在某种程度上是与我们这个星系一样的有着巨大数量的恒星的系统。”
通过一次观察，通过一张照相底片的捕捉，哈勃便改变了我们对宇宙的看法，并迫使我们重新评估我们在其中的位置。我们这颗小小的地球上现在似乎比以往任何时候更微不足道——只是在众多星系的一个星系中围绕着众多恒星之一的众多行星中的一颗。事实上，后来这一事实变得更加清晰：我们的银河系只是数10亿个星系中的一个，而每个星系又都包含有数10亿颗恒星。宇宙的尺度远远超出了我们以前的想象。沙普利曾认为，宇宙中的所有物质都装在跨度10万光年量级的银盘内，但哈勃已经证明，在银河系外超过100万光年的地方还存在其他星系。今天我们知道的星系甚至有数10亿光年之遥。
天文学家很早就知道行星与我们的太阳之间存在巨大的距离，他们也熟悉恒星之间的更大的距离，但现在他们不得不考虑星系之间的巨大的虚空。哈勃的观察表明，若在恒星之间和行星之间的所有物质均是均匀地分布在空间里，那么宇宙的平均密度将是1000个地球大小的体积里有1克物质。这个密度——与我们当今的估计相去不远——表明，我们所居住的空间是在一个非常空虚的宇宙内的一个非常密实的空间。“没有行星或恒星或星系会是如此独特，因为宇宙大部分是空的，”天文学家卡尔·萨根写道，“这个唯一的独特的地方处在巨大的、寒冷的宇宙真空中，处在星系际空间的永恒的黑夜之中，星系际空间是如此奇怪而荒凉，以至于相比之下，行星、恒星和星系似乎都显得珍稀和可爱。”
哈勃测量的影响确实是惊人，哈勃自己很快就成为大众争论和报纸报道的主题。一篇文章称他为“泰斗级天文学家”。他还获得了来自他自己的国家和海外的无数的奖项和奖励，他的同事们很快就开始称赞他。赫伯特·特纳——牛津大学的天文学萨维里讲座教授——认为：“可能要过上几年哈勃才能够意识到他所做的工作的意义。对于大多数人来说，这样的事情一生中只能有一次，如果他们幸运的话。”
但是哈勃注定要在未来几年内再次动摇天文学，而且这一次的观察更具革命性，它将迫使宇宙学家重新评估永恒静态宇宙的假设。为了实现这接下来的突破，他需要利用一项相对较新的技术，一项充分利用了望远镜的威力和照相术的敏感性的技术。这件被称为分光镜的装备将允许天文学家从到达他们的巨型天文望远镜的微薄的光中提取出每一点信息。这一工具的起源可追溯到19世纪的科学的希望和抱负。
变动的世界
1842年，法国哲学家奥古斯特·孔德试图找出这样一种知识领域，这个领域的知识将永远超出科学事业的范围。例如，他认为恒星的某些特质就永远无法确定：“我们看到，我们是如何能够确定它们的形状、它们的距离、它们的体量和它们的运动的，但我们永远无法知道它们的化学结构或矿物结构。”
事实上，孔德的这一说法在他死后两年就被证明是错误的，因为科学家们开始发现离我们最近的恒星——太阳——上存在哪些类型的原子。为了了解天文学家是如何揭开恒星的化学成分这个秘密的，我们首先要在一个基本水平上了解光的本质。具体而言，这里有3个关键点。
首先，物理学家认为，光是电场和磁场的振动，这就是为什么光及相关的辐射形式被称为电磁辐射的原因。其次，更简单地说，我们可以把电磁辐射或光看成是波。第三个关键点是，光波的相邻两个波峰（或连续两个波谷）之间的距离——波长——告诉我们几乎所有我们需要了解的有关光波的知识。波长的例子见图51。
例如，光是一种能量形式。特定波长的光波所携带的能量的量与其波长成反比。换言之，波长越长，光波的能量越低。对人而言，我们很少关心光波的能量，而是用颜色作为区分不同光波的基本特征。蓝色、青色和紫色对应于较短的波长和较高的能量，而橙色和红色则分别对应于波长较长、能量较低的光波。绿色和黄色对应于中等波长和能量的光波。
具体来说，紫光的波长大约为0.0004毫米，红光的波长大约为0.0007毫米。还有波长更短和更长的波，但我们的眼睛对这些波不敏感。大多数人用“光”这个词来描述那些我们可以看到的波，但物理学家对这个词的使用要宽泛得多，他们用它来描述人眼可见的或不可见的任何形式的电磁辐射。比紫光的波长更短、能量更高的光包括紫外线和X射线，而比红光波长更长、能量更低的光则包括红外辐射和微波。
图51 光可以描绘成波。光波的波长是两个连续波峰（或波谷）之间的距离，它告诉我们几乎所有我们需要了解的关于光波的知识。特别是，波长与光波的颜色和能量有关。
图（a）显示的是波长较长、能量较低的红光的光波。
图（b）显示的是波长较短、能量较高的蓝色光波。可见光的波长都不到千分之一毫米，从紫光的大约0.0004毫米到红光的0.0007毫米。通常波长用纳米（nm）来量度；1纳米是十亿分之一米。因此，红光具有大约700纳米的波长。
存在比蓝光的波长更短的光波（例如紫外线辐射和X射线），也有比红光波长更长的光波（例如，红外辐射、微波），但这些都是人的眼睛不可见的。
白光光束是各种颜色和波长的光的混合。当白光通过玻璃棱镜后这一点可以看得很清楚，因为光束分裂成彩虹状，如图（c）所示。这是因为不同波长的波具有不同的行为。具体来说就是，不同波长的光波在它们进入和离开玻璃棱镜的过程中以不同的角度偏折
对于天文学家来说至关重要的一点是恒星发出的光波。他们希望星光的波长可以告诉他们一些关于发出这些光的恒星的某些信息，比如它的温度。例如，当一个物体达到500℃时，它有足够的能量来发出红色可见光，所以红光是热的。随着温度的升高，该物体具有更多的能量，并发射出能量更高、波长更短的偏蓝的光，并且物体从赤热向白热化转变，因为现在它发射的是从红到蓝的多种波长的光。标准灯泡的灯丝工作在大约3000℃温度下，这无疑使得它白热化。通过评估星光的颜色以及该恒星发射出的不同波长的比例，天文学家意识到他们就能估算出它的温度。图52显示了在不同的表面温度下恒星发出的波长的分布。
除了测量恒星的温度，天文学家还搞清楚了如何通过分析星光来确定恒星的成分。他们所采用的这项技术其源头可追溯到1752年，当时苏格兰物理学家托马斯·梅尔维尔做了一项神奇的观察。他将不同的物质添加到火里，注意到每一种物质都会产生各自不同的特征色。例如，食盐发出的是鲜橙色的火光。只要在燃气灶具的火焰上洒上少量的食盐，你很容易观察到这种橙黄色。
与食盐相关联的独特颜色可以追溯到其原子水平的结构。食盐就是氯化钠，橙色光就是由氯化钠晶体里的钠原子产生的。这也可以解释为什么街头的钠灯呈橙黄色。让钠发出的光通过一个棱镜，我们就可以精确分析其所辐射的波长，所辐射的两个主要波段都在光谱的橙色区域，如图53所示。
图52 本图显示了由三个具有不同表面温度的恒星所发射的光波波长的范围。主曲线显示的是表面温度6700℃的恒星所发射的波长的分布。分布的峰值位置在蓝色和紫色波长波段，但它也发出可见光谱中其他颜色的光。这颗星还辐射出少量的红外线和大量的紫外线，相应的波长分别比可见光波长更长和更短。中间曲线表示的是表面温度5000℃的恒星所发射的波长分布。它在可见光波段的中间波长较长的地方达到峰值，因此该星发射的光的颜色有良好的混合。最下面的曲线表示由更冷的恒星（3700℃）所发射的波长分布。其峰值位置在波长分布的更长波长处，发出的是大量的红光和大量的不可见的红外辐射。这颗星看上去显黄—红色的外观。
通过观测恒星发射的波长的范围，地球上的天文学家就可以推断出恒星的温度。波长分布起着温度标签的作用。总之，恒星越冷，它所发射的波长就越长，看上去就越红。相反，恒星越热，它所发出的波长就越短，看上去就更蓝
每种类型的原子都具有发出特定波长（或颜色）的光的能力。这种能力取决于其具体的原子结构。图53也给出了除钠之外其他元素所发出的波长，氖发出的波长处于频谱的红端。这也是你看氖灯所看到的颜色。另一方面，汞发出的是一些较蓝的波长，这也解释了为什么水银灯呈蓝色。除了照明设计师，烟花生产商也对不同的物质所发射的波长有兴趣，用它们可以营造出他们所需要的效果。例如，含有钡的烟花发绿光，而那些含有锶的烟花则发出红光。
图53 钠发出的主要可见光如第五行光谱图所示。在大致0.000589毫米（589纳米）处有两条谱线，它们对应于橙色。这张图代表了钠的指纹。事实上，每个原子有它自己的指纹，这从不同波长的图谱上看得很明显。原子根据其所在环境可以表现出稍许不同的指纹，例如当原子处于高压下便是如此。最下面的谱是未知气体的谱，通过与其他谱的比对，可以明显看出，气体中含有氦和钠
每种原子所发出的精确波长可起着指纹的作用。因此通过研究被加热物质所发射的波长，就能够识别该物质原子。图53的最下面的光谱是一种未知热气体所发出的波谱，通过与其他光谱的发射波长的比对，我们可以看出，这种气体里含有氦和钠。
这门关于原子、光、波长和颜色的科学被称为光谱学。物质发光的过程被称为谱发射。相反的过程——谱吸收——也存在，这时特定波长的光被原子吸收。因此，如果整个波长范围的光通过盐的蒸汽，那么大部分的光将不受影响地穿过，但有一些关键的波长将被盐中的钠原子吸收，如图54所示。被钠吸收的波长完全等同于钠所发射的光的波长，而且这种吸收与发射之间的对称性对所有的原子均适用。
图54 谱吸收是谱发射的反过程。钠的这个吸收谱与图53中所示的发射谱是等同的，只是现在是在灰色背景下呈两条黑线，而不是灰色背景下的白线，因为除了这两条被钠吸收的波长外，我们能看到所有的波长
事实上，正是吸收谱，而不是发射谱，引起天文学家的注意。于是光谱学走出化学实验室，进入到天文台。从太阳光谱开始，他们意识到，吸收谱可以提供恒星组成的线索。图55显示了太阳光谱是如何通过棱镜从而使得整个波长范围的谱都可以研究的。太阳热到足以发射出整个可见光波长范围的光。但从19世纪开始，物理学家注意到，一些特定波长在谱图上失踪了。在太阳光谱的这些波长位置上呈黑色细线。不久就有人意识到，缺失的波长被太阳大气中的原子吸收了。这样，缺失的波长就可用于识别构成太阳大气的原子成分。
虽然很多基础性工作是由德国的光学研究先驱约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫做出的，但关键性的突破是由罗伯特·本生和古斯塔夫·基尔霍夫在1859年前后取得的。他们共同建立了一座分光镜，一个专门设计用来精确测量发光物体发出的波长的仪器。他们用它来分析太阳光，并能识别出两条失踪波长与钠相关，从而得出结论，钠必定存在于太阳大气中。
图55 太阳的热足以发出从红到紫的所有可见光波长范围的光，以及紫外线和红外线。我们可以让太阳光通过分光镜来对其进行分析。分光镜包括一个玻璃棱镜和其他一些使白光得以色散（这样所有波长的光就都可得到识别）的仪器。这幅图显示了我们希望看到的由一个像太阳那么热的物体所发出的光的波长分布，所不同的是有两条特征波长缺失。它们对应于钠的吸收。图形下方的波长谱是天文学家的照相底版上经常出现的吸收线，只是真正的测量可能没这么清晰。在现实中，对太阳光的详细研究表明，太阳光谱有数以百计的缺失波长。这些波长都被太阳大气中的各种原子吸收了。因此，通过测量这些暗吸收线的波长，我们就有可能识别构成太阳大气的原子
“目前，基尔霍夫和我所从事的一项共同的工作让我们夜不能寐，”本生写道，“基尔霍夫在寻找太阳光谱的暗线的原因方面已经做出了一项精彩的、完全出乎意料的发现……因此，一种确定太阳和恒星的组成的方法已经被发现。这种方法的精度与我们用化学试剂来确定硫酸、氯等的精度相当。”孔德的人类永远无法识别恒星的成分的断言被证明是错误的。
基尔霍夫继续寻找太阳大气中其他物质（如重金属等）的证据。他的银行经理感到非常不理解，问他：“如果我不能将它带回到地球上，太阳上就是有黄金又有什么用？”许多年后，当基尔霍夫因他的研究获得了一枚金质奖章后，他对这位狭隘的银行家进行了一次凯旋般的造访，并对他说：“这就是来自太阳的黄金。”
恒星光谱这项技术是如此强大，以至于在1868年，英国人诺曼·洛克耶和法国人朱尔斯·詹森各自独立地在太阳上发现了地球上尚未发现的新元素。他们从太阳光谱中确认了一条吸收线，而这条线与任何已知的原子光谱线都不匹配，因此洛克耶和詹森将此作为一种全新类型的原子的证据。它被命名为氦，以纪念俄里奥斯——古希腊人的太阳神。虽然氦的丰度占到太阳全部质量的四分之一，但在地球上这种元素却非常罕见。直到25年后，在地球上发现了氦之后，洛克耶才被封为爵士。
威廉·哈金斯是深知光谱力量的另一位科学家。年轻时，他被迫接下父亲的布店营生，但后来他决定卖掉家族企业，去追求他的科学梦想。他用这笔钱在伦敦郊区的上塔尔斯山上建立了天文台。当他听说了本生和基尔霍夫的光谱发现后，哈金斯大喜：“这个消息对我来说，就像春季里干涸的土地逢甘霖。”
在19世纪60年代里，他将光谱学运用到太阳以外的恒星上，并证实它们也含有地球上存在的相同元素。例如，他看到，出现在参宿四的光谱里的暗线就包含了由钠、镁、钙、铁和铋等原子所吸收的波长。古代哲学家曾表示，恒星是由第五元素组成的，这种第五元素超越了地面上世俗的气、土、火、水四元素，但哈金斯已成功地证明，参宿四，想必整个宇宙，都是由与地球上发现的相同材料构成的。哈金斯总结道：“对恒星和其他天体的光所进行的这种原始光谱学研究的一个重要目的，即发现在整个宇宙中是否存在与我们地球上相同的化学元素，已经得到最为满意的肯定回答；研究表明，普通元素存在于整个宇宙。”
哈金斯在他的余生里继续研究恒星。做伴的是他的妻子玛格丽特和他的爱犬开普勒。玛格丽特·哈金斯本人就是一位有成就的天文学家，她比她丈夫要小24岁。因此，当威廉年届84岁高龄，并且作为天文学家渐渐走向其职业生涯的终结时，他是依靠他的这位活泼的60岁的妻子来爬上望远镜，并进行必要的调整的。“天文学家需要万能关节和印度橡胶做的椎骨，”她抱怨道。总之，哈金斯夫妇将光谱学推广到一个全新的应用领域，一个改变了我们对宇宙的看法的领域。除了评估恒星的成分，他们还展示了如何利用光谱学来测量恒星的速度。
图56 哈金斯夫妇，他们开创性地在天文学领域利用光谱测量了恒星的速度
继伽利略之后，天文学家一直认为恒星是静止的。虽然每天晚上恒星都会划过天空，但天文学家意识到，这种视运动是由地球的自转造成的。特别是，他们认为恒星彼此间的相对位置是保持不变的。事实上，这是错的，正如英国天文学家埃德蒙·哈雷在1718年所指出的那样。他意识到，即使考虑到地球的运动，通过将恒星天狼星、大角星和南河三的相对位置与若干世纪前托勒密的测量结果进行比较就可以看出，这之间仍有细微的差异。哈雷意识到，这些差异并不是因为测量的不准确，而是由于这些恒星的位置随时间有真实位移的结果。
图57 巴纳德星（圈中所指者）是离我们太阳系最近的第二颗恒星，并且是一颗自行最大的恒星。它每年在天空移动10角秒。这两张照片的拍摄前后相隔近半个世纪，可以看出，这颗星相对于其他所有恒星有显著的移动。为了帮助看清这种位移，右下角构成“〈”状的几颗星星提供了一个有用的参照物
随着无限精确的测量工具和无限强大的望远镜的出现，天文学家已经能够检测出每颗恒星的所谓自行，但在现实中，恒星位置的变动是如此之缓慢，以至于即便是现代天文学家也几乎很难探测到恒星的这种位置偏移。一般来说，检测自行需要对最接近的几颗恒星进行连续多年的仔细观察，如图57所示。换句话说，即使是测量我们最邻近的恒星的自行，那也是一场经年累月的斗争。研究自行的另一个限制是它只能检测横跨天空的运动，对靠近或远离地球的所谓径向速度并没有太好的办法。总之，对自行的检测只能给出有限的恒星速度。
然而，威廉·哈金斯意识到，他能够利用光谱学来弥补自行测量上的这种双重不足。他的新光谱技术可用于精确测量任何恒星的径向速度，并且可以被应用于最遥远的恒星。他的想法是基于将光谱仪与奥地利科学家克里斯蒂安·多普勒所发现的一种物理现象的结合。
1842年，多普勒宣布，物体的运动将影响到它所发出的波，不论这种波是水波、声波还是光波。作为这种多普勒效应的一个简单例子，我们来考察图58所示的图像。图中的青蛙蹲在荷叶上休息，并以每秒一次的节律用它的蹼脚拍水，从而产生一系列的以1米/秒的速度荡开的波。如果我们从上方看，如果荷叶不动，那么我们会看到，波峰形成一系列对称的同心环，如图58的左列（a）所示。两岸的观察者看到的都将是波以相隔1米的间距到达岸边。
但如果青蛙在移动，那么情况就变了，如图58（b）所示。想象一下，荷叶和青蛙在以0.5米/秒的速度向右岸漂移，同时青蛙仍继续每秒钟产生一个波，且波划过水面的速度仍是1米/秒。这时的结果是，在青蛙移动的方向上，波会堆积，而在相反方向上波的间距将增大。因此右岸的观察者看到的是波以0.5米的间距到达岸边，而对岸的观察者看到的是波以1.5米的间距到达。一位观察者看到的是一个缩短的波长，而另一位看到的是增加的波长。这就是多普勒效应。
总之，当物体在向着观察者运动的过程中发出一个波，那么观察者将感觉到波长的缩短；而当物体远离观察者运动时发出一个波，那么观察者感觉到的将是波长的增加。反之，发射器可以是静止的，而观察者在移动，在这种情况下，结果显而易见是一样的。
图58 呆在荷叶上的一只青蛙以每秒1次的节律发出水波，水波的波长是1米。当青蛙在水面的位置没有移动时，如图（a）所示，两岸的观察者看到水波的间距是1米。然而当青蛙以0.5m/s的恒定速度向右漂移时，如图（b）所示，那么两岸的观察者看到的是两种不同的效果。在青蛙趋近的一侧，波出现堆积，而在相反的方向上，波变得更稀疏。这是青蛙的移动造成在发射下一个波的过程中波前的不同部分被挤压和疏离的结果，它是水波的多普勒效应的一个例子
1845年，荷兰气象学家克里斯托弗·白贝罗（Christoph Buys-Ballot）最先对声波的多普勒效应进行了检测。实际上他是试图否定这种效应的存在。吹奏小号的号手被分成两组，要求演奏降E大调的音符。一组号手乘坐在新开行的从乌得勒支到马尔森的敞篷列车车厢内演奏，而另一组号手则在月台上演奏。当两组乐手均固定不动时，他们演奏的音符听上去是一样的。但当列车车厢向着月台开过来时，对乐音敏感的耳朵可以听出演奏的音符变高了，而且车行的速度越快，音调变得越高。而当列车离开时，音符变得低沉。音高上的这种变化是与声波波长的变化相关联的。
今天我们可以从救护车的警笛声中听到同样的效果。当救护车开来时，警笛声似乎较刺耳（波长较短），而当救护车驶离时，其声调则较低沉（波长较长）。当救护车经过我们面前时，警笛声的这种从高到低的变化是相当明显的。F1赛车，由于其较高的速度，当它经过时多普勒效应则表现得更加清晰——发动机的声音明显有一个“eeeeeeeeyoooooow”的从高到低的转变过程。
借助于多普勒提出的方程，波长和音高的这种变化是高度可预测的。接收到的波长（λr）取决于初始的发射波长（λ）和波发生器的运动速度（νe）与波速（νw）之间的比值。如果波发生器是朝向观察者运动，则ve取为正，如果远离观察者行进，则其速度取为负：
现在，我们可以对救护车呼啸而过时警笛声的波长变化做一个粗略的计算。空气中声波的速度（νw）大约是1000千米/时，救护车的速度（νe）可计为100千米/时，因此波长增加或减少10%，具体取决于救护车的运动方向。
类似地，我们可以对救护车上闪烁的蓝光波长的变化进行计算。这里，波以光速传播，因此vw大约为30万千米/秒，即10亿千米每小时，而救护车的速度（ve）仍然维持在100千米/时。因此，波长的变化只有0.00001%。人的眼睛是觉察不到波长和颜色的这种差异的。事实上，在日常生活中，我们从来感觉不到与光有关的任何多普勒频移效应，因为与光速相比，我们开的最快的车也是非常非常缓慢的。然而，多普勒预言，光的多普勒频移是一个真实存在的效应，可以被检测到，只要光发射器移动得足够快，且检测设备足够灵敏的话。
果然，1868年，威廉和玛格丽特·哈金斯夫妇成功地从天狼星的频谱中检测出多普勒频移。天狼星的吸收线几乎与太阳光谱中的那些吸收线相同，区别仅在于每条线的波长增加了0.015%。这可能是因为天狼星正远离地球行进。记住，光发生器远离观察者的运动使得它发出的光看上去具有更长的波长。这种波长的增加通常称为红移，因为红色处在可见光谱的长波长一端。同样，光发生器趋近造成的波长的变短称为蓝移。这两种类型的频移见图59所示。
虽然考虑到爱因斯坦理论，多普勒方程需要修改，但就哈金斯的目标而言，19世纪的版本已足以令人满意。他可以计算出天狼星相对于地球的退行速度。他测得的天狼星发出的光的波长增加了0.015%，因此接收到的波长与标准波长之间的关系是：λr=λ×1.00015。他知道，这里的波速就是光速，因此νw是30万千米/秒。通过重组方程并插入所需数字，他可以证明天狼星的退行速度为45千米/秒：
图59 3个谱显示出恒星发射的光的视波长是如何依赖于其径向运动的。光谱（a）表示某个既不移近也不远离地球的恒星（例如太阳）的吸收线波长。谱（b）表示一个离地球远去的恒星所发出的吸收线波长具有红移——各线均相同，只是全部向右移。谱（c）表示一个趋近地球的恒星所发出的具有蓝移的吸收线——各线均相同，只是全部向左移。蓝移星趋近我们的速度比红移星退行的速度大，因为蓝移比红移大
威廉·哈金斯，这位一心追求实践天文学的前布店老板，已经证明他可以测量恒星的速度。每颗恒星含有的都是地球上找得到的普通元素（例如钠），它们发射特定的标准波长，但这些波长将因为恒星的径向速度而存在多普勒频移，通过测量这些频移，我们就可以计算出该恒星的速度。他的方法有巨大的潜力，因为任何可见的恒星，或星云，都可以用分光镜来分析，从而测得它的多普勒频移和由此所确定的速度。除了恒星在天空中的自行，现在我们还可以测量其朝向或远离地球的径向速度。
对于大多数人来说，利用多普勒频移来测量速度是一项陌生的技术，但它确实有效。事实上，它是如此可靠，使得现今警察都采用多普勒频移来确定行车是否超速。警察向接近的汽车发射一束无线电波（光谱中的一种不可见的部分）脉冲，然后检测汽车对它的反射波。返回脉冲被移动物体（例如汽车）有效地反射回来，因此其波长对汽车的速度有一定量的频移。车的速度越快，频移就越大，超速罚款就越高。
一个高大上的故事诠释了一位天文学家在开车去天文台的路上如何试图利用多普勒效应来瞒过警察。在闯红灯被抓后，这位天文学家争辩道，他看到的交通信号灯是绿色的，因为他向它开过来时出现了蓝移。警官原谅了他闯红灯，但给了他一张超速罚单对他加倍罚款。要实现这样一种夸张的波长偏移，这位天文学家的车速得开到大约2亿千米每小时才行。
到20世纪初，分光仪器已经成为一项成熟的技术，并能够与新建的巨型望远镜和最新的高灵敏度的感光材料实现良好的结合。这种三位一体技术为天文学家提供了一个无与伦比的探索恒星组分及其速度的机会。通过确定特定恒星的大量缺失的波长，天文学家能够确定它的成分，结果发现这些成分竟然主要是氢和氦。接着，通过测量这些谱线的移动，天文学家能够看出，某些恒星正朝着地球运动，而另一些则背离地球远去。它们最慢的以每秒几千米的速度在磨蹭，最快的速度则达到50千米/秒。为了对这个速度有一个直观的认识，我们想象一架飞机能以最快的恒星的速度飞行，那么它跨越大西洋只需几分钟。
1912年，一名前外交官转行的天文学家将速度测量拓展到未知领域。维斯托·斯里弗成为第一个成功测量星云的多普勒频移的天文学家。他用的是克拉克望远镜，就是那台位于亚利桑那州弗拉格斯塔夫的洛厄尔天文台的24英寸口径的折射望远镜。该望远镜是由帕西瓦尔·洛厄尔资助建造的。洛厄尔是波士顿的一个富裕的贵族，他执着于这样一个信念：火星是智慧生命的家园，因此他急于找到火星文明的证据。斯里弗的兴趣比起洛厄尔要合主流一些，只要可能，他总是将望远镜指向星云。
斯里弗连续好几个夜晚都对仙女座星云（后来被证实为一个星系）微弱的星光进行拍摄，曝光时间长达40小时，测得的多普勒蓝移相当于300千米/秒，比任何恒星快6倍。1912年，大多数人的意见是仙女座位于我们自己的银河系内，因此天文学家无法相信这样一个局地对象会有这么高的速度。甚至连斯里弗自己都怀疑测量是不是有什么问题，他反复检查，没发现犯什么错误。于是他又将他的望远镜对准了现称为草帽星系的星云。这时他发现，这个星云表现出红移，而不是蓝移，而且多普勒效应甚至更加极端。草帽星系的红移量大到这样一个程度，由此推算出的它飞离地球的速度达到1000千米/秒。这个速度几乎接近光速的1%。如果飞机能飞得这么快，那它从伦敦飞往纽约只需6秒钟。
在接下来的几年中，斯里弗测得了越来越多的星系的速度，而且很显然，它们都以惊人的高速度飞行。然而，一个新的难题开始显现。前两次测量的数据表明，一个星系正在趋近（蓝移），而另一个星系则在退行（红移），而且前十几次测量的结果表明，退行的星系要比趋近的星系多得多。到1917年，斯里弗已经测得了25个星系，其中有21个退行，只有4个是正在趋近。在接下来的10年里，又有20多个星系被添加到列表中，每个星系里的单个恒星都在后退。几乎所有的星系似乎是比着远离银河系，仿佛我们银河系有宇宙狐臭似的不招人待见。
一些天文学家曾预计，星系大致是静止的，实际上它们是漂浮在虚空中。但现在来看显然不是这样。另一些人则认为，它们的速度分布总体上是平衡的，有些趋近，另一些退行。但实际情形似乎并非如此。星系都有一个明显的退行而不是趋近的倾向这一点与所有的预期相冲突。斯里弗和其他人试图对正在显现的这一图像做出说明。各种怪异和奇妙的解释纷纷出笼，但没有一个能达成共识。
星系退行的谜团直到埃德温·哈勃运用他的头脑和望远镜到这个问题上后才有了起色。当他进入这场争论时，他并不看好各种理论，特别是当强大的威尔逊山的100英寸望远镜的威力使新数据的可信性得到保证后就更是如此。他的口头禅很简单：“除非实证结果已经穷尽，否则我们不需要借助于思辨的梦幻般玄想。”
不久哈勃就做出了一项重要观察。这项观察结果让天文学家心悦诚服地将斯里弗的测量结果嵌入到新的宇宙统一模式中。哈勃不知不觉地为支持勒迈特和弗里德曼的宇宙创生模型提供了第一个重大证据。
哈勃定律
在测量了星云的距离并证明其中许多是独立星系多年后，埃德温·哈勃在天文学世界里再次展现了自己的权威。与此同时，他的个人生活也发生了重大变化——他见到并爱上了格蕾丝·伯克，一位当地百万富翁银行家的女儿。据格蕾丝所言，她是在参观了威尔逊山时迷恋上哈勃的。当时她看见他正目不转睛地盯着一张显示恒星星场的底片看。后来，她还记得当时的情形，他看起来就像“一个奥运选手，高大、强壮、英俊，有着一副普拉克西特列斯[8]的赫尔墨斯的肩膀……感觉有一股力量，一种在历险途中寻找出路和方向的力量，而且这种历险与个人的抱负和它带来的焦虑以及内心缺乏平静都没有关系。我竭力集中注意力，但还是会走神，这种力量总算得到了控制。”
当格蕾丝第一次见到哈勃时她已经结婚，但自1921年她丈夫厄尔·莱布去世后就一直寡居。莱布是一位地质学家，在一次收集矿物样品时不慎从竖井摔了下去，失去了生命。经过一段时间的交往和热恋，哈勃与格蕾丝于1924年2月26日结婚。
由于哈勃终结了大辩论以及随后的宣传，哈勃和格蕾丝发现他们依然名列名人榜。威尔逊山距离洛杉矶仅25千米，于是他们成为好莱坞社交圈的常客。哈勃与许多大牌明星一起吃过饭，例如像道格拉斯·费尔班克斯，并与伊戈尔·斯特拉文斯基之辈有过交往。而一些著名的艺人，如莱斯利·霍华德和科尔·波特等，则到访过威尔逊山，使天文台增添了一份迷人的魅力。
哈勃沉迷于他的作为世界上最著名的天文学家的偶像地位，他喜欢对来宾、学生和记者侃侃而谈，叙述他过去的多姿多彩的故事。由于年轻时在他父亲的支配下压抑太久，哈勃现在变得喜欢向崇拜的公众炫耀。比如，他经常会诉说他在欧洲时是如何用剑决斗的故事。他的朋友们喜欢听这个故事，但是当他父亲听到他决斗的战功后，却一味地责备他，并提醒哈勃“那道决斗留下的疤痕绝不是什么荣誉徽章”。
尽管他有名气，享受着名人的生活方式，但哈勃从来没有忘记自己首先是一个开创性的天文学家。他认为自己是一个站在巨人肩膀上的巨人，是哥白尼、伽利略和赫歇尔曾拥有的王位的自然继承者。在意大利度蜜月时，他甚至带着格蕾丝去凭吊了伽利略的墓。他深知是伽利略的工作为他自己的伟大发现提供了基础。
自然，当哈勃听说了斯里弗在测量红移星系方面的优势后，他觉得有必要半路杀入来解决其中的奥秘。他认为搞清楚星系退行的原因是他作为当代最伟大的天文学家的职责。他在威尔逊山上开展了这项工作，那里有100英寸的望远镜，集光能力是斯里弗的洛厄尔天文台的望远镜的17倍。他夜复一夜地几乎连续不断地在黑暗中工作，这让他的眼睛对夜空的黑暗变得敏感。唯一被允许打破这硕大的天文台圆顶内单调的黑暗的光亮，就是他的石楠木烟斗偶尔闪现的温柔的光芒。
哈勃的助理是米尔顿·赫马森，这位出身卑微的天文学家已经跃升成为世界上最好的天文摄影师。赫马森14岁时辍学，随后便在威尔逊山酒店担任服务员。这家酒店为来访的天文学家提供食宿。随后，他被任命为天文台驴队的赶脚，帮助将食品饮料和装备运送到山顶。接下来他在天文台获得了作为看门人的工作，每天晚上他没事就去学习天文学家是怎样使用照相技术的。日积月累，他便掌握了越来越多的关于天文摄影的技巧。他甚至说服一个学生给他辅导数学。这样，经过口口相传，大家都知道威尔逊山上有一个神奇的看门人。他的天文知识增长得非常快，在加入天文台的3年内，他便被任命为照相师。两年后，他成为了一名完全成熟的助理天文学家。
哈勃看上了赫马森，两个人结成了一种在外界看来不太可能的合作伙伴关系。哈勃仍是一副杰出的英国绅士的派头，而赫马森在阴天的晚上便去打牌喝酒，喝的是那种非法酒精兑的称为黑豹汁的烈性酒。他们的关系全赖于哈勃的信念：“天文学的历史上就是一部后退的视野的历史”，赫马森能够提供让哈勃比世界上其他任何人都更能看透宇宙的图像。赫马森在拍摄星系时，他的手指始终控制着望远镜的按钮，以保持星系固定在视场内，并随时补偿跟踪机构带来的任何误差。哈勃非常钦佩赫马森的耐心和细致周到。
为了探索斯里弗的红移之谜，两人对工作做了分工。赫马森测量众多星系的多普勒频移，哈勃着手测量它们的距离。该望远镜已配上新的照相机和分光仪，使得以前需要曝光几个晚上的照片现在可以在短短几个小时内完成。他们开始确认斯里弗最先观测过的星系红移。到1929年，哈勃和赫马森已经测量了46个星系的红移和距离。不幸的是，这些测量结果中有一半的误差边际显得太大。为谨慎起见，哈勃只用那些他有信心的星系测量结果。他将每个星系的速度与距离关系绘制在一张图上，如图60所示。
图60 本图给出了哈勃的第一组显示星系的多普勒频移的数据（1929年）。横轴表示距离，纵轴表示退行速度，每个点代表一个星系的测量结果。虽然不是所有的点都落在一条直线上，但有一种普遍的趋势。这表明，星系的速度正比于它的距离
几乎在所有情况下，星系都显示出红移，这意味着它们在退行。另外，图上的点似乎表明，星系的速度强烈依赖于它到地球的距离。哈勃画了一条通过数据的直线，它表明一个给定的星系的速度正比于它到地球的距离。换句话说，如果一个星系比另一个星系远两倍，那么它退行的速度大致也是两倍。如果一个星系与我们的距离有3倍远，那么它飞离我们的速度也要快3倍。
如果哈勃是正确的，那么这个结果的影响就太大了。星系不是随意地在宇宙中奔驰，而是其速度与其距离有严格的数学关系。当科学家们看到这一关系后，他们将寻找更深层次的意义。在眼下的这种情形下，其意义无非是认识到宇宙中所有星系在历史的某个点上是被压缩到一个很小的区域内的。这是关于我们现在所称的大爆炸的第一个观测证据。是曾经可能存在过创生那一瞬间的第一条线索。
哈勃的数据与宇宙创生时刻之间的联系是简单的。取定当今以某个速度飞离银河系星系的某个星系，让我们看看如果我们将时钟倒拨回去会发生什么。昨天的这个星系肯定比现在要接近银河系，上周它更接近，等等。事实上，用其速度除以到银河系的当前距离，我们就可以推断出该星系何时位于我们的银河系的上方（假设它的速度保持不变）。接下来，我们选择一个其距离是前一个星系距离的两倍远的星系，经过同样的处理，便可知它在什么时间处在我们的银河系的上方。由哈勃的上述图表可知，一个两倍远的星系其速度也是前一个星系的速度的两倍。所以，如果我们将时钟倒拨回去，将发现第二个星系恰在与第一个星系相同的时刻返回到银河系。事实上，如果每一个星系都有一个正比于其到我们银河系的距离的速度，那么在过去的某一时刻，它们都会同时被定位在我们银河系的上方，如图61所示。
因此，宇宙中的一切在创生的那一刻显然都是从一个单一的致密区域出来的。如果让时钟从零时向前跑，那么结果便是一个不断演化不断膨胀的宇宙。这正是勒迈特和弗里德曼理论所给出的结果。这就是宇宙大爆炸。
图61 哈勃的观测意味着宇宙存在创生的那一刻。图（a）代表宇宙的今天，指向2点钟，为简单起见，图中只画了3个其他星系。星系越远，其退行速度（由箭头的长度表示）越快。但是，如果我们将时钟往回拨，如图（b）所示，那么星系似乎在相互趋近。在1点钟（图（c）），这些星系离我们更近。午夜时分（图（d）），它们都处在我们的上方。这便是大爆炸的开始
尽管哈勃收集了这些数据，但他并没有亲自煽动、提倡或鼓励人们去接受大爆炸的含义。哈勃在一篇题为“河外星云的距离与其径向速度之间关系”的6页纸的论文里发表了他的图。头脑顽固的哈勃对宇宙的起源这类猜测和探讨宇宙学的重大哲学问题没有兴趣。他只是想好好观察，并得到准确的数据。这是一样的，在他做出前一次的突破时他也是这么想的。他证实了某些星云的存在远远超出了银河系范围，但这些星云是独立的星系这个结论他留给别人去得出。哈勃似乎因病而无法去发掘他的数据的更深层的意义，这样他的同事便成为解释他的速度与距离的曲线图的人选。
但不管是谁，在认真揣测哈勃的观察数据之前，他们首先要相信哈勃的测量结果是准确的。这是一个主要障碍，因为哈勃的许多天文学家同行并不信服他给出的图。毕竟，图中的许多点离他的拟合直线很远。或许这些点并不真正位于直线上，而是位于某条曲线上？或是根本就不存在这样的直线或曲线，这些点实际上都是随机的？证据必须是具体的，因为其影响可能十分重大。哈勃需要更好的测量和更多的数据。
两年来，哈勃和赫马森在艰苦的夜晚继续埋头于望远镜下，他们将这项技术发挥到极致。他们的努力得到了回报，他们设法测量了那些其距离是他们1929年的论文中所测星系距离的20倍的星系。1931年，哈勃发表了另一篇包含一个新的数据图（图62）的论文。这一次，数据点都乖乖地位于哈勃直线上。数据的意义已无可辩驳。宇宙真的是在不断扩张，而且呈系统性方式进行。星系的速度和距离之间的比例关系被称为哈勃定律。它不是一条像万有引力定律那样的严格定律。万有引力定律给出的是两个物体之间相互吸引的引力的精确值，相反，哈勃定律是一条宽泛的描述性法则，它通常是正确的，但也允许有例外。
图62 如同他的1929年论文中的图（图60）一样，1931年的文章中的图中的每个点代表一个星系的测量数据。比起1929年的数据，这次测量的精度大为改善。特别是，哈勃能够测量距离更远的星系，以至于1929年的论文中的所有数据点都包含在左下角的小方框内。这次很明显，数据点都位于直线上
例如，在早期，维斯托·斯里弗就已确定了几个蓝移的星系，这完全违背了哈勃定律。这些星系正接近我们银河系，如果一个星系的速度正比于它的距离，那么它们就应该有一个比较小的退行速度。然而，如果它们的预期速度足够小，那么它们就可能被我们银河系或我们周围的其他星系的引力拉过来。简言之，稍有蓝移的星系可以作为不符合哈勃定律的局部异常被忽略。因此一般而言，我们确实可以说，宇宙中的星系在以与其距离成正比的速度远离我们。哈勃定律可以一个简单的公式给出：
ν=H0×d
它说的是：任何星系的速度（v）通常等于其离地球的距离（d）乘以一固定常数（H0），这个常数称为哈勃常数。哈勃常数的值取决于距离和速度所采用的单位。通常速度的单位是千米每秒，但出于专业原因，天文学家常常喜欢用百万秒差距（megaparsecs, Mpc）来衡量距离，1 Mpc等于326万光年，或30 900 000 000 000 000 000千米。在采用百万秒差距单位的情形下，哈勃计算出他的常数为558千米每秒/Mpc。
哈勃常数的值有两重含义。首先，如果一个星系距离地球是1 Mpc，那么它的行进速度应该大致为558千米/秒；如果一个星系距离地球是10 Mpc，那么它的行进速度应该是大致为5580千米/秒，等等。事实上，如果哈勃定律是正确的话，那么我们只需通过测量它的距离就可以推断出任何星系的速度，或者反过来，我们可以通过其速度计算出其距离。
哈勃常数的第二个含义是，它告诉我们宇宙的年龄——宇宙中的所有物质是多久以前从单一的致密状态演化来的。如果哈勃常数为558千米每秒/Mpc，那么处在1 Mpc的星系的速度为558千米/秒，所以我们可以计算出要多久星系才会以（假定的）558千米/秒的恒定速度达到1 Mpc的距离。如果我们将距离转换成千米，计算是比较容易的，这一点我们可以做到，因为我们知道，1百万秒差距=30 900 000 000 000 000 000千米。
时间=距离/速度
时间=30 900 000 000 000 000 000千米/558千米每秒=18亿年
因此，根据哈勃和赫马森的观察，宇宙中的所有物质在大致18亿年前被集中在一个相对较小的区域，然后一直向外膨胀至今。这一图像完全与既定的宇宙永恒不变的观点相矛盾。它强化了勒迈特和弗里德曼提出的宇宙始于大爆炸的概念。
天文学家曾经不得不认可宇宙在最低水平上的演化，因为他们亲眼目睹了这一变化，如新星和超新星的出现。但是天文学家一直认为，垂死的恒星是对在其他地方出现的新生的恒星的补偿，从而维护了宇宙的整体稳定和平衡。换句话说，偶尔出现的新星不会改变宇宙的整体性质。然而，这最新数据却暗示了一种宇宙在整体尺度上的不断演化。哈勃的观测和他的膨胀定律意味着宇宙在整体上是动态的和不断演化的，随着距离增加，并且随着时间的推移，宇宙的总体密度呈下降趋势。
很自然，天生的保守性意味着大多数宇宙学家拒绝接受宇宙膨胀和创生于某一时刻的想法，正如当年有人反对星云是遥远的星系，或反对光速有限，或反对地球围绕太阳旋转时一样。
图63 与理想化的吸收光谱（图54）不同，这些光谱是哈勃和赫马森真实测量所得到的谱。虽然很难解释，但每一行显示的是一个星系的吸收波长，右侧是该星系的图像。
第一个星系NGC 221，距离90万光年。赫马森的光谱测量提供了星系的速度。中央横条状显示了星系的光，方框内的竖直线代表该星系被钙吸收的光的波长。这条竖线的实际位置比它应该所处的正确位置偏右很多，代表了红移（见图59），它意味着星系存在125英里/秒（200千米/秒）的退行速度。位移的程度是相对于NGC 221上方和下方的校准数据测量的。
第二组测量数据是关于星系NGC 379的，该星系距离2300万光年，这就是为什么它在照片上的影像会比NGC 221小。关键是，钙的吸收线（方框内）向右偏移得更远，这意味着更大的红移——确实，它的退行速度为1400英里/秒（2250千米/秒）。NGC 379要比NGC 221远26倍，速度快27倍。因此，速度的增加大致与距离的增加成正比。
第三组测量是关于双子座星系群的。其距离有135亿光年。钙线（方框内）甚至右移得更远，这表明它有更大的红移，推得的速度为14 300英里/秒（23 000千米/秒）。它要比NGC 221远大约100倍，速度快约100倍
至于对前赶驴的脚夫而言，这种冠冕堂皇的讨论并没有打扰他。当赫马森测得红移后，他的工作已经完成，他们的解释不是他所关心的：“我一直都相当高兴，因为我的这部分工作，你可以说，是基础性的，它永远不会被改变——无论什么样的决定认为它有什么意义。这些线条总是在那里，无论我怎么测量。它们的速度，不论你称它为这个也好，或叫红移也好，或是它们最终被称为什么东西也罢，总是一直保持不变的。”
值得再次强调的是，哈勃也绕开了任何猜测。他可以提供测量结果，但他没有参与宇宙学的辩论。哈勃和赫马森的科学论文中包含了以下声明：“本文作者仅限于描述’视速度—位移’，不冒险涉及对其解释及其宇宙学意义。”
因此，哈勃没有卷入下一场大辩论，而是尽情享受着他不断提高的名声。1937年，他在美国电影学院奖的颁奖典礼上成为弗兰克·卡普拉的座上宾。电影学院院长卡普拉通过向来宾介绍世界上最伟大的天文学家来为奥斯卡颁奖晚会揭幕。好莱坞的名流都成了哈勃的配角，他站起来接受对他的掌声，三柱辉煌的聚光灯齐刷刷地投射到他身上。他一生都在以惊异的眼光盯着星星，而现在，巨星们怀着同样敬畏的心情在盯着他。
观众席上的每个人都在品味哈勃所取得的成就的分量。这里站着的是这样一个人，他的距离测量将我们对宇宙的看法从单一有限的银河系扩大到夹杂着其他星系的无限空间。正是这个人证明了宇宙在膨胀。并且不论哈勃本人是否承认，这都意味着宇宙有一个有限的历史，它曾经是一个有待于爆发和演化的致密的胚胎。埃德温·哈勃在不知不觉中发现了有利于宇宙创生的第一项真正的证据。最终，大爆炸模型已不仅仅是一个理论。
