科学网宇宙膨胀背后的故事（廿九）：宇宙的膨

1990年代是天文学又一个激动人心的年代。1990年4月24日，“发现”（Discovery）号航天飞机升空，在卫星轨道上装置了人类第一台遨游太空的天文望远镜，以现代最著名的天文学家命名为“哈勃太空望远镜”（Hubble Space Telescope）。

即使是在难得的晴空万里的黑夜，即使是在海拔数千米的高山之巅，地球上的望远镜都会受到大气层的影响。大气层不仅吸收了大量的星光（尤其是微波、红外、紫外等波段的电磁波），而且即便是微弱的气流搅动也会造成相片的模糊失焦。在现代化的镜片制作、电子成像工艺精益求精之后，天文望远镜的精度已经达到极限，大气层成为最大的障碍。

早在1920年代火箭技术刚刚起步时，就有人提出现代的运载火箭有一天能将天文望远镜送上太空，彻底摆脱大气层。1946年，年仅32岁的美国人斯皮策（Lyman Spitzer）发表论文，系统地阐述了太空望远镜的设计。一年后，他接替导师罗素担任普林斯顿天文台台长（他也是著名的普林斯顿受控热核聚变实验室的创始人）。其后几十年，他一直在美国航天局领衔推动这个梦想的实现。

与哈勃本人早年的经历相似，哈勃望远镜的亮相有过颇多磨难。1986年“挑战者”号的灾难迫使航天飞机整体停飞两年多，哈勃望远镜也不得不在仓库中被冷藏了四年。终于进入轨道后，它又被发现镜片制作不当，拍摄的照片散光、模糊，没达到设计要求。1993年，“奋进”（Endeavour）号航天飞机再度造访轨道上的哈勃望远镜。宇航员经过一番复杂的太空操作为它添加了一副矫正镜片。戴上眼镜之后的哈勃望远镜终于大放光彩，不仅在科学发现上屡建奇功，而且连年拍摄出大量丰富多彩的天文照片，令爱好科学的大众惊艳不已。

在太空轨道上傲视天穹的哈勃天文望远镜。

今天，人们提到“哈勃”时，他们指的大多是天外的那台望远镜，而不是近100年前威尔逊山上的那位少校。作为个人的哈勃早已悄悄地离开了这个世界，在地球上没有留下痕迹。但从1990年起，他的墓碑已经超脱地球的羁绊，独自在太空中翱翔；犹如他的魂灵，永恒地凝视着深邃的宇宙，捕捉、收集来自远方、来自远古的微弱星光。

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1996年，普林斯顿借250周年校庆之机举办了一系列活动。夏天，他们邀请天文学家在那里济济一堂。特纳、皮布尔斯等新生代“无赖宇宙学家”接连发言，企图复活普林斯顿老前辈爱因斯坦当年那无中生有的宇宙常数。他们从理论上论证，宇宙中存在的物质、暗物质不足以解释宇宙的平坦，需要宇宙常数帮忙。

科什纳主持了特纳与其他理论家的一场辩论。之后，他转向珀尔马特，问他的看法。珀尔马特没有纠缠理论，表示他可以谈谈他们遥远超新星测量的结果。

作为天文学家的哈勃最著名的是他发表的星系速度与距离关系图，显示星系远离我们而去的速度与它们的距离的数据点构成一条直线，即成正比。虽然勒梅特曾更早地发现这个规律，这个图还是被称作“哈勃图”；正比关系即“哈勃定律”。那条直线的斜率便是“哈勃常数”——宇宙年龄的倒数。

哈勃那时的数据有限，误差也相当大。所以他那张图上数据点发散，与他画的直线之拟合颇为勉强。温伯格后来评论说哈勃发现正比关系其实是出自他本人的主观愿望。好在那之后的几十年里，桑德奇等一整代天文学家以越来越多的数据、在越来越远的距离上证实了哈勃定律。从1920年代哈勃、胡马森力所能及的几百万光年距离到1990年代珀尔马特追求的几亿光年外超新星，哈勃图上的直线不断地延伸，经受了历史的考验。

果然，珀尔马特在会上拿出的他们最初七颗超新星也都处在那条（再度伸长后的）直线上。皮布尔斯当即表示：如果这些数据成立，他们刚刚还正在鼓吹的宇宙常数理论就完结了。

哈勃定律的正比关系可以用一个膨胀中的气球形象地描述：在一个均匀膨胀中的气球表面，任何两点拉开的速度与它们之间的距离成正比。不过，宇宙还有一个气球式的日常经验不具备的因素：时间。

因为光速有限，我们抬头看到的太阳其实只是八分钟以前的太阳。同样，几亿光年之外超新星的亮光、红移给我们带来的并不是它们今天正在离开我们的速度，而是几亿年前它们所在之处的膨胀速度。当然，如果宇宙膨胀的速度像阳光一样恒定不变，这个时间差即使巨大也没有影响。