埃德溫·鮑威爾·哈布爾(Edwin Powell Hubble)—天文學上的哥倫布

天體一直是人類關注、觀察的焦點,自古以來,人們就對神秘的太空產生興趣,有過種種猜想。但是真正用科學方法研究天體是在近現代。波蘭天文學家哥白尼用畢生精力研究了天體,堅持不懈地觀測三十餘年,終於著成《天體運行論》,建立了「太陽中心說」理論,這不但創立了天文學新體系,而且使自然科學開始從神學中解放出來,故而具有劃時代意義。義大利科學家、近代實驗科學的奠基人之一伽利略,堅信哥白尼的學說,並自製天文望遠鏡,觀測天象,在銀河系內有不少發現。之後,天文學家不斷地把自己的視野向銀河系之外拓展,不停地觀察使他們有不少非凡成就。

在美國,據史載,人們最先專心研究的科學領域是天文學。殖民地時代,就有不少教士從歐洲帶來瞭望遠鏡,熱心地研究著蒼天,並以此來表明上帝是怎麼樣創造世界的。1829年納丹尼爾·蒲迪區成為英國皇家天文學會第一位美國籍會員。1860年,在美國,出現了一位世界上最優秀製造巨型天文望遠鏡的科學家:阿爾萬·克拉克。之後又有不少天文學家在美誕生。埃德溫·鮑威爾·哈布爾(Edwin Powell Hubble,1889-1953 年)便是其中最優秀的代表人物,由於他在理論和實踐上都對天文學有突出貢獻,所以被人稱為天文學上的哥倫布。

1889年11月20日,哈布爾生於密蘇里州馬什菲爾德,父親是當地頗有名氣的律師,故而哈布爾的家境還稱得上富裕的中產階級家庭。待長大成人,其父將他送入芝加哥大學天文系學習。由於物理學老師羅伯特·米利肯的欣賞與幫助,哈布爾獲得了芝加哥大學的獎學金。在芝加哥大學,他受米利肯的影響最大,同時黑爾也給予他不少思想上的啟迪。他最愛好的是天文學,其次是數學。1910年,哈布爾由芝加哥大學天文系畢業,當年他年方21歲,由於聰明過人,他成為領受伊利諾州的羅德斯獎學金的學生,進入了世界著名學府牛津大學。他一度放棄科學研究的興趣與志嚮,在牛津改讀法律,欲學父親而做一個名律師。大學期間,哈布爾是一位出色的運動員,他喜歡拳擊,曾同法國拳擊運動員喬治·卡玻蒂埃交過手,成績很好,他還曾同世界冠軍傑克·約翰遜舉行過一場比賽。1913年哈布爾返回美國,並在肯塔基州的路易斯維爾開設一間事務所,他大約當了一年律師之後,忽然又厭惡了法律工作,轉而研究天文,重操舊業,成為耶爾克斯天文臺的研究人員。之後他重返母校芝加哥大學,攻讀天文學博士學位,1916年發表了題為《黯弱星雲的攝影調查》的論文,展示了其超群出眾的觀察能力。1917年,哈布爾以優異成績獲得博士學位。就在這一年,美國參加了第一次世界大戰,為響應國家號召,哈布爾應徵入伍,在法國服了一年兵役。

1919年,哈布爾開始在加利福尼亞州威爾遜山天文臺工作,此後他把後半生都獻給了他孜孜追求的天文學,由於熱心和追求,他的天文學研究富有成效。在威爾遜山天文臺工作的三十多年中,哈布爾作出了許多貢獻,被尊為一代天文學宗師。總結起來,哈布爾最重大的貢獻有二。一是確認星系是與銀河系相當的恆星系統,從而開創了星系天文學,建立了大尺度宇宙結構的新概念;二是發現星系的紅移一距離關係,促使現代宇宙學的誕生。

從1919年參加威爾遜山天文臺工作之日起,哈布爾便立即開始廣泛地研究當時已經知道的千萬個星雲。這些星雲中距地球最近的,憑肉眼就可以看到,仿佛是一個模糊的雲團。1919年,他用當時世界上最大的1.5米x2.5米反射望遠鏡照相觀測旋渦星雲。哈布爾好像是在駕駛著探險船深入到了茫茫太空海洋。通過觀察,他肯定地證實,我們地球所在的銀河系統以外遙外的地方,還有許多個宇宙存在;1924年,哈布爾發現仙女座大星雲的造父變星,根據周光關係,推算出它在銀河系之外,是和銀河系一樣的恆星系統。哈布爾還指出,太空之中可能存在著別的千萬個系統。1924年底,哈布爾在美國天文學會上宣布了他的這一發現,立即引起關注並很快震動全世界的天文學界。由於哈布爾的資料翔實,論述正確,故而多年來關於旋渦星雲是近距天體還是銀河系之外的宇宙島的爭論就此結束,從而揭開了探索大宇宙的新的一頁。

研究的路子一經指明,人們就更狂熱地探測銀河系以外的遙遠太空中的新宇宙了,千百團星雲被分析為星球、氣體、塵雲以及被附近的星球照亮了的較大的微粒。哈布爾在觀察中又發現,銀河外的整個宇宙群似乎都正離開我們居住的這一微塵似的世界,向遠處飛逝而去。所有的星雲,都以極驚人的速度飛逝,越遠時速度越快,向蒼天的最遙遠的邊陲奔去,攢升著穿過天空。這些銀河之外的星雲,仿佛是巨大的肥皂泡,不斷擴展,迅速脹大,其直徑每14億年增加一倍。如上觀察,在當時的天文學界已是常識,重要的是,哈布爾發現了這些星雲背離地球而去的速度同牠們距離地球的里程之間存在著很古怪的關係。哈布爾認為:星雲背離地球而去的速度,由牠們光譜線上的紅色變幻顯示出來,星雲越去越遠,去的速度也越見增加。距地球遠的星雲,其背離地球而去的速度,比距地球近的星雲去的速度更大。1929年哈布爾公佈了自己的這一發現,隨被人稱為哈布爾定律。

哈布爾定律的形式是:V=HD

V是河外星系的視向退行速度,D是指距離。H則是指哈布爾常數,1931年,哈布爾將其確定為558,後又訂正為526,1974—1976年當代天文學家桑德奇和塔曼又將H修訂為55。儘管哈布爾常數有所修訂,但哈布爾定律卻一直被天文學界使用,通常被用作推算距離的工具。例如,當發現最大紅移為0.75的星系時,就認為已觀測到宇宙中距我們達90億光年的深處。

哈布爾深入窺探了當時他所能達到的最遙遠的太空,他拍攝的1283張照片中,出現了4.4萬個不同的星雲。他認為,在他100英寸天文望遠鏡所能掃視到的一小部分天空中,約有7500萬個海島似的宇宙。哈布爾進一步推測,全部宇宙系統的數目,可能達到大約500萬億。浩繁的星雲,相當均勻地散布在一個有限界的圓形蒼穹之中,這個封閉的體系的彎曲度半徑,據他估計有數十億光年之長。這是哈布爾的宇宙結構理論,但是他對宇宙前景的看法並不樂觀,因為星雲不斷地向外擴張,宇宙在不斷地擴散,越散越稀薄,不停地擴張的宇宙終會有一天由於完全擴張而變成虛無縹渺。

1936年,哈布爾出版了《星雲世界》,1937年又發表了《用觀測手段探索宇宙學問題》,這兩部專著都是天文學的經典名著。

1941年12月8日,正當哈布爾與同事們準備新的天文研究項目時,日本突襲珍珠港,太平洋戰爭爆發,本來即將展現在人類眼前的新的太空境界也只能暫停在雲封霧鎖的狀態。哈布爾也奉命被派至馬里蘭州阿巴汀軍械部的研究發展中心去負責彈道學研究工作。

1945年12月底,哈布爾又回到他朝思暮盼的工作崗位,重返加利福尼亞,在帕薩迪納負責完成200英寸望遠鏡設計建制的工作。後來,他又擔任威爾遜山及帕洛馬山聯合研究委員會主度,負責選定適合於兩臺的研究項目。從1949年11月開始,200英寸望遠鏡依照正規的計畫進行觀測,並不斷取得新的觀測資料。

哈布爾是一位不懈追求的科學家,他決不滿足於現狀。在一次學術講座上,他這樣說道:「我們的探求將會繼續不斷進行。這種探求,尚未取得滿意的結果之前,決不停頓下來。」

正當天文學家們利用新的儀器,觀測太空而初有成果時,他們的老前輩、一個對該學科有重大貢獻的哈布爾卻於1953年9月28日因心臟病突發病逝於加利福尼亞州的聖馬里諾。

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