观天神器丨威尔逊山天文台：哈勃与爱因斯坦英雄惜英雄，剑指苍穹

前言

从今天开始，我要开播一个新系列节目——《观天神器》——我去年播讲《梦向另外的世界》的姊妹篇。《梦向另外的世界》讲的都是宇宙探测器，而这次我要带你回到地球，给你讲述那些地面天文台的故事。可以说，每一个地面天文台都是一个观天神器。正是在这些神器的辅助下，人类一点一点揭开了宇宙神秘的面纱，让我们看到了无数令人惊叹的景象。

在这些观天神器的凝望中，人类旧有的宇宙观被不断地刷新。一座座天文台，就像是一座座人类文明纪念碑，记录着位于银河系郊外一角的蓝色星球上，一群身高不足2米的两足动物探索浩瀚宇宙的故事。

闲言少叙，这就开始我们的故事。

观天神器01-威尔逊山天文

原作者：刘辰

修订者：汪诘

比蜜月更重要的事

1930年12月的一天，德国柏林，时值隆冬，北风呼啸。著名物理学家爱因斯坦新婚燕尔，但他无暇和妻子享受蜜月的甜蜜，他要马上去美国加利福尼亚州。爱因斯坦去加州可不是为了度蜜月，在他看来，有一件事的优先级比度蜜月要高得多。

在民航还没有普及的年代，从德国前往地球对面的美国，可不是趟轻松的旅程。为了到达位于美国西海岸的加州，爱因斯坦先从德国坐火车到比利时，然后在安特卫普港坐船，一路向西渡过大西洋到达美国纽约。短暂停留之后，爱因斯坦从美国纽约又乘船南下，沿着东海岸到巴拿马运河，再穿过运河，到达太平洋，继续沿太平洋北上，历时一个月，这才终于抵达了加州的洛杉矶。

这是爱因斯坦第二次来美国，也是他第一次踏足美国西海岸。他千里迢迢来到加州，是受加州理工学院邀请进行学术访问。但对爱因斯坦来说，还有一个很重要的私人目的，就是去参观一个地方，然后拜会一个人。这个地方就是位于加州的威尔逊山天文台，而他要拜访的人，则是美国传奇天文学埃德温·鲍威尔·哈勃（Edwin Powell Hubble, 1889－1953）。

哈勃在威尔逊山天文台做出的发现，不仅刷新了爱因斯坦的认知，也刷新了人类对宇宙的认知。威尔逊山天文台也因为这项发现在整个人类天文学史上写下了浓墨重彩的一笔。

超会拉赞助的天文学家1904年，被喻为太阳观测之父的美国天文学家乔治·埃勒里·海耳（George Ellery Hale, 1868-1938）来到了位于加州洛杉矶东北部的威尔逊山。他一眼就相中了这个宝地。为什么呢？因为威尔逊山所在的区域上空有一种比较罕见的大气现象，被称为“逆温层”。通常情况下，气温会随着海拔的升高而降低，但由于一些复杂的成因，有些地方则刚好反过来，这就是逆温层。

逆温层带来的一个最大好处就是大气非常的稳定，威尔逊山是整个北美地区大气最稳定的区域之一，特别有利于天文观测。

海耳发现这块宝地后，马上把一个当时世界先进的天文望远镜，从叶凯士天文台搬了过来。就这样，威尔逊山天文台正式成立了。

天文台成立后，海耳率领科研团队投入了对太阳的观测研究中。就是在这里，他证明了太阳黑子是太阳强磁场的中心。这也是人类首次探测到地球以外的天体磁场。但是很快，海耳就嫌望远镜的口径太小，对于天文学家来说，对望远镜口径的追求是无止境的，多大都嫌不够。

图：海耳

但海耳除了做科研是一把好手外，还有另外一项天赋，他拉赞助也同样是一把好手。他很快就说服了当地富商为天文台捐钱。1908 年，威尔逊山天文台建成了当时世界上最大的天文望远镜。

有了这个世界上最先进的望远镜，威尔逊山天文台一下子成了香饽饽。世界各地的研究者慕名而来。这其中，就包括传奇天文学家哈勃。

哈勃早年在叶凯士天文台做研究，自从海耳把望远镜搬到了威尔逊山，又建成了新的大望远镜，他就成了威尔逊山的常客。哈勃是一个精力无限的年轻人，不但在芝加哥大学双修天文学和数学，还热爱拳击。研究生毕业时，他可以选择天文学或者数学，也可以选择成为一名职业拳击手。万幸的是（这是站在我这个天文爱好者的角度来说），哈勃投身到了天文学领域。

颠覆当时认知的一张照片

在哈勃开始投身天文学的时代，学界的主流观点认为：银河系就是整个宇宙，宇宙的大小就是银河系的直径，所有的天体要么靠近银河系中心，要么跟我们的太阳系一样，处在银河系的某条旋臂上。

不过，也存在一些不同的声音。其实早在十七世纪，天文学家们就发现了夜空中有一种螺旋形状的星云。今天我们每个天文爱好者都知道这些星云其实就是一个星系，但早期的天文学家不可能轻易想得到这些在望远镜中像一片雪花般的星云是一个星系。等到天文学家们发现银河系的形状是螺旋形之后，才开始有一些人怀疑那些螺旋状的星云会不会也是一个跟银河系一样的星系呢？

假如这种观点是对的，那就是说，我们的宇宙并不是只有银河系，在银河系之外还有星系，这就等于颠覆了人类的宇宙观，是了不得的大事。但问题是，非同寻常的主张需要非同寻常的证据，光有大胆的猜想是不够的，科学结论需要的是证据。

历史把解决这个问题的重任交到了哈勃手里。到底该如何找到证据呢？这个问题困扰着哈勃。

哈勃采用的方法是光谱分析。夜空中的每一个亮点，经过光栅设备的分光后，就会呈现出一条彩色的光谱。哈勃尽可能地收集来自各个星云的光谱，做详细的分析。他发现仙女座星云的光谱与太阳的光谱非常相似，具有恒星的性质。实际上，早在 1864 年，英国天文学家威廉·哈金斯（Sir William Huggins，1824-1910）也做出过同样的发现，只是当时的设备还比较简陋，数据不够扎实。这一次，海耳验证了哈勃的数据，他们确信仙女座星云是由无数颗发光的恒星构成的。哈勃还利用威尔逊山天文台的超级望远镜，拍下了仙女座星云的照片。

当时世界上最大口径的望远镜落成但问题并未就此解决，证明仙女座星云是由恒星构成，并不能证明它就是银河系之外的另一个星系。因为银河系中本来就包含大量的星团，发现星团并不算是特别重大的发现。对于哈勃来说，弄清楚仙女座星云的距离才是关键。但对于当时的条件来说，想要确定夜空中一个暗弱的光点到底离地球有多远，是一件几乎束手无策的难题。

唯一有望解决这个难题的路径只有一个，那就是，建造更大口径的望远镜，越大越好。

于是，海耳又出马了，他拉赞助的天赋再一次展现。他设法把著名的慈善家、钢铁大王、当时世界第二富翁安德鲁·卡耐基（Andrew Carnegie, 1835-1919）给邀请到了威尔逊山天文台，然后给他好一顿科普。终于把卡耐基给说激动了，爽快地答应捐出 1000 万美元，这在当时绝对是一笔天文数字的巨款。

图：卡内基（左）与海耳

科普对科研有时候就是会起到关键性的作用，这也是为什么美国的所有科研机构都特别重视科普的原因，因为通过科普能募集到钱啊。

就这样，有了钱，很多事情就好办了。到了 1917年11月1日，一台全世界最大口径的望远镜落成了。

英国诗人阿尔弗雷德·诺耶斯（Alfred Noyes,1880 -1958）为了纪念这个时刻，后来在他的史诗《天空的守望者》中写道：

……天空的探索者，科学的先驱，

现在准备再次进击黑暗，

并赢得新的世界。

“… The explorers of the sky, the pioneers of science,

now made ready to attack that darkness once again,

and win new worlds.“

这台望远镜就是后来名震天下的胡克望远镜。

哈勃定律有了它，哈勃如虎添翼，终于找到了破解仙女座星云距离的办法。

在夜空中，有一种恒星被称为“造父变星”，它是一种亮度会发生周期性变化的变光恒星，造父变星的绝对亮度与变光周期之间存在着固定关系，这就意味着这种恒星可以成为宇宙中的“标准烛光”。光的亮度与距离的平方呈反比关系，如果光源的绝对亮度是已知的，那么测量出视亮度就等于测量出了距离。

图：哈勃的观测笔记

哈勃用超级胡克望远镜拍摄了大量的仙女座星云照片，他从中发现了 34颗造父变星。然后他用了两年多的时间耐心地绘制这些造父变星的光变周期曲线，计算出了这些造父变星的绝对亮度。再根据他们在望远镜中的视亮度，就可以计算出这些造父变星的距离了。他的计算表明，仙女座星云离我们的距离约93万光年（现在我们知道他还是大大低估了距离），远远超出了银河系的直径。仙女座星云显然不是我们银河系的成员。

1925年，哈勃把这个结果公布在了美国天文学界的一个会议上，引起了轰动。哈勃的数据极为扎实，证据充分，很快就得到了公认。他几乎以一己之力拓展了人类对宇宙的认知。

此时的哈勃和威尔逊山天文台，名声大噪，俨然就是天文学研究的引领者。而哈勃也没有停下研究脚步，他将胡克望远镜持续对准那些遥远的星系，一个更加惊人的宇宙奥秘即将被他发现。

哈勃经过持续的跟踪观测、计算，发现，几乎所有的星系（仙女座星系除外）都在远离我们而去，这种现象被叫做星系退行。哈勃在计算汇总了所有星系退行的速度后得出结论：一个星系退行的速度与距离的比值，是一个常数。也就是说，星系都在远离我们，并且离我们越远，退行得越快。这就是大名鼎鼎的哈勃定律。

英雄惜英雄

除了用宇宙正在膨胀来解释这个现象，实在找不出第二个更合理的解释了。哈勃的这个结论一经发布，就如同捅了马蜂窝，整个天文学界都炸开了。今天我们都知道，宇宙膨胀理论已经得到科学界的公认。然而在当时，宇宙膨胀那绝对是令人震惊的观点。远在地球另一端的爱因斯坦，在听到这个消息后也是无比震惊，他屁股坐不住了，一定要前往美国拜会一下哈勃。

爱因斯坦的震惊是有理由的。早在1916年，爱因斯坦提出广义相对论的时候，他就发现，广义相对论方程导出了一个推论，表明宇宙是动态的，要么膨胀，要么收缩，但问题是这个推论违反了爱因斯坦的直觉。直觉和朴素宇宙观令爱因斯坦坚信，宇宙应该是稳恒态，不可能忽大忽小，一定是自己的方程少了点什么。于是，纠结再三，他给广义相对论方程加了一个常数，这个常数就被称为“宇宙学常数”，以维持宇宙的稳恒态。

现在，哈勃居然发现，宇宙真的不是稳恒态的，宇宙正在膨胀，这就让爱因斯坦感到无比震惊，他一定要亲自去拜会一下哈勃，求证一番。

1931年1月29日清晨，加州温暖的海风吹走了冬日的寒冷，哈勃和妻子如约驾车接爱因斯坦参观威尔逊山天文台。在路上，爱因斯坦发自内心地对哈勃妻子说：“您丈夫的工作极其出色。”在天文台，爱因斯坦像孩子一样对庞大的望远镜爱不释手、流连忘返。

当工作人员向爱因斯坦介绍望远镜时，爱因斯坦看着哈勃，微笑着对所有人说：“哈勃用这望远镜证实了我的预言。”

被爱因斯坦接受并认可，让威尔逊山天文台和哈勃声名鹊起。哈勃获得了除诺贝尔奖以外的几乎所有科学界大奖。因为在哈勃那个年代，诺奖还没有颁发给天文学领域的先例，当时的科学界还没有把物理学和天文学看成是同一个科研领域。否则，哈勃获得诺贝尔物理学奖肯定是众望所归。

尾声

哈勃在威尔逊山天文台做出的成就在人类认识宇宙的历史进程中，具有丰碑意义，这些成就令哈勃和威尔逊山天文台永远写进了天文学史中。如果说哈勃为人类开启了一盏照亮宇宙的明灯，指引人类朝着正确的方向探索宇宙，那威尔逊山天文台，就是灯塔。

（图：你找到哈勃了吗？）

威尔逊山天文台自建成起，就拥有世界先进的天文望远镜。1969 年，为了纪念海耳，威尔逊山天文台和帕洛马山天文台合并成为海耳天文台。1986 年，威尔逊山天文台的胡克望远镜完成了它的历史使命，正式停用。

1992年，随着科技的进步，人们为威尔逊山天文台望远镜安装了自适应光学系统，使得这位功勋卓著的战将又恢复了活力，重新启用。在此后数年中，该望远镜依然是世界各地的天文工作者探索宇宙的重要工具。

直到今天，威尔逊山天文台仍然是知名的天文学地标，每年数以万计的参观者慕名而来，他们像朝圣一样，来参观这座带领人类改变宇宙观的天文台。

我想，人类所能问出的终极问题，恐怕就是：宇宙到底是什么？没有什么问题能比这个问题更大。就尺度而言，人类与宇宙相比，简直没法用任何形容词来描述他们之间的差异。但就是在宇宙面前如此渺小的人类，却能找到窥探宇宙全貌的方法，实在是令人惊叹。

哈勃在威尔逊山天文台留下的传奇故事，是人类文明认识宇宙全貌的开端，他让我们深刻体会，科学如何用证据说话。在证据面前，即便是爱因斯坦这样的大神级科学家，也必须服气。证据是一切答案的前提。