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来源：物理与工程收集编辑：王爽
第一个登场的是美国天文学家哈罗·沙普利（Harlow Shapley）。沙普利家境贫寒，刚读完小学就被迫辍学。为了谋生，他打过很多零工，包括给一家乡村小报当记者。后来，他重返校园以完成中学学业，并被密苏里大学录取。沙普利打算攻读新闻学的学士学位，但是入学那天他发现密苏里大学新闻学院当年根本不招生。沙普利决定按照英文字母的顺序来选择专业。他放弃了第一个专业 archaeology（考古学），因为他读不准这个单词的音。所以，他就选择了第二个专业 astronomy（天文学）。本科毕业后，沙普利考上了普林斯顿大学的博士研究生，师从普林斯顿大学天文系第一位系主任、美国著名天文学家亨利·罗素（HenryRussell）。读博期间，他知道了勒维特提出的标准烛光的概念，并为此深深着迷。1914年，博士毕业的沙普利被聘为威尔逊山天文台研究员。这个农家少年，正好赶上了天时、地利、人和。天时是指，勒维特在两年前发现造父变星是一种标准烛光，可以用来测量遥远的天文距离。地利是指，沙普利所在的威尔逊山天文台，有一台 1.5 米口径的光学望远镜。当时，这是全世界最大、最先进的望远镜。人和是指，沙普利得到了威尔逊山天文台台长乔治·海耳（GeorgeHale）的大力支持。沙普利踌躇满志，他决定利用这台 1.5 米口径的望远镜，来探测银河系的结构。银河系有好几千亿颗恒星，一颗一颗数是不现实的。所以，沙普利决定要探测银河系的“骨架”，即球状星团。球状星团是由几万颗到几百万颗恒星构成的一种非常密集的球状恒星集团。目前，人类已经在银河系中发现了 100 多个球状星团。沙普利相信，球状星团是银河系的“骨架”，能反应银河系的大小和形状。因此，只要想办法测出这 100 多个球状星团到地球的距离，便能绘制出整个银河系。第一阶段，在离地球最近的球状星团中，寻找造父变星。只要能找到造父变星，就可以利用它们来确定最近的球状星团的距离。第二阶段，在找不到造父变星的较远的球状星团中，寻找另一类变星，即“星团变星”。然后把星团变星也视为标准烛光 ( 一种天体要是能被视为标准烛光，就可以利用其亮度与距离的平方成反比的关系，来进行天文测距 )，并用同时拥有造父变星和星团变星的球状星团进行定标。这样就可以用星团变星作量天尺，来确定较远的球状星团的距离。第三阶段，对于那些什么变星都找不到的球状星团，直接把整个球状星团都视为标准烛光；然后再用相距较近且距离已知的球状星团，来估算那些遥远球状星团的距离。需要特别强调的是，沙普利第二阶段和第三阶段的距离测量其实并不准确。原因在于，无论是星团变星还是球状星团，都不是真正的标准烛光；换句话说，用星团变星或球状星团来测距，其实并不准确。不过，这些偏差，并不影响沙普利对银河系形状的最终绘制结果。经过数年努力，沙普利终于完成了对这 100 多个球状星团距离的测量，进而绘制出了整个银河系的骨架。他发现，太阳根本就不是银河系的中心；银河系真正的中心在人马座方向，离我们至少上万光年。正是这个发现，宣判了哥白尼日心说的“死刑”。沙普利也由此名动天下。但是功成名就的沙普利，并没有逃脱屠龙少年终成恶龙的宿命。没过多久，他就成了一场世纪大辩论的“反派人物”。为了更好地介绍这场世纪大辩论，先给大家补充一些背景知识。在 20 世纪前，人类普遍相信银河系就是宇宙的全部。不过，也有人反对这幅宇宙图像。他们相信，宇宙是一片浩瀚的大海，而银河系只是漂浮在这片大海上的一座小小的岛屿。在银河系之外，还有许许多多和它一样大小的岛屿。这就是所谓的“宇宙岛”理论。“宇宙岛”理论的代表人物之一，是德国大哲学家伊曼纽尔·康德（Immanuel Kant）。当时天文学家已经在银河系边缘发现了一些螺旋星云，不过一直无法确定它们与地球相距多远。康德就提出了一个大胆的猜想：这些螺旋星云全是和银河系一样大小的岛屿。后来，人们发现这样的螺旋星云有不下 10 万个。对那个年代的天文学家来说，想象在银河系外还有 10 万个与银河系一样大小的星系，完全是不可理喻，“宇宙岛”理论就进了天文学界的冷宫，一关就是 100 多年。1914 年，“宇宙岛”理论才得以东山再起。美国天文学家维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）想到了办法，能精确测出螺旋星云的运动速度。他测量了 15 个螺旋星云，发现速度最快的两个星云，正以 1100 千米 / 秒的超高速飞离地球。过了 3 年，又出现了支持“宇宙岛”理论的新证据。美国天文学家赫伯·柯蒂斯（Heber Curtis）在螺旋星云中找到了不少新星。他把新星视为标准烛光，利用标准烛光亮度与距离的平方成反比的关系，对这些螺旋星云的距离进行了测量。柯蒂斯的测量结果显示：这些螺旋星云与地球相距甚远，远超当时公认的银河系直径，即 3 万光年。这些发现没有让“宇宙岛”理论成为主流。其中最大的障碍，就是沙普利。他在绘制银河系的时候算出，银河系的直径能达到惊人的 30 万光年。所以他认为，这么大的空间区域，足以装下整个宇宙。1920 年初，美国科学院决定要找两个科学家，做一场面向民众的公开辩论。美国科学院秘书提议，可以搞一场关于冰川的辩论。这个提议遭到了一个实权派人物的极力反对，此人就是威尔逊山天文台台长乔治·海耳（George Hale）。海耳认为，要想产生较大的社会影响力，就应该选择那些最前沿的科学辩题。所以，他推荐了两个新的辩题。第一个辩题是爱因斯坦的相对论。此辩题让美国科学院秘书“气得吐血”。他宣称：“应该把相对论扔到四维时空以外的某个地方，这样它就不会再来困扰我们了。”所以最后就采用了海耳推荐的第二个辩题，即宇宙的尺度。有了辩题，接下来就该选择辩手了，最后确定了两个最合适的人选，也就是沙普利和柯蒂斯。大辩论的正方是沙普利。他持传统观点，认为银河系就是宇宙的全部；而反方是柯蒂斯。他相信“宇宙岛”理论，认为银河系外还有很多其他的星系。而双方争论的焦点是，银河系到底有多大。1920 年 4 月 26 日，这场举世瞩目的世纪大辩论，在纽约市史密斯森自然历史博物馆拉开了帷幕。辩论开始后，沙普利首先出场。但他还没开口说话，就已经落了下风，他已经开始患得患失了。不久前，哈佛大学天文台台长皮克林因病去世，哈佛大学开始甄选下一任台长。沙普利得知自己是这个职位的热门人选，他很怕自己输掉辩论，给坐在台下的哈佛大学代表留下坏印象。沙普利改变了原来的辩论策略，在描述如何测量银河系大小时，他跳过了自己实际采用的造父变星和球状星团，而介绍了自己根本没用的蓝巨星。沙普利宣称，蓝巨星也是一种标准烛光，可以用其来测量银河系的大小；而蓝巨星的测量结果表明，银河系的直径能达到惊人的 30 万光年，这足以容纳整个宇宙。其实，蓝巨星仅仅是沙普利为这场辩论准备的脚注材料。沙普利这么做的理由很简单。他用造父变星和球状星团进行天文测距的工作，在学术界早已尽人皆知。如果介绍这两种测距工具，肯定会遭到柯蒂斯有针对性的攻击。所以，他干脆介绍柯蒂斯不知道的蓝巨星。沙普利的诡辩策略并没有打乱柯蒂斯的阵脚。他很快发起了攻势。首先，柯蒂斯质疑了沙普利采用的测距工具的可靠性；无论是造父变星、球状星团，还是蓝巨星，都没逃过他的批驳。其次，他提出了一种他认为更可靠的测距工具，即黄矮星（太阳就属于黄矮星）。接着，把黄矮星视为标准烛光，柯蒂斯估算了银河系的直径，结果只有 3 万光年。最后，柯蒂斯描述了“宇宙岛”的物理图像，并解释了螺旋星云为何只出现在银河系的上下两端。柯蒂斯成了这场大辩论的赢家。没过多久，他就被聘为阿利刚天文台台长。这场世纪大辩论，让“银河系到底有多大”的学术论战，进入了公众的视野。不过搞笑的是，辩论双方其实都是错的。沙普利基于球状星团测出，银河系直径是 30 万光年；柯蒂斯基于黄矮星，测出银河系直径是 3 万光年。而目前的天文观测结果表明，银河系直径的实际值应为 10 万光年。答案是，他们的距离测量工具有问题。无论是球状星团还是黄矮星，都不是能用来测距的标准烛光。真正靠谱的测距工具，还是勒维特提出的那个造父变星。这场世纪大辩论并没有改变天文学界的分裂格局。对于螺旋星云是否属于银河系，依然是公说公有理，婆说婆有理。直到 3 年后，一个年轻人为这场世纪大辩论画上了句号。此人就是美国天文学家埃德温·哈勃（Edwlin Hubble）。与幼年辍学、历尽磨难的沙普利不同，学生时代的哈勃，可谓一路顺风顺水。读高中的时候，哈勃是一个明星运动员，靠着运动特长被保送到了芝加哥大学；毕业前夕，他又拿到了罗德奖学金，前往牛津大学攻读法学硕士学位。学成归国的哈勃，并没有从事法律工作，因为他没能通过美国的司法考试，他只好跑到家乡的一所高中任教，主讲数学，同时兼任校篮球队教练。后来，在一位教授的帮助下，哈勃重返芝加哥大学，攻读天文学博士学位。一战后，博士毕业的哈勃被聘为威尔逊山天文台研究员。在那里，他遇到了自己一生的“宿敌”沙普利。沙普利看不惯这个总是一身英伦范却没什么成绩的年轻人。那时的沙普利在美国天文学界如日中天，哈勃最初在威尔逊山天文台工作的日子并不好过。但没过多久，哈勃的职业生涯就迎来了转机。他任职的威尔逊山天文台新建了一个2.5米口径的“胡克望远镜”；而在此后30多年的时间里，这个“胡克望远镜”一直是全世界最大、最先进的光学望远镜。与此同时，沙普利离开了威尔逊山天文台，接任哈佛大学天文台台长。这样一来，哈勃就得到了大量的、本属于沙普利的“胡克望远镜”观测时间。1923 年，哈勃利用“胡克望远镜”，在仙女星云中发现了两颗造父变星（毫无疑问，造父变星是最靠谱的标准烛光）。利用这两颗造父变星，哈勃测出仙女星云与我们相距至少 100 万光年。这个惊人的数字已经远远超越了银河系的尺寸，说明仙女星云必然位于银河系之外。哈勃把这个发现写成了一封信，寄给了沙普利。根据沙普利的高徒、哈佛大学历史上首位女系主任塞西莉亚·佩恩（Cecilia Payne）的回忆，沙普利收到哈勃的信后如雷轰顶，哀叹道：“这封信摧毁了我的世界。”当然，沙普利并不甘心坐以待毙。他给哈勃写了封回信，质疑哈勃在仙女星云中找到的那两颗造父变星都是“伪星”，根本不能用于天文学测距。1924 年，哈勃继续观测星空，并取得了新的进展。他成功地在仙女星云、巴纳德星云以及 M33 星云中找到了更多的造父变星。它们全都揭示出银河系并非宇宙的全部。哈勃的发现，让世纪大辩论彻底落下了帷幕。天文学界达成了共识：银河系，其实仅仅是“星云王国中的一个小小的村落”。那么，整个宇宙到底有多大呢？欲知详情，请听下回分解。《物理与工程》期刊是专注于物理教育教学研究的学术期刊，是中国科技核心期刊，1981年创刊，欢迎踊跃投稿，期刊投审稿采编平台：
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