穷宇宙(zhou)之际(ji)(吴国盛)
20世纪的(de)(de)天(tian)文(wen)(wen)学，由(you)于观测(ce)手段更为先进，将人类(lei)的(de)(de)视野扩展到了(le)(le)(le)150亿光(guang)年(nian)的(de)(de)空间距离。除了(le)(le)(le)传统的(de)(de)光(guang)学望(wang)远镜(jing)随光(guang)学材料的(de)(de)改进和(he)加工能力的(de)(de)提高，出现了(le)(le)(le)空前大的(de)(de)口径外(wai)，无线电(dian)(dian)接(jie)收技术的(de)(de)发展，导致了(le)(le)(le)可见(jian)光(guang)之外(wai)各(ge)波段的(de)(de)天(tian)文(wen)(wen)观测(ce)，射(she)电(dian)(dian)望(wang)远镜(jing)冲破了(le)(le)(le)银河(he)(he)系内星(xing)云尘埃等设(she)置的(de)(de)光(guang)学屏(ping)障，把目光(guang)射(she)向(xiang)了(le)(le)(le)河(he)(he)外(wai)星(xing)系。天(tian)文(wen)(wen)学进入(ru)了(le)(le)(le)全波时代(dai)。
天体物(wu)理(li)学(xue)(xue)在20世纪发展成(cheng)(cheng)了(le)(le)天文学(xue)(xue)的主流，它最引人注(zhu)目的成(cheng)(cheng)就是(shi)(shi)诞生了(le)(le)将(jiang)整(zheng)个宇(yu)宙作为自己的研究对(dui)象的现代宇(yu)宙学(xue)(xue)。以爱因(yin)斯(si)坦(tan)的相对(dui)论(lun)为理(li)论(lun)基础，以大(da)尺度(du)的天文观测特别(bie)是(shi)(shi)河外星系的普遍(bian)红移(yi)和(he)宇(yu)宙背景辐射为事实依据，宇(yu)宙学(xue)(xue)展示了(le)(le)宇(yu)宙整(zheng)体的物(wu)理(li)特征。
1河外星系的观测与红移的发现
在浩瀚的(de)(de)(de)太空中，除了有无(wu)数发光的(de)(de)(de)星(xing)(xing)(xing)(xing)星(xing)(xing)(xing)(xing)外，还有弥散状的(de)(de)(de)星(xing)(xing)(xing)(xing)云(yun)。关于(yu)星(xing)(xing)(xing)(xing)云(yun)的(de)(de)(de)本(ben)质(zhi)长时期存在争论，一种(zhong)观点认为(wei)(wei)星(xing)(xing)(xing)(xing)云(yun)是银河(he)系内的(de)(de)(de)星(xing)(xing)(xing)(xing)际物质(zhi)，另一种(zhong)观点则认为(wei)(wei)，星(xing)(xing)(xing)(xing)云(yun)实际上是像(xiang)银河(he)系一样(yang)巨大的(de)(de)(de)恒星(xing)(xing)(xing)(xing)集团，只(zhi)是因(yin)为(wei)(wei)太远而看起来(lai)像(xiang)“云(yun)”，由(you)于(yu)观测(ce)手段的(de)(de)(de)限(xian)制，这两种(zhong)观点孰(shu)是孰(shu)非(fei)无(wu)法(fa)得到最后(hou)的(de)(de)(de)判明。
到了(le)(le)20世(shi)纪，观测(ce)手(shou)段有了(le)(le)较大(da)的发(fa)展，美国在(zai)威尔逊山上建造了(le)(le)当(dang)时世(shi)界上最大(da)的25米口径的反射(she)望远镜(jing)，确定空间距离(li)的天(tian)体物理方法也发(fa)展了(le)(le)起来。人们可以对(dui)星(xing)云(yun)的本(ben)质有所说明了(le)(le)。
宇宙空间的(de)(de)(de)尺(chi)度是太(tai)大了，不同的(de)(de)(de)尺(chi)度范围(wei)要采用不同的(de)(de)(de)方法(fa)(fa)，因为(wei)在(zai)某(mou)个范围(wei)有效的(de)(de)(de)方法(fa)(fa)进一步扩展就(jiu)(jiu)失效了。对(dui)于较邻(lin)(lin)近的(de)(de)(de)天体(ti)，可(ke)以(yi)用三角(jiao)法(fa)(fa)测距(ju)(ju)。三角(jiao)法(fa)(fa)也就(jiu)(jiu)是传统的(de)(de)(de)视差法(fa)(fa)，距(ju)(ju)离(li)(li)太(tai)阳最近的(de)(de)(de)比邻(lin)(lin)星(即半(ban)人(ren)马(ma)座α星，我国古代(dai)称(cheng)之为(wei)南门二(er))就(jiu)(jiu)是通过视差法(fa)(fa)测出的(de)(de)(de)，距(ju)(ju)离(li)(li)为(wei)43光年。使用三角(jiao)法(fa)(fa)已经测定了500光年的(de)(de)(de)空间距(ju)(ju)离(li)(li)，但更大的(de)(de)(de)距(ju)(ju)离(li)(li)三角(jiao)法(fa)(fa)就(jiu)(jiu)无能为(wei)力了。
更(geng)大的(de)(de)(de)距离(li)往往采用光(guang)(guang)(guang)度方(fang)法(fa)确(que)定(ding)，我们知道(dao)，恒(heng)星(xing)的(de)(de)(de)视亮(liang)度、距离(li)与本身的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)度三(san)者之间(jian)存(cun)在某种确(que)定(ding)的(de)(de)(de)关系(xi)，视亮(liang)度是可(ke)(ke)以在地球上测(ce)定(ding)的(de)(de)(de)，因(yin)此只(zhi)要知道(dao)了(le)某恒(heng)星(xing)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)度就(jiu)可(ke)(ke)以知道(dao)它的(de)(de)(de)距离(li)。天体物理学已经得知，从光(guang)(guang)(guang)谱分布可(ke)(ke)以相对地确(que)定(ding)恒(heng)星(xing)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)度。因(yin)此，光(guang)(guang)(guang)度方(fang)法(fa)可(ke)(ke)以用来大致地确(que)定(ding)更(geng)远的(de)(de)(de)空(kong)间(jian)距离(li)。使(shi)用主序(xu)星(xing)作为标(biao)准，天文学家测(ce)出了(le)10万光(guang)(guang)(guang)年(nian)的(de)(de)(de)空(kong)间(jian)距离(li)，大致搞(gao)清楚了(le)银河系(xi)的(de)(de)(de)空(kong)间(jian)结构。
超(chao)出10万光年之外(wai)，主序(xu)星的光度就显得(de)太小而不为(wei)(wei)我们(men)所见(jian)，天(tian)文学家(jia)又找(zhao)到了造(zao)父变星作为(wei)(wei)标(biao)准，利用这(zhei)个(ge)新的光度标(biao)准，可以确定星云(yun)的本质(zhi)了。
1924年(nian)，美国天文学家(jia)哈(ha)勃(bo)(1889—1953)利用威尔逊山的(de)大(da)望远镜观(guan)察(cha)仙女座大(da)星云(yun)(yun)，第(di)一次发现它实(shi)际(ji)上由许多恒星组成，而且(qie)其中有造父变星，这(zhei)样就可以(yi)运用光度(du)方法来确(que)定(ding)它的(de)距(ju)(ju)离了(le)。计算的(de)结(jie)果是(shi)，仙女座星云(yun)(yun)位于70万光年(nian)之(zhi)外，远远超(chao)出了(le)银河系(xi)的(de)范围，这(zhei)就最终证明了(le)某些星云(yun)(yun)确(que)实(shi)是(shi)遥(yao)远的(de)星系(xi)。哈(ha)勃(bo)一鼓作气，此(ci)后(hou)十年(nian)致力于观(guan)测河外星云(yun)(yun)，并找到(dao)了(le)测定(ding)更远距(ju)(ju)离的(de)新的(de)光度(du)标准，将(jiang)人类(lei)的(de)视野扩展(zhan)到(dao)了(le)5亿光年(nian)的(de)范围。
与此(ci)同时，美国另一位天文(wen)学家斯莱弗(1875—1969)正致力于恒星(xing)(xing)(xing)光谱(pu)的(de)(de)研究。从(cong)1912年开始，他(ta)将视(shi)线(xian)对准了(le)河外(wai)星(xing)(xing)(xing)云，发现(xian)(xian)它们的(de)(de)光谱(pu)线(xian)普(pu)(pu)遍存在(zai)着向(xiang)红端移(yi)动的(de)(de)现(xian)(xian)象。随着观测的(de)(de)进展，积累(lei)的(de)(de)数据越来越多，除个别(bie)例(li)外(wai)，几乎所有(you)的(de)(de)河外(wai)星(xing)(xing)(xing)系(此(ci)时哈勃已经表(biao)明这(zhei)些星(xing)(xing)(xing)云确实是(shi)河外(wai)星(xing)(xing)(xing)系)的(de)(de)光谱(pu)都有(you)红移(yi)现(xian)(xian)象。如果按照多普(pu)(pu)勒效应解释，这(zhei)就意(yi)味着这(zhei)些星(xing)(xing)(xing)系都在(zai)远离地球而(er)去，而(er)且退移(yi)的(de)(de)速度(du)相(xiang)当(dang)大，比如室(shi)女(nv)座星(xing)(xing)(xing)云的(de)(de)速度(du)达到了(le)每秒1000公(gong)里，这(zhei)样大的(de)(de)速度(du)是(shi)令人称奇的(de)(de)。
1929年，哈勃考察了斯莱弗的工作，并结合自己对河外星系距离的测定，提出了著名的哈勃定律：星系的红移量与它们离地球的距离成正比。这一定律被随后的进一步观测所证实。哈勃定律指出了河外星系的系统性红移，反映了整个宇宙的整体特征，特别是当红移作多普勒效应解释时，哈勃定律就展示了一幅宇宙整体退移也就是整体膨胀的图景：从宇宙中任何一点看，观察者四周的天体均在四处逃散，这就像是一个正在胀大的气球，气球上的每两点之间的距离均在变大。
