世紀大辯論

防走失,電梯直達安全島報人劉亞東A

來源:原理作者:不二北斗

從很久以前,以辯論的形式討論問題和觀點就一直很普遍,對試圖理解宇宙的本質和人類在其中的位置的科學家與哲學家來說也不例外。

到20世紀初,在哥白尼開普勒伽利略等天文學家先驅的革命性思想和觀測結果的幫助下,我們對宇宙的理解已經發生了翻天覆地的變化。隨着更新更大的望遠鏡的出現,我們對宇宙的認知也在一再被修正。而關於宇宙的性質和大小的爭論,在1920年達到了高潮。

○ 19世紀中期,天文學家在夜空中觀測到了許多”螺旋星雲“,他們對這些天體的本質存在着分歧。| 圖片來源:ESO/P.Grobol

在1920年4月26日這天,美國華盛頓特區的史密森尼國家自然歷史博物館內舉辦了一場偉大的科學辯論。當時,由於天文學家對觀測到的“螺旋星雲”的本質存在認知分歧,因而引發了一場關於螺旋星雲的本質以及宇宙大小的辯論。

辯論雙方分別是利克天文台的希伯·柯蒂斯(Heber Doust Curtis)和威爾遜山太陽天文台的哈羅·沙普利(Harlow Shapley)。總體而言,沙普利主張銀河系就是整個宇宙,並認為像仙女座星雲等螺旋星雲都是一些小的天體,只不過是銀河系內的一些氣體雲;而柯蒂斯認為,通過望遠鏡觀測到的那些螺旋星雲實際上是可以與銀河系相媲美的星系或島宇宙,他認為仙女座星雲中的新星比銀河系中還要多

這場歷史性的“大辯論”其實有別於現代意義上唇槍舌劍你來我往的“辯論”,兩位天文學家各自有40分鐘的陳述時間,彼此描述自己對當時宇宙的認知。接着每人有一次反駁對方言論的機會,然後就是現場聽眾的點評。雖然他們的焦點集中在螺旋星雲的性質和宇宙的大小上,但他們二人在多達14個問題上存在不同意見。

沙普利當時是一名年輕而有抱負的天文學家,主要研究球狀星團中的雙星系統的恆星性質。從當時被廣泛接受的觀測結果來看,球狀星團更集中在某半邊天空,因此沙普利猜測,這部分天空是銀河系的中心。他利用造父變星的周期光度變化,粗略地計算了這些天體的距離,並揭示了我們的太陽到銀河系中心的距離。

沙普利的研究結果將當時認為的宇宙大小從大約33000光年提高到了326000光年;並將太陽從當時的星系中心移到了65000光年之外的位置。然而,沙普利仍然認為,它所計算出的整片宇宙都包含在我們的銀河系中。

柯蒂斯則是一位公認的備受尊敬的天文學家。他在螺旋星雲方面具有較為權威的學術地位。他堅持傳統的觀點,認為銀河系的直徑只有32600光年左右,並且認為太陽所在的位置離銀河系中心非常近。另外,他主張所謂的螺旋星雲實際上就是星系。他指出銀河系中的新星比螺旋星雲中的要亮得多。他不相信造父變星是用於計算距離的可靠依據,並且對沙普利計算出的宇宙的新大小提出了異議。可以說,他對沙普利的所有新的距離結果都不表示不認同。

不過在這場大辯論的最後投票中,沙普利獲得了更多人的支持。

故事的轉折出現在1924年。天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)利用胡克望遠鏡對仙女座“星雲”進行拍攝,尋找着造父變星。經歷了不知多少個夜晚,他終於在1923年的十月,在當時認為的仙女座星雲中,找到了一顆閃爍的造父變星。

隨後,哈勃利用觀測到的造父變星的周期和光度間的關係,計算出了造父變星V1的距離。來自V1的星光讓一件事情變得清晰無比,那就是所謂的仙女座“星雲”的確在銀河系之外,它與我們的距離比沙普利所設想的要遠得多。

○ 圖中显示的是哈勃太空望遠鏡拍攝到的造父變星V1和哈勃在1923拍攝到的對比,時間相隔約90年。| 圖片來源:NASA/ESA/Hubble Heritage Team

這意味着,柯蒂斯是對的,銀河系絕不是整個宇宙,它只不過是浩瀚宇宙中眾多星系的一員。這顆位於仙女座星系的其中一個螺旋臂上的造父變星V1,也因此被稱之為“宇宙學史上最重要的一顆恆星”。

雖然柯蒂斯在宇宙大小的問題上被證明是正確的,但關於誰在真正意義上“贏得”了這場辯論,天文學家並無法達成一致觀點。因為在這場爭辯中,沙普利的觀點也不是全都錯誤,至少在認為我們銀河系比之前認為的要大這一點上,他是對的。此外,在沙普利的模型中,他認為太陽離銀河系中心很遠;但柯蒂斯則將太陽定位在星系中心附近。

在20世紀30年代,隨着天文學家羅伯特·特朗普勒(Robert Trumpler)明確證明了星際吸收的存在,並且隨着天文學家對球狀星團的距離和分佈的進一步了解,導致了人們普遍認為銀河系比之前預想的要大得多,同時也基本確定了太陽不像之前所認為的那樣處在銀河系中心附近。

相較於柯蒂斯而言,沙普利在銀河系的大小以及太陽位置的理解上更為正確;而柯蒂斯則在宇宙是由許多星系組成的,且螺旋狀星雲只是其中一個與我們的星系非常類似的星系方面作出了正確預測。另外,沙普利也指出,造父變星可以作為距離測量的一個指示器,這一觀點也是正確的,造父變星至今仍是我們測量遠處天體距離的基石。兩人都在同一個問題上犯了錯誤,那就是他們都認為星光的星際吸收對確定星系的大小並不重要。

○ 哈勃極深場:揭示了宇宙中成千上萬的星系,而這些星系只佔據天空非常非常微小的一部分。| 圖片來源:NASA & ESA

回頭看,這場被後世銘記的經典辯論對人類認識和理解宇宙產生了重大影響,它在我們對宇宙的大小、性質以及我們在其中位置的理解發展中發出了最理性、智慧的聲音與質疑。據天文學家目前預計,宇宙中的星係數量有2萬億個左右……我們或許永遠無法獲悉宇宙的全部秘密,但這絲毫不會動搖我們對探索宇宙時那義無反顧的前行步伐。

參考鏈接:

https://aas.org/posts/news/2017/04/month-astronomical-history-great-debate-nature-universe

http://www.nasonline.org/about-nas/history/archives/milestones-in-NAS-history/the-great-debate-of-1920.html

https://www.aps.org/publications/apsnews/200004/history.cfm