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时标困难
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大爆炸的支持者所面临的最紧迫的问题是表4中的第六项判据——宇宙年龄。打叉突显出大爆炸模型的荒谬:宇宙要比它所含的恒星年轻。这就像一位母亲比女儿年轻一样荒谬——恒星肯定不能比宇宙本身更年长吗?第3章描述了哈勃是如何测量到星系的距离以及它们的视速度的。随后大爆炸宇宙学家将这个距离除以速度推断出,大约在18亿年前宇宙的总质量集中于创生的一个点上。但对岩石的放射性测量表明,地球至少有30亿岁,于是逻辑上形成这样一个局面:恒星更古老。
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甚至支持大爆炸学说的爱因斯坦也承认,这一问题可能会推翻模型,除非有人能找到断然的证据:“宇宙的年龄……肯定大于由矿物质的放射性得出的地球地壳的年龄。由于通过这些矿物质确定的年龄从各方面看都是可靠的,因此如果发现存在违背这一结果的矛盾,那么[大爆炸模型]将被推翻。对此我看不出有什么合理的解决办法。”
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这种年龄差异被称为时标困难,一个并未真实反映出它所引起的大爆炸模型的巨大尴尬的术语。解决年龄悖论的唯一途径是发现对远处星系距离的测量或是对其速度的测量上存在错误。例如,如果远处星系的距离比哈勃估计的大,那么到达那个星系所需的时间就要比按目前距离估计的时间长,这将意味着宇宙的年龄比现在估计的要大。或者,如果星系退行的速度比哈勃估计的要慢,那么就需要更长的时间才能到达该星系,这同样意味着一个更古老的宇宙。然而哈勃作为世界上最受尊敬的观测天文学家,向以精确和勤奋闻名,所以没有人真正怀疑他的观测的准确性。何况他的测量结果已得到其他人的独立检核。
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当美国加入二战后,天文观测和主要观测站的活动在很大程度上陷于停顿。随着天文学家献身祖国,试图解决大爆炸与稳恒态模型之间争论的任何计划均被推迟。甚至连哈勃,当时已年届五十,也离开了威尔逊山,受命领导马里兰州的阿伯丁弹道试验场,成为华盛顿特区以外的最高文职官员。
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留在威尔逊山的唯一高级人员是沃尔特·巴德,一位在1931年就加入了天文台工作人员队伍的德国流亡者。尽管已在美国生活工作了10年,但他仍然受到怀疑,被禁止参加任何军事研究项目。从巴德的角度来看,境况并不算太坏,因为他现在成了久负盛名的100英寸胡克望远镜的唯一使用者。此外,战时灯火管制消除了洛杉矶郊区恼人的光污染,将观测条件提高到1917年望远镜建成以来前所未有的水平。唯一的问题是,巴德的敌国侨民身份使得他被限于从日落到日出这段时间不得离开他的住所,这对一个天文学家来说很不好受。巴德向有关当局指出,他已经在办理申请入籍美国的手续,并最终让他们相信他不是一个安全隐患。经过短短的几个月,当局便取消了对他的宵禁,尽管他仍不能进行军事研究。巴德有了在理想的观测条件下自主使用世界上最好的望远镜的机会。他还设法配制出非常灵敏的底片,拍摄了无与伦比的清晰图像。
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巴德在研究被称为天琴RR型星的过程中度过了战争年代。天琴RR型星是一种类似于造父变星的变星。在哈佛天文台与亨丽埃塔·莱维特一起工作的威廉米娜·弗莱明曾表明,天琴RR型星的光变特性可以像造父变星一样用于距离测量。但到那时为止,她的这项技术仅限于在银河系内被采用,因为天琴RR型星的发光不像造父变星那么亮。不过,巴德的雄心是想用理想的观测条件去发现仙女座星系里的天琴RR型星。仙女座是离我们最近的大星系。这样,他就可以利用天琴RR型星的光变特性来测量仙女座的距离,并与之前基于造父变星测得的距离进行交叉检验。
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事实上,巴德很快就意识到,仙女座的天琴RR型星的距离超出了100英寸胡克望远镜所能够得着的范围。因此他只好用这架100英寸的仪器对银河系里的这些恒星进行观测,为日后采用200英寸的望远镜做准备,这架望远镜将很快在战后完成建造。他乐观地认为,新的巨型望远镜将使仙女座的天琴RR型星纳入视线范围。
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200英寸的望远镜——乔治·海耳的最大的天文学工程——建在威尔逊山东南方200千米外的帕洛玛山上。在它开始建设的两年后,海耳就于1938年去世了。因此海耳没有机会看到有史以来获得的最壮观的宇宙景象。当这架仪器最终完成后,它被命名为海尔望远镜。
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1948年6月3日,洛杉矶的各界名人出席了这架望远镜的落成典礼。面对坐落于1000吨旋转圆顶下的这架巨型仪器,宾客们惊叹不已。它的凹面镜抛光精度为1毫米的百万分之五十。当影片《赏金兵变》的主演巨星查尔斯·劳顿被问到海耳望远镜是否给人震撼时,他回答说:“极其震撼,我的天!简直可怕极了。他们打算用它做什么?开始与火星打仗吗?”
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到海耳望远镜完全就绪时,威尔逊山和帕洛玛山两大天文台的研究力量配备也已完全到位。尽管如此,巴德在寻找仙女座星系天琴RR型星方面还是要领先一步。这要归功于他在二战期间用100英寸望远镜打下的良好基础。他立刻将新的200英寸望远镜对准仙女座星系,搜寻其微弱的恒星亮度的快速变化,这是天琴RR型星的指征。
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经过一个月的细致测量,巴德没有发现他希望看到的天琴RR型星的任何迹象。他继续坚持,但用这架强大的海耳望远镜还是没找到任何预料中的迹象。他百思不得其解。他知道,是否能看到仙女座星系的天琴RR型星只取决于3个因素——恒星的亮度、200英寸望远镜的能力和星系的距离。他的计算表明,这些恒星应该绝对是可见的。为了确定是什么使得他未能发现天琴RR型星,他重新检查了决定观测成败的3个因素。从战时的研究中他确信天琴RR型星的亮度测得没错,而且他也确信自己十分了解望远镜的能力……那么唯一的原因莫非是仙女座的距离远远大于人们以前的预期?
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巴德确信,唯一合乎逻辑的和可能的解释就是仙女座星系的公认距离存在误判。最初他的同事们对此持怀疑态度,但当他能够严谨地指出以前对仙女座星系的测量是如何以及为什么存在失误后,他们相信巴德是对的。
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正如第3章解释的,最初对仙女座星系距离的测量一直用的都是造父变星,这已经成为测量星系距离的基本准则。亨丽埃塔·莱维特已表明,造父变星有一个有用的性质,就是两个亮度峰值之间的时间段是其固有光度的优越的指征,而后者可用于与其视亮度进行比较来确定它到地球的距离。哈勃曾第一个发现了银河系外的造父变星,从而测量了另一个星系(即仙女座星系)的距离。
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然而到了1940年,事情变得很明显,大多数恒星可以分为两大类型,称为星族。较老的恒星属于星族Ⅱ,在这些恒星瓦解之后,其碎片变成新的、年轻恒星(即星族Ⅰ)的成分。这些新星通常要比星族Ⅱ的恒星热,也更明亮,光谱更偏蓝。巴德认为造父变星也可以分为这两类,并认为这正是仙女座星系距离背后的矛盾所在。
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巴德认为仙女座更远的观点是基于简单的两步。首先,星族Ⅰ的造父变星要比有同样光变周期的星族Ⅱ的造父变星亮;其次,天文学家们往往只观测仙女座星系中较亮的星族Ⅰ的造父变星,但他们无意间用了银河系中较暗的星族Ⅱ的造父变星来建立仙女座星系的造父变星的距离尺度。
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哈勃不知道造父变星有两种类型,因此犯了这样一个错误:用本地较暗的星族Ⅱ的造父变星与仙女座星系的相对明亮的星族Ⅱ的造父变星作比较,结果他错误地估计了仙女座星系的距离,即他估计的距离要比实际距离近。
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为了直接解决这个问题,巴德着手根据两类造父变星来重新校准造父变星的标准尺度。通过这种方式,他可以正确估算出到仙女座星系的造父变星的距离,也就是到仙女座本身的距离。他指出,平均来看,星族Ⅰ造父变星的亮度是星族Ⅱ中具有相同光变周期的造父变星的4倍。简单来说就是,如果一颗恒星到观察者的距离远离到原先的两倍,那么它的光强将减弱为原先的四分之一。因此,仙女座星系必须挪远到原先的两倍距离上——大约为200万光年的距离——才能矫正这样一个事实:平均而言,仙女座星系中可见的星族Ⅰ的造父变星的亮度,是原先用来测定距离的星族Ⅱ的造父变星的亮度的4倍。现在,到仙女座星系的距离得到了纠正。因此毫不奇怪,在200万光年的距离上,天琴RR型星的亮度太微弱根本观察不到。
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如果说调整仙女座星系的距离是巴德这项工作的唯一结果的话,那么它在天文学史上就似乎不值得大书特书了。然而实际上,到仙女座的距离已被用于估计我们到其他星系的距离,所以仙女座距离的加倍意味着到所有其他星系的距离都要加倍。
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而且,估算给出的这些星系的退行速度保持不变,因为它们是从光谱的红移推算出来的,它们不受巴德的研究成果的影响。这对大爆炸模型有着巨大的积极影响。如果距离加倍,速度保持不变,那么从创生那一刻到所有星系当前距离的时间也必须加倍。换句话说,大爆炸模型下的宇宙年龄现在应当向上修正到36亿年,这个数字不再与地球的年龄相冲突。
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大爆炸模型的批评者指出,恒星和星系比地球年长,因此很可能超过36亿年,这意味着宇宙似乎仍含有比宇宙本身年龄更大的天体。这样的话,这些批评者声称,所谓时标困难仍然是一个问题。但是,大爆炸模型的支持者没有被这一完全合理的论点扰乱,因为巴德的研究已经表明,就测量星系的距离和宇宙的年龄而言,仍有很多东西需要学习。他发现了一个错误,就使宇宙的年龄翻番,因此很可能日后人们发现另一个错误,宇宙年龄会再次翻番。
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在修正大爆炸模型的重大缺陷问题上,巴德走过了很长的路才取得突破。这一突破的更重要的意义是强调了天文学中普遍存在的弱点——盲从的习惯。由于哈勃的声誉,天文学家很久以来一直毫不犹豫地接受了他公布的仙女座星系和其他星系的距离。不敢质疑和挑战这样的基本判断,即使这些判断是由著名权威刚做出的;这是不发达科学的主要特点之一。
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许多年后,受到仙女座星系距离判断失误这一案例的启发,加拿大天文学家唐纳德·弗尼尖锐地指出了科学上盲从这一不良品质的危害性:“对天文学家的群体本能的权威性的研究还有待进行,但有许多次,我们像羚羊一般聚在一起,低着头密集地排着队,以坚定的决心沿着特定方向如隆隆雷声滚过平原。只要领头的一声信号,我们便掉转头,以同样坚定的决心,向着一个完全不同的方向,仍然鱼贯有序地紧挨着前进。”
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