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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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巴德在出席于1952年罗马召开的国际天文学联合会会议上正式宣布,宇宙的年龄是以前认为的两倍。会议室里那些支持大爆炸模型的同行一眼就看出了这个新的测量值支持他们所信仰的创生时刻——或至少是去除了绊脚石。要不怎么说历史常有巧合呢,当时这个专题讨论会的会议记录正是大爆炸模型的激烈的批评者——弗雷德·霍伊尔。他尽职尽责地记录下会议结果,但他对永恒宇宙的根深蒂固的信念迫使他选择了这样一种遣词造句的方式,就是小心翼翼地避免引向大爆炸模型或物质创生模型。他写道:“哈勃的宇宙特征时间尺度现在必须从大约18亿年提高到大约36亿年。”
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唯一对这个结果感到比霍伊尔更加失望的人是埃德温·哈勃。不论大爆炸模型正确与否,他都不会有一丝一毫的挫败感,因为他从来不会让宇宙学问题来打扰自己。哈勃只关心他的测量结果的准确性,而不是对它的解释并根据它们来确立理论的正确性。因此在这一刻,他彻底绝望了,因为巴德发现了他的距离测量中存在重大缺陷。
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当哈勃认真考虑了巴德的新的测量结果的意义后,他感到一阵彻痛的辛酸。尽管他荣获了许多国家奖和国际奖项,但他始终感到遗憾的是,他从来没有被授予诺贝尔奖,这一直是他的终极目标。现在,巴德指出了他的工作中的一个错误,这似乎让荣获诺贝尔奖变得更加遥不可及。
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事实上,诺贝尔物理学奖评审委员会毫不怀疑哈勃是他那个时代最伟大的天文学家。在他们眼中,巴德的研究几乎没有玷污这位伟人的声誉。毕竟,哈勃通过证明存在河外星系解决了1923年的大辩论问题,他还在1929年用他的星系红移定律奠定了大爆炸与稳恒态模型争论的基础。诺贝尔基金会忽略他的唯一原因是他们从未认为天文学是物理学的一部分。哈勃吃亏是吃在了专业方向上。
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哈勃曾满足于媒体和公众对他的赞美。他们尊他为宇宙英雄,他们适时地赞颂了他的成就。正如一位记者所说的那样:“正如哥伦布航行3000英里,发现一个大陆和一些岛屿一样,哈勃在无限的空间中漂泊,发现了数百个巨大的新世界、星岛、次大陆和星座,这些星座可不是仅仅在数千里之外,而是在百万亿英里之外。”
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1953年9月28日,哈勃死于脑血栓。可叹的是,他完全不知道,诺贝尔物理学奖评审委员会已秘密决定修改他们的规则,授予他诺贝尔奖来认可他的成就。事实上,该委员会正准备公布对他的提名时,哈勃去世了。
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诺贝尔奖不能追授,而且协议规定该委员会的讨论内容不得外漏。要不是因为有两名委员——恩里科·费米和苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡——决定与哈勃的遗孀格蕾丝·哈勃联系告知此事,哈勃被提名的事儿将一直是个秘密。他们急于让格蕾丝知道,她丈夫对理解宇宙所做出的无与伦比的贡献没有被忽视。
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越暗,越远,越古老
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通过挑战并纠正公认的仙女座星系的距离,沃尔特·巴德一直提醒他的同事们,过去的测量结果应当受到质疑和审查,如果发现不足就应丢弃。这是一个健康的科学氛围的基本要素。只有当测量结果经过检查、反复检查、再三检查、交叉检验,它才可以赢得“事实”的称号。即便如此,偶尔的推翻性质的重新评估永远不会是有害的。
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怀疑和批评的传统甚至也被用到巴德的距离测量上。事实上,正是巴德自己的学生,阿伦·桑德奇,修正了他导师的测量结果,从而再次增加了宇宙的年龄。
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桑德奇像他的若干同事一样,第一次透过望远镜的目镜张望星空就迷上了天文学。他从没忘记童年时“一场大爆炸出现在我的大脑里”的那一刻。他考取了威尔逊山天文台的博士生,师从巴德,后者要求他对他所观察到的最遥远的星系拍出新的图像。巴德只是想让桑德奇来检查他的距离估计是否正确。
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天文学家不能用造父变星的尺子去测量到最远的星系的距离,因为在那么远的距离上已无法检测到造父变星。相反,他们必须采用一种完全不同的测量技术,它依赖于这样一个合理的假设:仙女座星系中最亮的恒星本质上与任何其他星系里最亮的恒星一样亮。因此,如果遥远星系的最亮的恒星的视亮度只有仙女座星系中最亮的星的1/100(1/102),那么该星系的距离被认为是仙女座星系的10倍,因为亮度与距离的平方成反比。
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尽管恒星的亮度差别很大,但用这种方法来测量距离不是没有道理。例如人的身高差异也很大,但随机选取50个成年人组成一个样本,我们可以合理地假设其中最高的人的高度大致为190厘米。因此,如果将这样的两个组分开适当的距离,我们看到一个组里最高者的高度是另一个组最高者的三分之一,那么我们可以合理地猜测,前一组的距离是后一组的3倍远。这是因为两个组里最高的人的高度应大致相等,而表观高度与距离成反比。这种方法不尽完美,因为一个组拉来的人可能正要去参加篮球赛,而另一个组的人原本可能是要去参加赛马。但在大多数情况下,这种距离估计的误差应在百分之几以内。
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