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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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如果用这种方法来评估人的平均身高或恒星的平均亮度,将更加准确。但天文学家们研究的天体是如此遥远,他们不得不将这种方法应用到每个星系的最亮的恒星上,这是他们能够看到的对象。自1940年以来,天文学家一直就用这一技术来测量遥远星系的距离,并自信这么做基本上是可靠的,尽管他们有思想准备,所测的距离可能需要进行调整。这就是为什么巴德要求桑德奇来检查他的估计值。事实上,桑德奇发现,最亮恒星方法有一个根本性的缺陷。
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由于照相术的改进,桑德奇可以看出,以前一直被认定为遥远星系中最亮的恒星其实是聚在一起的别的东西。宇宙中大部分的氢已聚合成熟悉的致密星,但也有相当数量的氢是以巨大的云团的形式存在的,它们称为HⅡ区。HⅡ区吸收周围恒星的光,并被这些光加热到超过10000℃。由于它的温度和大小,一个HⅡ区的光度可以盖过几乎所有的恒星。
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在桑德奇之前,天文学家一直无意识地错将仙女座星系中可见的最亮恒星与更遥远的、新发现的星系里最亮的HⅡ区做比较。以为HⅡ区是恒星。天文学家认为这些新星系比较接近,因为它们的最亮“恒星”看起来相对较亮。当桑德奇得到了分辨率高到足以将这些HⅡ区与真正的恒星区分开来的图像后,他的结论是,遥远星系中最亮的恒星实际上要比误解的HⅡ区暗很多,因此这些星系必定比以前估计的远得多。
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根据大爆炸模型,这些遥远星系的距离对于估算宇宙的年龄绝对关键。1952年,巴德将星系的距离翻了一番,同时也将宇宙的年龄翻了一番,达到36亿年。两年后,桑德奇将星系推得更远,宇宙的年龄也被增加到55亿年。
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尽管有了这些增加,测量值还是低估了。在整个20世纪50年代,桑德奇一直在从事他的星系距离测量工作。不论是星系距离还是由此导致的宇宙年龄一直在持续拉长。事实上,桑德奇将成为测量星系距离和宇宙年龄的主要人物,并且很大程度上正是由于他的观察,在100亿岁到200亿岁之间的宇宙最终变得清晰。这个宽广的范围与宇宙中其他对象肯定是相容的。稳恒态理论不再嘲笑大爆炸理论说它解释不了为什么宇宙会比它所包含的恒星年轻了。
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宇宙炼金术
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尽管时标困难现在算解决了,但大爆炸模型还有来自其他问题的困扰。最重要的是有关核合成,特别是重元素形成的问题。乔治·伽莫夫曾夸口:“这些元素冷却的时间比做一盘烧鸭加烤土豆所花的时间还要短。”总之,他认为所有各种原子核都是在大爆炸后的1小时内产生的。然而,尽管伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼尽了最大努力,但除了最轻的原子,如氢和氦,其他元素的原子的形成机制一直无法找到,即使在大爆炸后存在一个炽热期。如果重元素不是在大爆炸之后瞬间产生,那么问题很清楚:它们是何时何地被创造出来的?
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(最后一排左起)F.霍伊尔、H.C.范德胡斯特、A.R.桑德奇、J.A.惠勒、H.赞斯特拉、L.勒杜
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(中间一排左起)O.S.克莱恩、W.W.摩根、B.V.库卡尔金、M.菲尔兹、W.巴德、H.邦迪、T.戈尔德、L.罗森菲尔德、A.C.B.洛弗尔、J.热厄尼奥
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(中间一排前站着的两人)V.A.安巴尔楚米扬、E.沙兹曼
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