汪诘：科学有故事（主打） - 节目列表

因为宇宙在不断地膨胀，所以穿行在宇宙中的光的波长也会被不断地拉长，拉的越长，就会变得越红。因为我们已经知道了Ia型超新星爆发的精确物理过程，所以我们能算出这种超新星所发出的光的原始波长是多少，用这个原始波长与实际测得的波长一比较，我们就可以算出光波被拉长了百分之多少。你把宇宙想象成一块有弹性的布，光是穿在这张布上的丝线，那么丝线被拉长了百分之多少，就代表宇宙膨胀了百分之多少。换句话说，如果我们测得一颗超新星的光波被拉长了10%，那么现在的宇宙就要比这束光刚发出的时刻大10%。这种数据积累的越多，就越能精确地测算出宇宙膨胀的速率。在真实的观测中，两个团队采用的方法都是先用大视野的广角望远镜同时监测数以千计的星系，基本上每天晚上都能定位到几十颗Ia型超新星爆发，然后再换用更传统的望远镜仔细测定红移大小，这个工作其实做起来相当地枯燥，并且需要超高的耐心和细心。

美国有一位女天文学家叫鲁宾，在上世纪六七十年代，女性天文学家是很少的。这个鲁宾选择了在天文学研究上不是那么热门的星系转动曲线。在鲁宾做研究的那个年代，天文观测设备已经取得了长足的进步，因而观测的精度也大大的提高。鲁宾在研究银河系的转动时，和奥尔特一样，她产生了一个巨大的困惑。什么呢？就是我前面说的，银河系外侧的恒星绕银河系中心转动的速度比用理论推算出的数值大了太多。这一发现让鲁宾大惑不解，也激发了她深入研究的兴趣，这一研究就持续了十几年，她取得了大量详实的观测数据，又做了仔细的计算，她发现，如果要维持银河系目前的转动速度，又不让银河系分崩离析，银河系的总质量必须远远高于目前已经观测到的所有可见天体的质量。我还是怕有得读者看不太明白，我多解释一句。如果我们用沙子捏一个陀螺，把这个陀螺旋转起来，那么转速一块，沙陀螺肯定会被转散架，因为沙子与沙子之间的结合力不足以维持向心力。要让沙陀螺不散架，就得拿胶水和在沙子里面。如果把银河系想象成一个沙陀螺，那么万有引力就是胶水，这个胶水的强度决定了陀螺的转速最高能到多少。现在，我们已经观测到了银河系的转速，那么就能反算出总的引力大小，进而算出银河系的总质量。鲁宾确定无疑地发现，银河系的大部分质量“丢失”了。于是，1980年，她和同事发表了一篇论文，详细描述了他们的发现。这是天文学史上第一篇有关暗物质的重量级论文，影响很大。也是从那时候开始，天文学家们蜂拥而至，纷纷开始研究这部分丢失了的质量到底是什么东东，提出了一个又一个的假说，好不热闹。

1995年12月18日，这看上去是平凡的一天，一个来自美国的天文研究小组租用了哈勃望远镜，它们选择一个颇受争议的天区进行观测。大家要知道，全世界的天文学家都在争相排队租用哈勃的观测时间，每个人都认为自己要观测的那个位置是最重要的。可这次的观测区域却让许多人大跌眼镜，因为这次要观测的区域是一块“黑区”，并且还是全天中最黑的“黑区”。这是什么意思呢，顾名思义，就是天空中一块看似什么也没有的黑黑的区域。这次观测选择的是全天中最黑最黑的一个点，大小仅仅只有144弧秒，这相当于你站在100米开外看一个网球的大小，只占整个天区的2400万分之一。而且，观测时间一下子就租用了整整11天。全世界有很多的天文学家就吐槽NASA怎么能批准这样一次不靠谱的观测计划呢，他们中有很多人预言，11天看下来，那个黑点中啥也看不到，最后会成为一个笑柄，浪费哈勃宝贵的工作时间。 在一片质疑声中，哈勃太空望远镜把镜头聚焦到了那片位于大熊座的黑区上，从12月18日一直观测到了12月28日，这11天中哈勃绕着地球转了150圈，在4个不同的波段上整整曝光了342次。在宇宙中穿行了100多亿年的光子一颗一颗落在了哈勃极为灵敏的感光元件上，谁也没想到，这些光子组成的图像将让全世界的天文学家接受一次革命式的洗礼。

视界问题之所以会折磨原有的标准大爆炸模型，是因为空间的不同区域分离的太快，不足以建立起热平衡。暴胀理论则减慢了在宇宙最最初期时刻的膨胀速度，使宇宙大火球有足够的时间建立相同的温度。然后，在完成了这个热平衡后，宇宙经历了一次短暂的爆发性的膨胀，而且越来越快，以对早期的缓慢膨胀做出补偿，这就是暴胀这个词的由来。这个理论的核心内容是说，宇宙空间在迅速远离之前就已经建立了共同的温度。

哈勃定律的发现还让另外一个比利时的天文学家勒梅特兴奋不已，自信心爆棚。因为他在2年前就写了一篇论文支持弗里德曼的宇宙膨胀观点，但他的厉害之处在于他的数学证明更加缜密、详实。爱因斯坦在看了勒梅特的论文后，也酸酸地承认勒梅特的数学证明太漂亮了，实在无懈可击，但爱因斯坦当时却死不认错，不放弃自己的静态宇宙观，把勒梅特气个半死，他俩经常在学术会议上碰头的。 哈勃的发现让勒梅特大受鼓舞，他开始深入思考一个似乎是上帝才有资格思考的问题，那就是宇宙起源的问题。1931年，他写了一篇论文发表在《自然》杂志上，他用富有文学性的笔调写道：在几十亿年前，整个宇宙就是一个无限致密、无限炽热的原子，然后，空间在这个原始火球中诞生了，空间诞生后，时间也随之诞生，火球开始迅速膨胀，物质开始出现。当时有一个出名的美国天文学家叫霍伊尔，他在看到了勒梅特的理论后，相当的不以为然，有一次接受采访的时候，他调侃勒梅特的理论不就是“Big Bang”嘛，“嘭”的一下，宇宙诞生了，多滑稽啊。谁想到，吊诡的是，本来是带有点侮辱意味的这个词Big Bang，也就是大爆炸竟然不胫而走，成了宣传勒梅特理论最有力的武器，这是霍伊尔万万也没想到的。因为这样一个通俗而又形象的理论标签，使得宇宙大爆炸学说在普通公众中的知晓率迅速地提升。

时间推进到了1920年，这年春天，全美国以及世界上的一些最著名的天文学家齐聚在华盛顿，在美国科学院的大礼堂中，将召开一次规模盛大的辩论会。辩题有两个：1、银河系到底有多大？2、漩涡星云到底是什么？辩论的双方一位是沙普利，另一位是美国著名天文学家柯蒂斯。两边的观点针锋相对，沙普利认为银河系的直径达到30万光年，仙女座那片星云是银河系一种星云状天体。而科蒂斯的观点则是银河系的直径只有4万光年，仙女座星云距离我们至少50万光年，是银河系之外的另一个星系。双方的辩论非常激烈，都引证了大量的观测数据加以佐证，谁也说服不了谁。在场的天文学家也分成了两个不同的阵营，彼此争吵不休，在热闹的礼堂一角，有一个人静静地坐着，最里面叼着一个标志性的大烟斗。他没有参与到这场辩论中，他只是静静地听着，嘴角泛起一丝冷笑。3年后，这个人将为这场辩论做一个终极了断。

今天的人类已经知道了银河系是一个巨大的旋涡星系，从正面看，它是这样的（如图），当然，任何银河系的正面图像都是画出来的，不是实拍的，因为我们就身处于这个巨大的漩涡中，不可能拍到银河系的正面全身照。我们只能拍摄到银河系的侧面照。 但是，人类得到这样的一副银河系的正确图像并不是一帆风顺的，中间走过弯路，也引起过大争论。

每当到了夏末秋初之际，壮观美丽的银河就会出现在我们头顶的星空，很多人可能长这么大从来没有看到过，因为现在城市里面光污染都很严重，晚上的天空黑不下来，肉眼根本无法看到银河，这是一件相当遗憾的事情。 可是在古时候，夜空中最壮观的天象便是这横亘在天空中，犹如一条大河般的银河了。因此，对于银河，自古就有许多种传说。中国人认为银河就是天上的一条大河，阻隔了牛郎和织女的相会。在罗马神话中，银河是天神朱比特的老婆朱诺的奶水飙射出来，洒了一路形成的，所以在英语里银河是 milk way，传说当然是不靠谱的。

测定日地距离的方法，最容易想到的莫过于三角测量法了，也就是测量太阳的视差。比如，在南半球和北半球两个相距很遥远的天文台同时观测太阳，把太阳在天空中的位置精确地测出来，再根据两座天文台的相隔距离计算出日地距离，但这个方法是一个典型的知易行难的问题，讲讲原理简单的不得了，可是，限制条件太多。远隔万里的两天文台要协作，哪有那么容易，并且太阳在望远镜中的视面积很大，测量精确位置本就不易。（一个点的坐标好测，一个圆的坐标反而不好测了）。所以，用这个方法测量日地距离从来就没有真正的成功过。看来，要想把天文学第一问题攻破得换个思路，想出点新的招数来。

从亚里士多德直到托勒密的将近 2000年中，人们认为恒星不但是位置固定不动，而且他们的数量也是恒定不变的，都一个萝卜一个坑地嵌在恒星圈层上，所有的人都对此深信不疑。但是这个观念，在 1572年开始发生了改变，那年发生的一个奇特天象使得欧洲的天文学界开始意识到恒星未必就真是一成不变的。

在以哥白尼、开普勒、伽利略为首的天文学家的努力下，人类对宇宙的认识终于向着正确的方向迈进了一大步，到了17世纪中叶的时候，大多数知识分子的头脑中都已经建立了这样的一副宇宙图像：太阳位于宇宙的中心，地球连同其他五颗行星，在椭圆形的轨道上围绕着太阳转，行星按照距离太阳由近到远依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星，在土星之外极为遥远的地方，还有一个恒星层，所有的恒星都位于这个恒星层中，恒星与太阳的相对位置固定不变。这样的一幅宇宙图像被广大知识分子们所接受，支持这幅图像的证据也越来越充分。然而，2000多年来，却始终有一个基本的不能再基本的问题困扰着人们，这个问题在亚里士多德时代就不断地被平民老百姓们（也包括很多学者）问及。那就是：如果地球是一个球体，为什么“下面”的人不掉下去呢？

公元1609年，在天文发现史上具有非凡意义，在欧洲两处相距352公里的城市中几乎同时发生了两件意义深远的事情。第一件事情就是我们上章提到的，在奥地利的林茨，38岁的开普勒出版了《新天文学》一书，正式向世人宣布了行星运动第一和第二定律。第二件事情发生在意大利的威尼斯，45岁的伽利略走进了一家眼镜铺子。没错，就是这件事情对于天文学的发展意义深远。