导 读

卞毓麟
（中国科学院北京天文台教授）

20世纪80年代至90年代中期， 笔者曾在一些国际学术会议上不止一次地见到， 某位名家的报告正渐入佳境， 演讲人却忽然停了下来， 转而笑问一位花甲古稀之年的听者，“Right,Allan?”

回答是一个响亮的“Yes” 或“No”。

这位阿伦·R.桑德奇(Allan R.Sandage)出生于1926年，是埃德温·哈勃的嫡传弟子,35 岁前后已成为国际上星系和宇宙学领域的一名领军人物。哈勃在一生的最后岁月与他谈论了许许多多话题， 从艺术、哲学到音乐、文学和宗教。桑德奇因此而深感自己知识之不足， 便把小说、录音、唱片， 以及人文学科的名著再加到已经难以实现的日程表里。然后， 1953 年,64岁的哈勃突然去世， 桑德奇继承了他的衣钵。“假如你是但丁的助手而但丁死了”， 桑德奇曾向一名采访者悲叹，“你据有《神曲》的全部， 那么你会做什么？ 你真的会做什么？”

桑德奇对哈勃的钦敬之情传遍了整个国际天文学界。哈勃的成就足以赢得诺贝尔奖。早在1930年代，年轻的霍伊尔(F.Hoyle)——日后提出“稳恒态宇宙论”的那位英国天文奇才， 就告诉哈勃夫妇， 英国人都知道诺贝尔奖委员会曾讨论修改其章程——它原本是不包含天文学条款的—— 在法律上是否可行，因此该奖有可能授予哈勃。无线电报的发明者马可尼(G.M.Marconi)也从密立根处获得了大致相同的消息。

20世纪50年代， 哈勃夫人格雷斯·哈勃(Grace Bukre Hubble)听说， 诺贝尔奖委员会的两名委员费米和钱德拉塞卡， 已与他们的同事一致投票推选哈勃为物理学奖得主。后来， 天文学家G.伯比奇(G.Burbidge)和M.伯比奇(M.Burbidge)夫妇从钱德拉塞卡处证实了这一传闻。但是， 诺贝尔奖不授予亡者，死神在关键时刻否决了哈勃应得的荣耀。

哈勃去世后， 他的好友、作家赫胥黎(A.Huxley)写道： “爱是永存的——因为正是它‘使太阳和其他星辰运行’， 对此类重要事物， 埃德温比但丁知道得更清楚。”

“爱使太阳和其他星辰运行” ， 是但丁《神曲》的最后一句。我相信， 哈勃吹响的向星系世界进军的冲锋号， 威力绝不亚于一部新的“神曲”。作为“星系天文学之父”和观测宇宙学的奠基人，哈勃最主要的成就有三项：

(1)一锤定音地解决了旋涡星云的本质问题；

(2)建立了沿用至今的哈勃星系形态序列；

(3)发现“哈勃定律” ， 支持了宇宙正在膨胀的观念。

哈勃从未采纳今天通用的“星系”(galaxy) 一词， 他始终称它们为“星云”(nebula)。为此， 拙文只好随语境相机措辞， 敬请读者细察。

旋涡星云的本质

早在天文望远镜发明之前很久， 人们就发现仙女座中有一颗“星”，宛若一小块暗弱的云雾状光斑。它就是著名的“仙女座大星云”。用天文望远镜可以看见许多与仙女座大星云相仿的云雾状天体。天文学家直到19 世纪后期才逐渐查明， 这些“星云”可以分为两大类， 一类由气体和尘埃构成; 另一类往往具有旋涡状的结构， 故称“旋涡星云”。旋涡星云的光谱与普通的恒星光谱十分相似， 可是即便使用相当大的望远镜， 也不能在这些星云中分辨出单个恒星。它们的本质究竟是什么？ 天文学家对此始终争论不休。

1920年4月26日， 美国国家科学院就此举行了一场举世闻名的大辩论， 对垒双方是两位名家： 48岁的柯蒂斯和35岁的沙普利。后者认为旋涡星云位于银河系内， 是真正的星云状天体。前者则认为它们位于银河系外， 是与银河系相似的庞大的恒星集团。辩论双方先后展示了有利于自己的天文观测证据， 但都不能说服对方。

彻底揭开旋涡星云之谜的正是哈勃。1889年11月20日，哈勃出生于美国密苏里州马什菲尔德市，在芝加哥上中学， 中学毕业后就读于芝加哥大学。1910年， 哈勃在该校天文系毕业，获理学士学位。同年前往英国牛津大学女王学院， 主攻法学，于1912年获文学士学位。1913 年哈勃回到美国， 在印第安纳州新奥尔巴尼中学教书。1914年， 他前往芝加哥大学叶凯士天文台， 做著名天文学家弗罗斯特的研究生， 1917年获博士学位， 学位论文的题目是“暗星云的照相研究”。

当时， 威尔逊山天文台台长助理亚当斯注意到哈勃的天文观测才能， 便建议他来威尔逊山天文台工作。但是， 第一次世界大战正酣， 哈勃应征入伍。不久，晋升至少校军衔，并一度随美军赴法国服役。战后他随美国占领军留驻德国， 直至1919年10月返回美国， 随即赴威尔逊山天文台工作。

当时， 适逢该台那架称雄世界的2.54米反射望远镜落成不久。该镜强大的聚光能力和很高的分辨本领， 为哈勃做出一系列历史性的发现提供了非常有利的条件。哈勃用这架望远镜拍摄了一批旋涡星云的照片，并破天荒地在这些星云的外围区域证认出许多“造父变星”。这类变星的亮度总是周而复始地变化着： 增亮，变暗， 再增亮， 再变暗……一颗造父变星亮度变化的周期越长， 它的实际发光能力就越强， 这就是著名的“造父变星周光关系”。利用这一关系， 天文学家不难由一颗造父变星的视亮度推算出它的实际距离， 进而得知它所在的星云究竟位于银河系以内还是以外。 哈勃正是利用了造父变星的这种特征，彻底揭开了旋涡星云本质之谜。

1924年12月30日至1925年元旦， 在美国天文学会和美国科学促进会召开的一次会议上， 宣布哈勃发现了仙女座大星云（又名M31) 和三角座旋涡星云（又名M33) 中的一批造父变星，并据此推算出这两个星云与我们的距离均约为90万光年^[2]。当时已知银河系的直径仅约10万光年^[3]， 因此M31和M33都远远处于银河系以外！“河外星云”一词， 指明了这些星云位于银河系外。后来， 这一术语改称为“河外星系” ， 通常称为“星系”。

哈勃本人并未与会， 但他分享了美国科学促进会为这次会议设立的最佳论文奖。他的论文一经宣读， 人们当即明白， 关于旋涡星云本质的争论业已告终。它们实际上都远在银河系之外， 都是极其庞大的恒星集团， 与银河系非常相似。

把宇宙看作一个整体， 来研究它的结构、运动、起源和演化的学科叫做宇宙学。先前， 宇宙学主要是理论家们的天地。现在，哈勃开辟了一条全新的探究途径， 即日后所称的“观测宇宙学”。观测家们从此可以沿两条路线继续前进： 一是研究单个星系的组成与结构， 一是研究大量星系在空间的分布与运动。在这两方面， 哈勃都是一位他人难以望其项背的先驱者。

星云世界的秩序

宇宙中如此众多的星云， 犹如生命世界中众多的物种。 为了研究它们， 首先就应进行分类。1908年， 德国天文学家沃尔夫(M.F.J.C.Wolf) 提出一种纯描述性的星云分类体系， 但是他定的那些类型之间缺乏变化过渡的连续性， 因此必须修订。

1922年， 哈勃提出星云可分为“银河星云” 和“非银河星云”两大类， 它们又各分为若干次类。1925年，国际天文学联合会在英国剑桥召开会议，哈勃没有参会，但是此前不久，他向星云和星团专业委员会提交了新的河外星云形态分类法， 翌年就以“河外星云” 为题在《天体物理学报》上正式发表。他发现，多数河外星云都有一个占主导地位的核心， 整个星云则对它表现出某种旋转对称性， 不具备这两项特征的星云仅占极少数。哈勃分别称它们为“规则星云” 和“不规则星云”。规则星云又有两类， 即“椭圆状的” 和“旋涡状的”， 每一类各有一个有规律的形态序列。“椭圆”序列之末与“旋涡”序列之首形态相近， 几可衔接。而旋涡星云本身又分成两个平行的子序列， 哈勃分别称它们为“正常旋涡星云”和“棒旋星云”。这种分类法是经验性的，不依赖于涉及星云物理过程与演化的任何理论假设。

哈勃于1936年出版的《星云世界》一书，在第2章中首次给出星云形态序列图， 即著名的“音叉图”（参见本书图1)：“椭圆星云形成叉柄， 球形的E0处于底端， 透镜形的E7则刚好在柄与叉臂交接处的下方。正常旋涡星云和棒旋星云沿两条叉臂展开。”

哈勃还说： “柄与臂的交接处或许可用一种多少带有假设性的类型S0来表示， 它在所有的星云演化理论中都是一个非常重要的阶段。”后来， 人们确实发现了许多S0型星系， 并称它们为“透镜状星系”。哈勃称E7为透镜形星云的时代成了历史，但他的形态序列却广泛地沿用至今。如今， 它的正规名称是“哈勃星系形态序列”或“星系形态的哈勃序列”。该序列表明，众多的星系乃是同一家族中互有联系的成员。它在貌似纷乱庞杂的星系世界中引入了秩序， 为人们进入这个神秘领域提供了一幅总体导游图。

同时， 哈勃还探索了河外星系的组成成分和亮度分布规律， 并在一些较近的星系中发现了已知存在于银河系中的几乎所有类型的高光度天体： 新星、球状星团、蓝超巨星、气体星云等， 从而为星系天体物理学的发展开启了一道新的大门。

哈勃定律的确立

现代宇宙学在理论方面始于1917年爱因斯坦发表《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》 一文。1920年代， 苏联数学家弗里德曼和比利时天文学家勒梅特(G.Lemaitre)先后基于广义相对论，从理论上论证了宇宙随时间而膨胀的可能性。在观测方面，美国天文学家斯里弗则在1917年已初步发现， 多数旋涡星云正以巨大的速度远离我们而去。

1929年， 哈勃在《美国国家科学院会议文集》上发表《河外星云距离与视向速度的关系》一文。文中基于较以前更好的旋涡星云距离数据， 提出星云的距离D与视向速度（星云沿观测者视线方向的运动速度）V之间的线性关系， 即离我们越远的河外星云的视向速度越大。这就是日后闻名于世的哈勃定律：V=H₀·D，其中H₀称为哈勃常数（参见本书图9)。

哈勃的论证十分令人信服， 论文一经发表即获普遍赞同。1930年， 英国天文学家爱丁顿(A.S. Eddington)把河外星云的普遍退行^[4]解释为宇宙的膨胀效应。也就是说， 哈勃定律为宇宙膨胀提供了首要的观测证据。

后来，哈勃又和他的亲密合作伙伴赫马森将这项工作推广到更远的星系。1949年， 赫马森利用刚落成不久的帕洛玛山天文台口径5.08米的反射望远镜再度开展这项研究， 测到高达60000千米/秒的视向速度（长蛇星系团）， 进一步证实了速度-距离关系的普遍性。最后， 受制于当时的技术条件无法克服夜天气辉的影响， 此项工作被迫终止。1953年5月8日， 哈勃在英国的“乔治·达尔文讲座”中以“红移定律”为题总结了上述工作。同年， 该文在《英国皇家天文学会月刊》上发表。

哈勃定律的确立是20世纪最重大的科学成就之一。它表明宇宙在整体上静止的观念已经过时， 取而代之的是宇宙膨胀的图景：宇宙各部分正在彼此远离，互相退离的速率与它们之间的距离成正比。哈勃定律的发现激起了理论宇宙学家们进一步探索膨胀宇宙模型的热情。紧接着的任务则是更准确地测定宇宙膨胀的速率， 以及膨胀速率本身如何随时间而变化。至今，天文学家们仍在为此而不懈努力。

“20世纪的哥白尼”

哈勃到威尔逊山天文台工作时已届而立之年。此后， 除第二次世界大战期间曾在美国陆军位于马里兰州的阿伯丁试验场参与领导弹道学研究外， 他始终在威尔逊山天文台。

除了前述三大贡献外， 哈勃还做了其他许多很有影响的工作：

1922年， 解决了弥漫星云的辐射来源与光谱性质问题， 认清了发射星云和反射星云的差异， 证明反射星云的辐射源是某个与之成协的恒星。

1930年， 首次精确测量了椭圆星系的面亮度轮廓， 提供了基本的面亮度轮廓模型。

开创了对近邻星系恒星成分的详细研究,1932年史无前例地在M31中证认出一些球状星团。至今， 河外星系中的球状星团仍是天文学中很活跃的研究课题；通过研究星系中尘埃带的不对称性， 辨认星系的哪一侧较接近我们， 从而得以确定单个星系中旋臂的旋向。

1939年与巴德合作， 阐明玉夫座和天炉座球状星云的本质乃是矮椭圆星系。他们还发现了天琴RR变星， 这为巴德于1944年提出星族概念提供了至为重要的线索。

首先将蟹状星云证认为中国古书记载的1054年金牛座超新星的遗迹，此事见诸哈勃1928年发表的通俗文章《新星或暂现星》。

尤其值得一提的是， 随着20世纪20年代旋涡星云本质之争宣告终结， 一个新问题又出现了， 即河外星云是不是宇宙中良好的“里程碑”？ 抑或只是某种等级式结构中构成更高一级结构的组成部分？ 答案在于星系随距离分布的方式： 如果星系数目与巡天体积成正比， 而不像银河系中恒星分布那样有到达边界的迹象， 那么星系就应该是分布在空间中的基本单元。为此，哈勃曾尝试检验不同距离上星系分布的均匀性。他利用威尔逊山2.54米望远镜实施一项宏大的观测计划， 所得的结果发表在一系列论文中。1931年的第一篇论文， 摘要给出了新的星系巡天计数的初步结果。1934年， 他在《天体物理学报》 上发表了又一篇经典性论文《河外星云的分布》。文中讨论了星系的空间密度， 星系的平均质量， 以及量级为10^-30克/立方厘米的空间物质平均密度等重要问题。

哈勃对于大数学家高斯和德国天文学家施瓦茨希尔德(K.Schwarzschild)所称的“实验几何学”很感兴趣， 这可以溯源于他和托尔曼(R.C. Tolman)的合作。1935年， 他们两人在《天体物理学报》上发表《研究星云红移本质的两种方法》一文， 确定了利用星系计数方法， 通过实测推求空间曲率的原理， 即检验以适当方式定义的“距离”r为界所包围的体积， 究竟是以欧几里得值r³的速率，还是是以较之更快或更慢的速率而增长。哈勃的尝试最后因星等标度的误差以及后来所知的星系演化效应的严重影响而未获成功。但是， 这种方法的概念，以及他的具体计划， 却使当代天文学家们深受启迪。星系演化效应的影响，使人们不再把星系计数当作推求空间曲率的主要资料来源。如今的思路是： 尽量可靠地测出宇宙膨胀的减速度， 据此推算出空间物质密度， 并由爱因斯坦广义相对论方程导出相应的曲率。

哥白尼在16世纪确立日心说， 使人们认识到地球并不是宇宙的中心， 而只是一颗普通的行星， 人类的宇宙观念由此发生了革命性的飞跃; 18世纪， 威廉·赫歇尔建立银河系模型，使人们认识到太阳只是银河系中多少亿颗恒星之普通一员， 导致人类的宇宙观念再度发生飞跃， 因此他常被誉为“18世纪的哥白尼”；哈勃则将人类的视野引向河外星系世界， 使人们明白我们置身其中的银河系只是这个世界的沧海一粟， 他是当之无愧的“20世纪的哥白尼”。

哈勃的成就使他获得了许多褒奖和荣誉。他38岁成为美国国家科学院最年轻的院士， 英国皇家天文学会聘他为外籍会员。1935年6月美国科学院授予他巴纳德奖章。此奖创始于1895年， 每5年颁发一次。以前的获奖者共有8名， 其中包括伦琴、卢瑟福、爱因斯坦、玻尔和海森堡， 皆为诺贝尔奖得主。哈勃是获此奖章的第一个美国人和第一位天文学家。1938年哈勃在美国获富兰克林金质奖章， 1939 年又获得英国皇家学会金质奖章等。1934年， 他在英国牛津大学作“哈雷讲座”讲演,1935年在美国耶鲁大学作“西利曼讲座”讲演,1936年复于牛津作“罗兹讲座”讲演。1938年， 哈勃当选为美国亨廷顿图书馆和艺术馆（该馆英美珍本图书与手稿收藏极丰） 的理事。1948年，牛津大学女王学院选举他为荣誉研究员。哈勃晚年担任威尔逊山和帕洛玛山天文台研究委员会主席。1949年末， 帕洛玛山口径5.08米的反射望远镜正式投入观测， 它的第一位使用者就是哈勃。

哈勃之死和《哈勃传》

1953年9月1日， 哈勃夫妇前往帕洛玛山。哈勃在山上工作了三个夜晚， 用那架5.08米望远镜拍摄了15张天文底片。“我因自己在设计那架望远镜中所尽的职责而相当自豪。”哈勃对妻子说， 并提醒她下一次观测将是从10月2日到6日， 共4个夜晚。

9月28日上午， 哈勃在办公室和赫马森谈论新的工作设想。赫马森回忆： “当他解释自己脑海里所想的东西时说得很快， 甚至不知什么缘故， 很着急。”然后，哈勃走回家去吃午饭。格雷斯恰好开着车回家， 发现丈夫正沿加利福尼亚大街大踏步地走着， 便让他上车。然后他和往常一样问她： “你度过了怎样一个上午？”此时离家尚有约150米。行将拐进车道之际， 格雷斯不知何故停车向丈夫看了一眼。他笔直向前瞪着眼，表情若有所思而令人迷惑， 并通过分开的嘴唇用口呼吸。她觉得奇怪，问道： “怎么啦？”

“不要停车， 直驶。”他平静地回答， 而格雷斯突然惊恐起来。她将车开进院子， 下车绕到他坐着的一侧，同时尖声叫喊女管家。不一会儿， 他看来已经昏厥， 不能对她的呼叫和触摸做出反应， 而且脉息全无。格雷斯马上打电话给医生斯塔尔(P.Starr)， 后者立即前来，并使她确信， 脑血栓的形成几乎是瞬间的， 又没有疼痛，“它会在任何时候在任何人身上发生”。

多年前， 哈勃曾说过， 当这个时刻来临之际，“我希望静悄悄地消失”。格雷斯决定实现他的愿望。没有丧礼， 没有追悼会，没有坟墓，铜骨灰匣埋葬在一个秘密的地方。遵照哈勃的遗嘱，他的科学史古籍珍本赠送给了威尔逊山天文台。

63岁的格雷斯决定把余生（实际上还有27年）用于为未来的哈勃传记作者做准备工作， 为此她彻底清理了哈勃的论文并整理了他的日记。1954年， 她给收藏哈勃论文的亨廷顿图书馆的布利斯(L.Bliss)去信阐明自己的具体想法。在谈到这些素材要等多久才能使用时， 她说： “我同意你的建议， 20年左右。我深信你也一定会同意我的如下两点： (1) 作者必须是一位具有充分科学背景的学者， 而不是普通传记作家；（2) 作者必须是个男人，而不是女人。”

曾有一些人表示要写哈勃的一生， 但格雷斯一概拒绝同他们通信或交谈。1980年8月， 格雷斯90岁了。她大部分时间都躺在医院的病床上， 但仍梦想有朝一日能回到自己家中。7个月后，她也像丈夫那样平静地死于脑血栓。

哈勃去世整整50年了， 他的业绩历久弥彰。在他身后留下了这样一长串天文学术语： 哈勃分类法， 哈勃序列， 哈勃光度定律， 哈勃光度轮廓， 哈勃常数， 哈勃定律， 哈勃半径， 哈勃年龄， 乃至家喻户晓的哈勃空间望远镜，等等。

2002年8月， 身残志坚的霍金(S.Hawking)来华参加第24届世界数学家大会， 在我国掀起了一阵“霍金热”。确实， 能够欣赏霍金的宇宙学理论是一种幸福。然而， 假如只晓得霍金而不知道哈勃， 那就成了一种悲哀， 因为任何一种宇宙学理论，都必须经受哈勃这样的观测家们有关星系世界的种种发现的检验。

霍金的传奇色彩因其严重病残而愈显神奇， 哈勃却因其强健的体魄和广泛的兴趣而令人惊异。他身高近1.90米， 篮球、网球、棒球、橄榄球、跳高、撑竿跳、铅球、链球、铁饼、射击等项目均成绩不俗。早年从牛津回美国后， 哈勃曾在新奥尔巴尼中学执教西班牙语， 同时还教物理学和数学， 以及当男子篮球教练。在芝加哥大学， 他是一名闻名全校的重量级拳击运动员。在牛津大学他是校田径赛队员， 还曾在一场表演中与法国拳王卡庞捷(G.Carpentier)交手。此外， 他又是一名假饵钓鱼能手。

哈勃还是好莱坞明星们心目中的偶像。1937年3月4日晚，美国电影艺术学会在洛杉矶举行年度颁奖仪式， 该学会主席、奥斯卡奖得主、电影导演卡普拉(F.Capra)邀请哈勃夫妇做客，并向与会者介绍这位世界上活着的最伟大的天文学家。哈勃起立致意， 全场掌声雷动。由于媒体和好莱坞的宣传， 许多名流都知道哈勃在威尔逊山天文台工作。于是， 驱车上山， 一睹当时世界上最大的天文望远镜和哈勃本人的风采， 便成了明星们的时尚。当然， 这种参观必须预约。

1995年， 美国历史学家兼传记作家克里斯琴森(G.E.Christianson)的力作《星云世界的水手——哈勃传》面世， 从而为这个世界弥补了缺乏一部权威性哈勃传记的遗憾。2000年，该书中文版出版。关于哈勃的一切， 这部名著能够告诉你的，也许比你原本想知道的还要精彩、丰富得多。

图版0说明

仙女座大旋涡星云M31的外围区域（疏散星团大约位于星云核西南48'）。

观测者从围绕着他的恒星群向外望去，越过这个恒星群的边缘并横穿空洞的空间，从而发现了另一个恒星系统——星云M31。该星云中最亮的天体可以被分别看到，而且观测者可以在它们当中辨识出在其自身所处的恒星系统中已了如指掌的各种不同类型的天体。当这些熟悉的天体身处星云之中时，它们的视暗弱度也就显示出了星云的距离——这是一个如此遥远的距离，以至于光要走完这段行程需要70万年时间。

在图版上标示出了一个恒星云（星表编目为NGC206)、一个疏散星团、一个球状星团以及一个处于光度极大期的造父变星。这颗造父变星的周期为18.28天，极亮光度为18.75等。

图版由邓肯于1925年8月24日用100英寸反射望远镜拍摄；北方位于顶部;1mm=11″.8。

[1] 但丁(Dante,1265—1321)，欧洲文艺复兴时期意大利诗人，被誉为“中世纪最后一位诗人，又是新时代第一位诗人”，代表作《神曲》。

[2] 据最新数据,M31距我们约254万光年,M33距我们约314万光年。——本书编辑注

[3] 据最新数据，银河系直径约15万光年。——本书编辑注

[4] 退行即指星云在远离我们而去的运动。