從一到無窮大 · 第十章　不斷擴展的視野

一、地球及其附近 現在，讓我們把旅行從分子、原子和原子核拉回到尺寸較為熟悉的物體。不過，即將開始的新旅行是朝著相反的方向，即朝著太陽、星星、遙遠的星雲和宇宙深處。和微觀世界的情況一樣，科學沿這個方向的發展也使我們越來越遠離熟悉的物體，視野變得愈發廣闊。 在人類文明之初，所謂的宇宙被認為小得可憐。人們認為大地是一個巨大的扁盤，漂浮在四面環繞的海洋上。大地下方是深不可測的海水，上方是諸神的居所——天空。這個巨大的盤子足以支撐住當時地理學已知的所有陸地，包括地中海的各個海岸以及鄰近的部分歐洲和非洲，還有亞洲的一小塊地方；大地的北邊以高山山脈為界，夜間太陽就在山後的「世界大洋」洋面上休憩。圖104比較準確地顯示了古人所認為的世界的樣子。然而到了公元前3世紀，有個人對這種公認的簡單世界圖像提出了異議。他就是著名的希臘哲學家（當時用這個名稱來稱呼科學家）亞里士多德（Aristotle）。 圖104　古人所理解的世界 亞里士多德在《論天》一書中提出了一種理論，認為大地其實是一個球體，上面覆蓋著陸地和水，周圍是氣。他提出了許多論證來支持自己的觀點，這些論證在我們現在看來非常熟悉和平凡。他指出，船消失在地平線上時總是船身先消失，桅杆還露在水面上，這表明海洋不是平的，而是彎曲的。他還指出，月食一定是因為地球的影子掠過了月亮表面。既然這個影子是圓的，所以大地本身也必定是圓的。但當時相信他的人並不多。人們不能理解，如果他說的是對的，那麼生活在地球另一端（即所謂的對跖點）的人怎麼會頭朝下走路而不掉下去呢？那裡的水為何不流向他們所說的天空呢（圖105）？ 圖105　反駁大地為球形的論證 你瞧，當時的人並沒有意識到，物體下落是因為受到了地球的吸引。對他們來說，「上」和「下」是空間中的絕對方向，在哪裡都應該是一樣的。認為繞地球轉半圈，「上」「下」就可以互換，這種想法在他們看來就像愛因斯坦相對論的許多陳述在今天的人看來一樣瘋狂。當時，重物的下落不是像今天這樣通過地球的吸引來解釋，而是被解釋成一切物體都有向下運動的「自然傾向」。因此，你若敢站在地球的下面一半，會向下掉到藍天中去！這種反駁是如此有力，對舊觀念進行調整是如此艱難，以至於直到亞里士多德去世後兩千年的15世紀，仍然可以看到有人把地球對面的居民畫成頭朝下站著，以此來嘲笑大地是球形的觀念。就連偉大的哥倫布（Christopher Columbus）在動身尋找通向印度的「相反道路」時，也未必確信自己的計劃是可靠的。事實上，他因為美洲大陸的阻擋而並未實現這項計劃。直到麥哲倫（Ferdinand de Magellan）作了著名的環球航行之後，關於大地是球形的最後一絲疑慮才徹底打消。 人們第一次意識到大地是個巨大的球體時肯定會問，這個球與當時已知的世界相比有多大？但古希臘的哲學家們當然無法作環球旅行，他們如何來測量地球的尺寸呢？ 有一個辦法，這是公元前3 世紀的著名科學家埃拉托色尼（Eratosthenes）最先發現的。他生活在希臘的殖民地——埃及的亞歷山大里亞。亞歷山大里亞以南5000斯塔迪姆遠的尼羅河上游地區有一座城市叫賽伊尼，他聽那裡的居民講，夏至那天正午，太陽正好懸在頭頂，因此直立的物體都沒有影子。埃拉托色尼還知道，這種事情在亞歷山大里亞從未發生過。夏至那天，太陽與天頂（即頭頂正上方）有7°的距離，即整個圓的1/50 左右。埃拉托色尼假定大地是圓的，非常簡單地解釋了這個事實，圖106清楚地顯示了這種解釋。事實上，由於兩座城市間的地面是彎曲的，豎直射到賽伊尼的太陽光必定會與北方的亞歷山大里亞成某個角度。從圖中還可以看到，如果從地心分別向賽伊尼和亞歷山大里亞引兩條直線，那麼這兩條線的夾角將等於從地心到亞歷山大里亞的那條線（即亞歷山大里亞的天頂方向）與直射到賽伊尼時的太陽光之間的夾角。 圖106 由於這個角是整個圓的1/50，地球的周長就應是兩城間距的50倍，即250 000斯塔迪姆。1斯塔迪姆約為1/10英里，因此埃拉托色尼得到的結果相當於25 000英里或40 000公里，的確非常接近現代的最佳估計值。 然而，對地球作第一次測量的重要之處並非在於結果是否精確，而在於認識到地球實在太大了。哎呀，它的總面積一定比當時已知的整個陸地面積大幾百倍呢！這能是真的嗎？如果是真的，已知的邊界之外又是什麼呢？ 談到天文距離，我們先得了解一下所謂的視差位移或簡稱視差。這個詞聽上去可能有些嚇人，但實際上，視差簡單且有用。 我們可以通過嘗試穿針引線來了解視差。請閉上一隻眼睛來穿針，你很快就會發現這樣很難穿進去；你手中的線頭不是跑到針眼後面很遠，就是到針眼之前便停住了。僅憑一隻眼睛是判斷不出針與線的距離的。但如果兩眼睜開，穿針引線就很容易做到，至少是很容易學會。用兩隻眼睛觀看物體時，你會自動把它們聚焦到這個物體上。物體越近，兩隻眼球就得更接近一些。作這種調整所產生的肌肉感覺會較好地告訴你距離有多少。 如果不是用兩隻眼睛同時看，而是先後用左右眼看，你會看到物體（這裡是針）相對於遠處背景（比如房間裡的窗戶）的位置發生了變化。這種效應就是所謂的視差位移，大家一定都很熟悉；如果你從未聽說過，不妨試驗一下，或者看看圖107所示的分別用左眼和右眼看到的針和窗戶。物體離得越遠，其視差位移就越小，因此我們可以用它來測距。由於視差位移可以用弧度精確地測量出來，這種方法要比用眼球的肌肉感覺來簡單地判斷距離更精確。但由於我們的兩隻眼睛僅相距3英寸左右，因此用眼睛不大能估計准幾英尺開外的距離。對於更遠的物體來說，雙眼的視線變得幾乎平行，視差位移也變得極小。要想判斷更大的距離，需要把兩隻眼睛分得開一些，以增大視差位移的角度。不，用不著做外科手術，只需幾面鏡子就能實現。 圖107 圖108顯示了（雷達發明以前）海軍用來測量敵艦距離的一種裝置。它是一根長筒，每隻眼睛前面各有一面鏡子（A，A′），長筒兩端各有另一面鏡子（B，B′）。透過這樣一架測距儀，就可以一隻眼睛從B端看，另一眼睛從B′端看了。這樣一來，你兩眼之間的距離或所謂的光學基線便顯著增大了，所能估計的距離也就長得多。當然，水兵們不會只依靠眼球肌肉的距離感來做判斷。測距儀上配備有特殊的裝置和刻度盤，能夠極為精確地測定視差位移。 圖108 即使敵艦幾乎還在地平線後面，這種海軍測距儀也能很好地工作。但即使想用它測量像月亮那樣比較近的天體的距離，也不會成功。事實上，要想觀測到月亮在恆星背景上的視差位移，光學基線（即兩眼之間的距離）至少要有數百英里長。當然，我們沒有必要設計一套光學系統，使我們能一隻眼睛比如從華盛頓看，另一隻眼睛從紐約看，因為我們只需在這兩座城市同時拍攝月亮在群星中的照片。把這兩張照片放在普通的立體鏡里，就能看到月亮懸在恆星背景前方的空間中。通過測量從地球上兩個不同的地點同時拍攝的月亮和群星的照片（圖109），天文學家們發現，從地球直徑兩端觀測到的月亮的視差是1°24′5″。由此可得，地球與月亮的距離等於30.14個地球直徑，即384 403公里或238 857英里。 圖109 由這個距離和觀測到的角直徑可以算出，月亮這顆衛星的直徑約為地球直徑的四分之一。其總面積只有地球面積的十六分之一，與非洲大陸的面積相當。 用類似的方法也能測得地球與太陽的距離。當然，太陽要遠得多，測量也就困難得多。天文學家們測出這個距離是149 450 000公里（92 870 000英里），亦即地月距離的385倍。正因為這個距離非常巨大，太陽才顯得和月亮尺寸差不多；實際上太陽要大得多，其直徑是地球直徑的109倍。 如果太陽是個大南瓜，地球就是顆豌豆，月亮則是粒罌粟籽，紐約的帝國大廈將和我們透過顯微鏡看到的最小的細菌一樣大。這裡值得銘記的是，古希臘有個名為阿那克薩戈拉（Anaxagoras）的進步哲學家因為提出太陽是個像希臘那麼大的火球，就受到了放逐的懲罰和死亡威脅！ 天文學家們還以類似的方法估算了太陽系中各個行星與太陽的距離。其中最遠的行星，即1930年才發現的冥王星，與太陽的距離約為地日距離的40倍；確切地說，這個距離是3 668 000 000英里。 二、銀河系 朝著太空再邁進一步，就從行星走到恆星了，這裡視差法同樣適用。但我們發現，即使是最近的恆星，距離我們也非常遙遠，哪怕在地球上距離最遠的兩點（地球兩側）進行觀測，相對於一般的恆星背景也看不出明顯的視差位移。不過，我們還有一種辦法來測量這麼遙遠的距離。倘若可以用地球的尺寸來測量地球繞日軌道的大小，那麼為何不用這個軌道來求出地球與恆星的距離呢？換句話說，在地球軌道的相對兩端觀測恆星，能否注意到至少某些恆星的相對位移呢？當然，這意味著兩次觀測要相隔半年之久，但那也沒有什麼關係。 帶著這種想法，1838年德國天文學家貝塞爾（Friedrich Wilhelm Bessel）開始對相距半年的兩個夜晚觀測到的恆星相對位置進行比較。起初他並不走運，他所挑選的恆星都太過遙遠，沒有顯示出任何明顯的視差位移，即使以地球軌道直徑為基線也不行。然而，這裡有一顆恆星，天文學目錄將它列為天鵝座61（即天鵝座的第61顆暗星），其位置似乎和半年前稍有偏離（圖110）。 圖110 又過了半年，這顆星重回原位，因此這肯定是視差效應。貝塞爾也成為拿著尺子從太陽系步入星際空間的第一人。 半年裡觀測到的天鵝座61的位移其實很小，只有0.6弧秒，84也就是你觀看500英里以外的一個人時視線所成的角度（倘若你真能看這麼遠的話）！不過，天文學儀器非常精密，即使連這樣的角度也能以很高的精度測量出來。根據觀測到的視差和已知的地球軌道直徑，貝塞爾計算出這顆星距離我們103 000 000 000 000公里，也就是說比太陽還遠690 000倍！這個數字的意義很難把握。如果使用我們之前打過的比方，太陽是個南瓜，豌豆大小的地球在離它200英尺遠的地方轉動，那麼這顆恆星將在3萬英里外的地方！ 天文學家往往會用光以每秒300 000公里的速度走過一段距離的時間來表示這段距離。光線只需1/7秒便可繞地球一圈，從月亮到地球只需1秒多鍾，從太陽到地球也不過8分鐘左右。然而從宇宙中距離我們最近的天鵝座61發出的光，卻要11年左右的時間才能到達地球。如果由於某種宇宙災難，天鵝座61熄滅了，或者在一團烈焰中爆炸了（這在恆星是常有的事），那麼只有經過漫長的11年，等到從高速穿過星際空間的爆炸閃光及其最後一線光芒到達地球，我們才能知道有顆恆星已經不復存在了。 根據測得的天鵝座61的距離，貝塞爾計算出，這顆在黑暗的夜空中靜靜閃爍的微小光點其實是顆亮度略小於太陽、大小隻差30％的星體。這第一次直接證明了哥白尼最先提出的一種革命性思想：我們的太陽只是散布在廣袤無垠空間之中的無數顆星體中的一顆。 貝塞爾做出這項發現之後，人們又測出了許多恆星視差。有幾顆恆星被發現比天鵝座61距離我們更近，其中最近的是半人馬座α（半人馬座中最亮的星），距離我們只有4.3光年。它在大小和亮度上非常類似於太陽。大多數其他恆星都要遠得多，以致即使把地球軌道的直徑當作距離測量的基線也太小了。 恆星在大小和亮度上也大相徑庭，既有比太陽大400倍左右、亮3 600倍左右的參宿四（距離我們300光年）這樣的明亮巨星，也有比地球還小（直徑是地球的75％）、比太陽暗10 000倍左右的范瑪南星（距離我們13光年）這樣的昏暗矮星。 現在我們來談一個重要的問題，即現存的恆星總共有多少。包括諸位在內的許多人可能都以為，天上的星星無人能數清。但和許多流行看法一樣，這種看法也大謬不然，至少就肉眼所能看到的星星而言是如此。事實上，從南北兩個半球所能看到的星星總共只有六七千顆，由於任何時候都只有一半星星在地平線以上，而且地平線附近星星的可見度因大氣的吸收而大大降低了，所以即使在無月的晴朗夜晚，通常用肉眼也只能看到大約2 000顆星星。於是，如果以每秒鐘1顆的速度不懈地數下去，半小時左右你就可以把它們數完！ 但如果用雙筒望遠鏡，你可以多看到5萬顆星星，使用英寸口徑的望遠鏡，你會再看到約100萬顆。如果用加利福尼亞威爾遜山天文台的那架著名的100英寸口徑的望遠鏡，你將能看到大約5億顆星星。即使以每秒鐘數1顆的速度每天從早數到晚，天文學家也要用一個世紀左右的時間才能將它們數完！ 當然，不曾有人透過望遠鏡一顆顆地數星星，其總數是通過把不同天區的若干區域中實際可見的星星數目的平均值運用於整個星空而計算出來的。 兩個世紀前，著名的英國天文學家赫歇耳（William Herschel）用自製的大型望遠鏡觀看星空時，注意到肉眼可見的星星大都出現在銀河這條橫跨夜空的微弱光帶內。正是由於他的功勞，天文學才認識到，銀河並不是天空中的普通星雲，而是由相距甚遠因而暗到無法用肉眼一一分辨的眾多恆星組成的。 通過使用越來越強大的望遠鏡，我們得以把銀河看成由越來越多的星星所組成，不過，銀河的主要部分仍然處於模糊的背景當中。但若以為銀河區域內的星星比其他天區的星星更為稠密，那就錯了。事實上，某個區域的星星之所以看起來比其他區域稠密，並非因為分布更為集中，而是因為星星沿這個方向的分布更為深遠。（在望遠鏡的協助下）星星沿著銀河的方向一直伸展到目力所及的邊緣，而在其他方向，星星的分布並未擴展到視力的極限，它們之外主要是近乎空無所有的空間。 沿著銀河的方向看過去，我們仿佛在透過密林張望，無數條樹枝彼此層疊交織，形成連續的背景；而沿著其他方向，我們在星星之間看到的是一塊塊空蕩蕩的空間，就像在樹林裡，透過頭頂上方的枝葉可以看見一塊塊藍天一樣。 因此，銀河在空間中占據著一個扁平區域，沿著銀河平面延伸得很遠，沿其垂直方向則比較薄。太陽只不過是銀河中無足輕重的一員。 經過一代代天文學家更為細緻的研究，我們已經知道，銀河系大約包含40 000 000 000顆恆星，它們分布在直徑約100 000光年、厚度為5000~10 000光年的一個透鏡形區域內。由這種研究還得出一個結論：太陽根本不是這個巨大星系的中心，而是靠近其外邊緣，這對我們人類的自豪感來說真是打擊啊！ 圖111試圖向讀者表明，銀河這個巨大的星巢看起來是什麼樣子。這裡的銀河系縮小了100 000 000 000 000 000 000倍，代表各個恆星的點也遠小於400億，這當然是出於版面的理由。 圖111　一位天文學家在觀看縮小了100 000 000 000 000 000 000 倍的銀河系。天文學家頭頂差不多就是太陽所在的位置 這個由群星組成的銀河系最典型的性質之一就是，它和太陽系一樣也在迅速旋轉。和金星、地球、木星等行星沿著近乎圓形的軌道繞日運轉一樣，形成銀河系的數百億顆恆星也在圍繞所謂的銀心運轉。銀河系的這個旋轉中心位於人馬座的方向上。事實上，你若沿著銀河跨過天空的模糊形狀看過去，會發現越靠近人馬座，銀河就變得越寬，這表明你正朝著這個透鏡狀物體更厚的中心部分看去（圖111中那位天文學家正是朝著這個方向觀看的）。 我們並不知道銀心看起來是什麼樣子，因為懸浮在太空中的濃密而黑暗的星際物質遮住了它。事實上，如果觀察銀河在人馬座區域中變厚的部分，85你會以為這條神話中的天路在這裡分成了兩條「單行道」。但它並非真實的分岔，之所以有這種印象，完全是因為星際塵埃和氣體的暗雲懸浮在我們與銀心之間的太空中。銀河兩側的黑暗是由於黑暗空間的背景，而這裡的黑暗卻是由於不透明的暗雲。中間那塊黑暗區域的幾顆星星其實是在我們和暗雲之間（圖112）。 圖112　朝銀心看去，我們會以為這條神話中的天路分成了兩條「單行道」 看不到包含太陽在內的數十億顆恆星繞之旋轉的神秘銀心固然很遺憾，但通過觀察散布在銀河系以外的其他星系，我們也能知道它大致是什麼樣子。銀心並不是某一顆超級巨星，像太陽統治行星一樣統治著銀河系的所有其他成員。稍後我們會講到，對其他星系中心部分的研究表明，這些中心也是由眾多恆星組成的，唯一的區別在於，這裡的恆星要比太陽所在的遠離中心的區域稠密得多。如果把行星系統看成由太陽統治的專制國家，那麼銀河系則像是一個民主國家，一些成員占據著有影響力的中心位置，其他成員則只好屈尊於社會外圍更為卑下的位置。 如上所述，包括太陽在內的所有恆星都沿著巨大的軌道圍繞銀心運轉。那麼，如何來證明這一點呢？這些星星的軌道半徑有多大？周期有多長？ 幾十年前，荷蘭天文學家奧爾特（Jan Hendrik Oort）回答了所有這些問題。他對銀河系的觀測方法非常類似於哥白尼對太陽系的處理。 我們先來回憶一下哥白尼的論點。古巴比倫人、古埃及人和其他一些人都已經注意到，木星、土星等大行星似乎在以非常奇特的方式跨過天空。它們先是像太陽一樣沿橢圓運行，然後突然停住並後退，再折回來繼續沿原來的方向前進。圖113下方是土星在兩年左右的時間裡所走路線的示意圖（土星的運轉周期是29.5年）。過去出於宗教偏見，地球被視為宇宙的中心，所有行星和太陽本身都被認為繞著地球旋轉，必須通過假定行星軌道包含若干個環來解釋上面這些奇特的運動。 哥白尼則要更為敏銳。他天才地解釋說，這種神秘的翻筋斗現象緣於地球和所有其他行星都在圍繞太陽作簡單的圓周運動。圖113上方的示意圖清楚地描繪了這種解釋。 太陽位於中心，地球（小球）沿著小圓運轉，土星（帶著一個環）沿著與地球相同的方向在大圓上運轉。l，2，3，4，5表示地球和運動更為緩慢的土星在一年之中的幾個位置。從地球的不同位置引出的部分豎線表示某顆恆星的方向。連接地球的各個位置與相應的土星位置，我們看到，這兩個方向（指向土星的和指向恆星的）之間的夾角先是增大，繼而減小，然後又增大。因此，那種看起來的翻筋斗現象並不意味著土星的運動有什麼特別之處，而是因為我們是從運動地球上的不同角度來觀測這種運動的。 圖113 圖114顯示了奧爾特關於銀河系中恆星旋轉的論點。從圖的下方可以看到銀心（有暗雲之類的東西），整個圖上有許多恆星環繞著這個中心。三個圓表示與中心有不同距離的恆星軌道，中間那個圓表示太陽的軌道。 圖114 如圖114，我們來考察八顆恆星（配以光芒，區別於其他點），其中兩顆與太陽軌道相同，不過一顆在前、一顆在後，其他恆星則位於或大或小的軌道上。需要注意的是，由於引力定律（參見第五章），與太陽軌道上的恆星相比，外層恆星的速度較小，內層恆星的速度較大（圖中以不同長短的箭頭來表示）。 如果從太陽或地球上看，這八顆恆星的運動會如何呢？我們這裡談的是沿視線的運動，根據所謂的都卜勒效應最容易觀測到它。首先，在太陽上的觀察者看來，與太陽同軌道同速度的兩顆恆星（D和E）顯然是靜止的。與太陽處於同一半徑的兩顆恆星（B和G）也是如此，因為它們的運動平行於太陽，在視線方向沒有速度分量。 那麼，處於外層的恆星A和C的情況如何呢？由於它們的速度比太陽低得多，所以從圖上可以清楚地看出，恆星A會落在後面，恆星C會被太陽超過。因此，與A的距離會增大，與C的距離會減小，從這兩顆恆星發出的光會分別顯示出都卜勒紅移效應和紫移效應。對於內層的恆星F和H來說，情況則正好相反，F會顯示出紫移效應，H會顯示出紅移效應。 假設剛才描述的現象僅由恆星的圓周運動所引起，那麼這種圓周運動的存在使我們不僅可以證明這種假設，還能估算出恆星運動的軌道半徑和速度。通過收集整個天空中恆星視運動的觀測資料，奧爾特成功地證明，所預期的都卜勒紅移和紫移效應的確存在，從而確定無疑地證明銀河系在旋轉。 同樣也能證明，銀河系旋轉的效應會影響恆星在垂直於視線方向上的視速度。雖然精確測量這個速度分量要難得多（因為遙遠的恆星即使有很大的線速度，也只對應於天球上極小的角位移），但這種效應還是被奧爾特等人觀測到了。 對恆星運動的奧爾特效應進行精確測量，我們就能得出恆星的軌道和運行周期。使用這種計算方法，我們已經知道，以人馬座為中心的太陽軌道的半徑是3萬光年，約為整個銀河系最外層半徑的三分之二。太陽繞銀心運轉一周所需的時間約為兩億年。這當然是段漫長的時間，但不要忘了，我們的銀河系已經有50億歲了，在這段時間裡，我們的太陽已經帶著它的行星家族轉了差不多20圈。遵照「地球年」這個術語，我們可以把太陽的旋轉周期稱為「太陽年」，說宇宙只有20歲。在恆星世界，事情的確發生得很慢，因此把太陽年作為對宇宙歷史進行時間測量的單位會非常方便。 三、走向未知事物的邊界 前已提到，孤零零地飄浮在廣袤宇宙空間中的恆星群體並非只有銀河系。望遠鏡研究已經表明，太空深處還有許多與銀河系非常類似的巨大星群。其中距離最近的是著名的仙女座星雲，用肉眼就可以看到。在我們眼中，它是一片又小又暗的拉得相當長的星雲。插圖7的a 和b 是用威爾遜山天文台的大型望遠鏡拍攝的這樣兩個天體，它們是從側面看到的后髮座星雲和從上面看到的大熊座星雲。我們注意到，作為銀河系所特有的透鏡形狀的一部分，這些星雲有一種典型的螺旋結構，因此被稱為「螺旋星雲」。許多證據表明，銀河系也是一個螺旋星雲，但我們很難從內部確定這種結構的形狀。事實上，太陽很可能位於「銀河大星雲」的一條旋臂末端。 長期以來，天文學家們並未意識到螺旋星雲是與我們銀河系類似的巨大星系，而是將它們與獵戶座星雲那樣的普通瀰漫星雲相混淆，後者是由飄浮在銀河系內的恆星之間的星際塵埃所組成的巨大雲團。但後來人們發現，這些霧蒙蒙的螺旋狀物體根本不是雲霧，而是一顆顆星星。如果放大到最高倍數，可以看到它們是一個個小點。但它們太過遙遠，無法通過測量視差求出其實際距離。 這樣一來，我們測量天體距離的手段似乎已經窮盡。但並非如此！當我們碰到某個無法克服的困難時，耽擱通常只是暫時的；總會發生某種新的事情，使我們能夠繼續前進。就這裡的情況而言，哈佛大學的天文學家沙普利（Harlow Shapley）在所謂的脈動星或造父變星那裡找到了一種全新的「量尺」。86 天上星辰密布。雖然大多數恆星都寧靜地發著光，但也有一些恆星的亮度發生規則的明暗變化。這些巨大的星體像心臟一樣有規則的脈動，其亮度也隨著這種脈動而發生周期性的變化。87恆星越大，其脈動周期就越長，就像鐘擺越長，擺動周期就越長一樣。很小的恆星（就恆星而言）幾個小時就完成了自己的周期，而巨大的恆星則需要很多年才能完成一次脈動。既然恆星越大就越亮，那麼恆星的脈動周期與該星的平均亮度之間一定存在著明顯的關聯。通過觀測造父變星，可將這種關係確定下來，造父變星距離我們足夠近，它們的距離和實際亮度能夠直接測量出來。 如果你發觀一顆脈動星超出了視差測量的範圍，那麼你只需用望遠鏡觀測出它的脈動周期，就能知道它的實際亮度。再將實際亮度與視亮度進行對比，就能立刻知道這顆星的距離。沙普利運用這種巧妙的方法，成功地測出了銀河系中特別遙遠的距離，此方法對於估算我們銀河系的總體尺寸非常有用。 在用這種方法來測量巨大的仙女座星雲中幾顆脈動星的距離時，沙普利大吃一驚：從地球到這些恆星的距離——當然也是到仙女座星雲本身的距離——竟然有1 700 000光年，也就是說遠大於銀河系的估算直徑。仙女座星雲的尺寸原來只比我們整個銀河系略小一些。本書插圖7中的兩個螺旋星雲距離要更遠，其直徑與仙女座星雲差不多。 這一發現徹底駁倒了之前認為的螺旋星雲是銀河系中的「小傢伙」的觀點，螺旋星雲也因此成為與銀河系類似的獨立星系。現在已經不再有天文學家懷疑，如果有位觀測者站在仙女座星雲中某顆恆星的小行星上，他所看到的銀河系將與我們看到的仙女座星雲非常相像。 主要由於威爾遜天文台著名的星系觀測家哈勃（Edwin Powell Hubble）的工作，對這些遙遠恆星群體的進一步研究向我們揭示了許多有趣而重要的事實。首先，與肉眼相比，用強大的望遠鏡所能觀測到的星系要多得多，它們並不都是螺旋狀的，而是有各種各樣的種類：有看起來像邊界模糊的規則圓盤的球狀星系，有伸長程度各不相同的橢球狀星系，螺旋星系也因「盤繞的鬆緊程度」而彼此不同，此外還有形狀非常奇特的「棒旋星系」。 一個極為重要的事實是，所有這些觀測到的星系形狀都能規則地排列起來（圖115）,這可能對應著這些巨大星系的不同演化階段。 圖115　正常星系演化的各個階段 雖然我們對星系演化的細節還知之甚少，但這種演化很可能緣於漸進的收縮過程。大家知道，一個緩慢旋轉的氣體球逐步收縮時，其旋轉速度會增加，形狀也會變成橢球體。在某個收縮階段，當極半徑與赤道半徑之比等於7／10時，該旋轉體就會呈透鏡形，沿其赤道出現一條明顯的棱。如果進一步收縮，這種透鏡形不會變化，但構成旋轉體的氣體會開始沿這條明顯的赤道棱流入周圍的空間，在赤道面形成一層氣體薄幕。 英國著名物理學家和天文學家金斯（James Hopwood Jeans）已經用數學證明，上述說法對於旋轉的氣體球是成立的，但它們也完全適用於被我們稱為星系的巨大星雲。事實上，我們可以把這樣聚集在一起的億萬顆恆星看成一團氣體，把恆星看成一個個分子。 將金斯的理論計算與哈勃對星系的經驗分類作一對比，就會發現這些巨大的恆星群體遵循的正是該理論所描述的演化進程。特別是，我們發現，拉伸最長的橢球狀星雲的半徑之比為7/10（E7），這是我們注意到有明顯赤道棱的第一例。演化後期出現的螺旋則顯然是由快速旋轉時拋出的物質所形成的。不過迄今為止，我們還不能完全令人滿意地解釋這些螺旋形為何會形成以及如何形成，還有簡單螺旋與棒旋之間的差別是什麼原因造成的。 關於這些星系的構造、運動和各部分的組成，還需要做進一步研究。例如，威爾遜山天文台的天文學家巴德（Walter Baade）數年前得出了一個有趣的結論：螺旋星雲的中心體（核）所由以形成的恆星與球狀、橢球狀星系的恆星是同一類型，而旋臂本身所顯示的星族卻相當不同。這種「旋臂」型星族因為出現了熾熱而明亮的成員而有別於中心區域的星族，無論是球狀、橢球狀星系還是中心區域，都沒有這些所謂的「藍巨星」。我們稍後（在第十一章）會看到，藍巨星很可能是新近形成的恆星，所以有理由認為，旋臂可以說是產生新星族的溫床。可以設想，從正在收縮的橢球狀星系的赤道凸起拋出的物質有一大部分是由原始氣體形成的。進入寒冷的星系際空間後，這些氣體凝聚成一塊塊巨大的物質，後經收縮而變得熾熱而明亮。 在第十一章我們還會回到恆星的誕生和生命問題，現在我們要考慮一下各個星系在廣闊宇宙中的大致分布。 首先要說的是，基於脈動星的測距法雖然在用於銀河系附近的一些星系時給出了很好的結果，但進入空間深處時就不管用了，因為此時我們所到達的距離已經大到無法分辨各個星星的程度，即使透過最強大的望遠鏡，所看到的星系也像是微小的長條星雲。再往深處走，我們就只能憑藉可見尺寸來判斷距離，因為與恆星不同，所有同類型的星系都大約是同一尺寸。如果所有人都是同一高度，既無侏儒又無巨人，你就總可以通過觀察一個人的視大小來說出他的遠近。 哈勃用這種方法估算了遙遠星系的距離，他表明，就我們目之所及（輔以最強大的望遠鏡），星系在空間中或多或少是均勻分布的。之所以說「或多或少」，是因為在許多情況下，星系成群地聚集在一起，有時竟包含數千個成員，就像眾多恆星聚集成星系一樣。 我們的銀河系似乎屬於一個較小的星系群，其成員包括三個螺旋星系（包括銀河系和仙女座星雲）、六個橢球狀星系及四個不規則星雲（其中兩個是大小麥哲倫星雲）。 不過，除了這種偶爾的聚集，從帕洛馬山天文台口徑200英寸的望遠鏡看過去，各個星系其實是非常均勻地散布在10億光年以內的整個空間中。兩個相鄰星系的平均距離約為500萬光年，可見的宇宙視野包含有數十億個恆星世界！ 如果還用我們之前的比喻，認為帝國大廈是顆細菌，地球是顆豌豆，太陽是個南瓜，那麼銀河系就是大致分布在木星軌道之內的數十億個南瓜的聚集體，而許許多多這樣的南瓜堆又散布在半徑略小於地球與最近恆星之間距離的一個球形體積內。不錯，我們的確難以找到一種表示宇宙距離的恰當尺度。即使把地球比做一顆豌豆，已知宇宙的尺寸仍然是個天文數字！圖116試圖表明天文學家是如何一步步勘測宇宙距離的：從地球開始，到月亮，再到太陽、恆星，然後到遙遠的星系，一直到未知事物的邊界。 圖116　宇宙勘測的里程碑，用光年表示的距離 現在，我們準備回答宇宙尺寸這個基本問題。宇宙是無限擴展的，還是占據著某個極為巨大但仍然有限的體積？隨著望遠鏡製造得越來越強大、越來越精良，天文學家是否總能發現一些尚未勘測的新空間區域呢？抑或與此相反，宇宙至少原則上是可以勘測到最後一顆星的？ 當我們說宇宙可能「尺寸有限」時，當然並不是指在幾十億光年以外的某個地方，空間探險家會碰到一堵牆，上面寫著「嚴禁擅自進入」字樣。 事實上，我們在第三章已經看到，空間可以是有限而無界的。它可以徑直彎曲，「自我封閉」起來。這樣一來，一位假想的空間探險家雖然試圖儘可能筆直地駕駛飛船，卻會在空間中沿測地線回到其出發點。 當然，這就像一位古希臘探險家從家鄉雅典出發一路西行，許久之後卻發現又從東門進入了這座城市。 正如我們無需環遊世界，只通過研究一小塊地方的幾何學就可以確定地面的曲率一樣，我們在現有望遠鏡的視程內做出類似的測量，就可以回答三維宇宙空間的曲率問題。在第五章我們看到，必須區分兩種曲率：對應於有限閉空間的正曲率，以及對應於馬鞍形無限開空間的負曲率（參見圖42）。這兩種空間的區別在於：在閉空間中，均勻散布在與觀測者的某一距離之內的物體，其數目的增長慢於該距離的立方；而開空間中的情況則恰恰相反。 在我們的宇宙中，「均勻散布的物體」就是各個星系，因此要想解決宇宙曲率的問題，我們只需數出不同距離處的各個星系的數目。 哈勃實際做過這種計數，他發現星系的數目似乎比距離的立方增長得慢一些，因此空間可能是正曲率和有限的。但要注意，哈勃觀測到這種效應非常小，幾乎已達威爾遜山那架口徑100英寸望遠鏡的觀測極限。最近用帕洛馬山那架口徑200英寸的新反射式望遠鏡所作的觀測尚未對這個重大問題給出更進一步的答案。 現在之所以還不能對宇宙是否有限這個問題給出最終的確切回答，還因為遙遠星系的距離只能基於它們的視亮度（平方反比律）來判斷。這種方法需要假設所有星系都有同樣的亮度，但若星系的亮度隨時間而變化，從而暗示亮度與年代有關，就會導出錯誤的結論。別忘了，透過帕洛馬山望遠鏡可以看到的最遙遠的星系在10億光年以外，因此我們看到的是它們在10億年以前的狀態。如果各個星系隨著衰老而逐漸變暗（也許是因為活動恆星的數量越來越少），哈勃的結論就必須加以修正。事實上，只要星系的亮度在10億年里（約為其整個壽命的1/7）改變一點點，就能把目前關於宇宙有限的結論顛倒過來。 於是我們看到，要想確定我們的宇宙是有限還是無限，還有許多工作要做呢。