强行科普 | 哈勃定律的发现（上）

编者按

这篇文章是我会高级会员14级生科妹子土司空（是妹子！是妹子！是妹子！重要的问题说三遍！）的小论文。

文章简要的介绍了哈勃（Edwin Powell Hubble）的早年经历、哈勃定律的提出和完善过程以及哈勃定律的价值，是一部不可多得的科普著作。

大家耐心读完，定能有所裨益。

目录

一、埃德温·哈勃：罗兹奖学金获得者和女子中学教师（1889?1919）

二、哈勃定律的提出(1920-1931)

三、哈勃常数的测定（1929-1980）

四、哈勃定律的影响

五、参考资料

一、埃德温·哈勃：罗兹奖学金获得者和女子中学教师（1889?1919）

　　1889年11月20日，约翰·鲍威尔·哈勃与弗吉尼亚·哈勃的第三个孩子埃德温·鲍威尔·哈勃生于马什菲尔德。约翰·哈勃先后涉足法律和保险业，但事业上一直表现平平。1895年埃德温开始上学，在最初的几年中是个不讨人喜欢的学生，升入四年级后他爱好文学，并在学业上获得了高分。据埃德温的童年好友回忆，他和埃德温于1899年6月23日晚整夜在野地里守着，观看月全食，“我们感到那是一个壮观的景象”。
　中学期间，埃德温在学业上的表现相当优秀，，基本都达到了A等，但品行的评分经常很低。后来他的同学回忆这可能是因为任课教师不喜欢他“自作聪明的提问”。他在运动场上的表现可圈可点，代表学校进行篮球和橄榄球的比赛，并在校运动会上赢得众多项目的头名。1906年6月14日的中学毕业典礼上，他获得了芝加哥大学的奖学金。
　四个月后，1906年10月10日，希望通过就读于刚刚建校14年的芝加哥大学获得罗兹奖学金并赴英国留学的埃德温·哈勃参加了芝加哥大学的开学典礼。一年级他学习一些基础课程，体育上表现依旧出色。此后将大部分精力花在数学和自然科学的学习中，二年级时注册了物理系的电学与光学课程，授课教师是时任副教授的密立根（Robert Andrews Millikan）。1908年他获得了物理方面的大学低年级奖学金，并得到了渴望已久的做密立根实验室助教的机会。
　　正是这一年前后密立根开始了测定元电荷的工作。

青年哈勃

　　埃德温为获得罗兹奖学金，除了数学和自然科学课程外，还修读法文、拉丁文、希腊文、政治经济学和公众舆论课程，并且参与许多校园内的活动。除此之外，他还一直活跃在各种竞技赛的赛场上。罗兹奖学金要求候选者“忠诚、刚毅、忠于职守、同情弱者、无私、仁慈、合群、有道德力量”，还要“对男子室外运动爱好并有所成就”。1909年10月19日与20日，埃德温参加了罗兹奖学金资格考试，在此后三个月中又经层层复试、筛选、面试，最终成为了1910年度伊利诺伊州罗兹奖学金的获得者。那年春夏之交，哈勃一家人在傍晚欣赏了光临地球的哈雷彗星。
　　此时的埃德温·哈勃已经很是坚定地渴望学习天文学，但正向他的祖父对他父亲的安排那样，他的父亲对他的前程怀有固执主张：必须攻读法律，成为一名律师。

中年哈勃

　　1910年9月下旬，埃德温·哈勃乘“加拿大号”抵达利物浦，继而成为了牛津大学女王学院的学生。他试图申请直接进入法律的高级班从而免去准备初级考试的麻烦，但院长看到他的物理背景与法律毫不相干，驳回了申请。于是埃德温不得不投入于学习大量自己不感兴趣的法学课程，但社交和运动也是一样不落，期间还以一星期5本的速度阅读各领域的书籍。
　　罗兹奖学金的资助时限是三年。1913年1月19日，约翰·哈勃去世，当年埃德温结束了学业并回到家乡。
　　1913-1914的学年，埃德温任教于印第安纳州新奥尔巴尼女子中学，教授西班牙语、物理、数学和教练男子篮球。他得到男女学生们的认可和仰慕，也训练出了学校历史上最好的篮球队。
　　人们总是设想学校中面面俱到的优秀学生、乃至最终成为各州罗兹奖学金候选人的那些人，结束学业后理应大有作为，成为总统、法官、驻不列颠大使——正如奖学金委员会曾经表达过的宗旨。而此时，三年前那个“苦心孤诣”打败强劲对手获得留学机会的埃德温·哈勃，不过是中学的教员。

老年哈勃

对于哈勃本人，他的痛苦在于原本学习天文学的愿望被父亲阻止，自知在法律领域难有作为。他认定只有在天文学领域，自己的理想才能实现，而此时已经没有家庭的阻力制止他了。1914年夏，哈勃写信给芝加哥大学天文系教授莫尔顿咨询进入研究生院的前景。
　　经多方联系，哈勃于1914年10月到1916年5月在叶凯士天文台做视向速度和暗弱星云的独立照相研究。他于1916年暑期继续在天文台收集数据，最后一年返回芝加哥大学学习理论课程。
　　1917年5月哈勃匆匆忙忙进行了博士论文答辩，三天后即赴谢里登堡进行军事训练。此后他开始了为期18个月在海内外服兵役的生活。
　　就在这一年，美国天文学家斯来弗(Vesto Melvin Slipher)发现，许多漩涡星系的光谱线中都有巨大的红移，表明它们正以相当大的速度远离银河系；同样是这一年，爱因斯坦发表“根据广义相对论对宇宙学所做的考察”一文，提出“静态、有限、无界”的宇宙模型；这一年，荷兰天文学家德西特(Willem de Sitter)得出另一类静态宇宙模型，其特征为：遥远的钟应走得较慢，因此遥远的原子应该像走慢了的钟那样，光谱线呈现随距离平方而增大的红移；这一年11月，威尔逊山天文台的2.54米口径望远镜投入使用。这些都是在冰封的营地训练的哈勃所不能得知的消息，甚至很难说10年后他对前述三篇文章有多少了解。
　　当初应征入伍时，威尔逊山天文台台长海尔曾许诺哈勃战后提供给他一个职位。1919年9月3日，“哈勃少校”成为威尔逊山太阳观测台的一名员工。

二、哈勃定律的提出(1920-1931）

1931年，Albert Einstein与Edwin Hubble（中）和Walter Adams在威尔逊山天文台。

建于哈勃服兵役期间的威尔逊天文台2.54米口径望远镜一直是他工作资料的重要来源。在他30-40岁的十年间，哈勃通过这台望远镜拍摄和观察了大量“星云”，也就是我们如今所称之的河外星系。这个事实在一个世纪前还是不可想象的，哈勃早期的重要工作成果之一就是论证了星云的本质是“岛宇宙”，即在银河系之外与银河系结构类似的实体。他早期的另一个重大贡献是基于大量观测资料的“哈勃分类法”，即依据形态特征对观测到的“星云”分类，这个体系一直沿用至今。

哈勃对造父变星有大量研究。造父变星是一类脉动变星，它们的特别之处在于其光变周期与其光度（绝对星等）有线性关系，而绝对星等与视星等的转化关系由星体的真实距离决定。因此在测量天体距离的历史上，造父变星占据了重要了地位。哈勃在他拍摄的“星云”边缘识别出造父变星，即可确定这个“星云”的距离。他由此得到了一些深空天体距离的数据。同时，对于这些天体光谱中的红移也被广泛观测到。长期以来人们认为“星云”光谱中的红移是由于多普勒效应，通过红移量可以得到天体的退行速度。哈勃很容易注意到两组测定的数据——“星云”的距离和它们的红移量——有线性关系：红移越大，光源越远。

造父变星（From Wikipedia）

红移示意图

顺理成章地，哈勃得到了光源距离和退行速度的关系，也是线性的。但这个结论在当时的条件下并不能说是显而易见的。首先，暗弱的河外星系并不好观测，光谱分析不容易还会有误差；其次，通过星云边缘的造父变星测定距离的方法虽然是技术上的一大进步，但结果的精确性不算很高，系统误差的主要来源是周光关系的零点无法准确测定（如今也没有什么进展）且造父变星自身分为不同种类，周光关系公式需要以此修正（这是20世纪50年代的发现）。最终哈勃得到了24个“星云”的数据。这些数据经过计算和修正在“距离?退行速度”图上看来依旧相当离散，勉强能看出线性的分布；哈勃又将它们依据距离分划为9个组，再次作图，数据的离散程度稍小。于是哈勃用这两组点拟合出两条直线，代表结论“河外星云的距离与视向速度呈严格线性关系”。这就是他发表于1929年的轰动性文章“河外星云距离与视向速度的关系”，也是后来“哈勃定律”的第一版。

M31（仙女座大星系）

哈勃在发表这篇文章前觉得自己的数据不够理想，而且样本量太少，希望再等一段时间获得更多的数据，发表文章时，文章里的数据拿在手里其实已经有一年多了。两年后，哈勃与合作者赫马森得到了另外50个星云红移数据，这些数据也支持1929年文章的结论。1931年，哈勃和赫马森的论文《河外星云的速度-距离关系》发表在当年第一期《天体物理学》杂志上。一直到1936年，两人都在使用威尔逊山天文台2.54米口径望远镜继续丰富这一工作结果，其中测得大熊座2号星系团的视向速度达到了40000km/sec.

人们很快为哈勃提出的这一关系找到了简洁的表达式：V=KD。V是退行速度，D是距离，K是一个常数，哈勃自己的测定值是558千米/秒·百万秒差距。

赫马森一生都致力于这项观测，1949年，他开始利用刚落成不久的帕洛玛山5．08 m 反射望远镜再度开展这项研究，测得的最大视向速度达60 000km／s(长蛇座星系团)。最后，限于当时的技术条件尚无法克服夜天气辉的影响，此项工作遂告终止。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”为题总结了二十多年来关于“红移定律”的所有工作，同年该文正式发表。

哈勃望远镜

未完待续……