2026年11月11日星期三

我們不孤獨 – 第四章 - 我們的宇宙是唯一的?

最近十年來,科學已對着宇宙打開了巨眼。加州三座大型望遠鏡的鏡片,直徑從 100到 200吋不等,能收集到天空中不到一臂之長等面積下的光線,雖然這些儀器重達數噸,其繃緊的發條卻能使它們每小時都對準着天空中移動的一點,使得照相底片能感到來自遙遠的光線。更進一步,此種底片能跟住恆星 ––– 我們銀河系中一個小樣品。更有甚者,這些恆星,在許多相片看來,它們可以看成是遙遠的星團。

然而,我們自己銀河的資料是相當的貧乏,甚至帕洛馬山上的 200吋望遠鏡,也無法看到銀河中心,因為它完全隱藏在塵雲和氣體之中,只有用新的無線電望遠鏡,才可利用無線電的放射,「看到」銀河中心。

有人認為銀河是由一環恆星圍繞宇宙組成的,但在 1750年,英國杜爾罕的萊特(個別指導教師與儀器製造者),出版了『宇宙的起源理論或是新假設』一書,他說恆星是多多少少介於兩個平行平面之間,如同未知尺碼的巨型三文治一樣,太陽位於兩平面的中央,因此當我們朝任一個平面向「外」看,我們只看到極少數的恆星,如果我們能與平面平行地看去,就會看到似乎是無法穿透我銀河星雲。太陽位於中央面上,或者靠近中央面,他說:「不只是很有可能,而是相當有可能 ⋯⋯ 有無數個世界,位於宇宙不同的部位上,現在,我們沒有理由去假設我們太陽的性質不同於別的恆星 ⋯⋯ 我們如何能夠以任何理由,去想像它就是整個的中心呢 ⋯⋯?」

不管這個天文學理論如何講法,它假設我們的太陽是位於靠近於萬物的中央,萊特認為我們的銀河只是許多相同系統中的一個而已,他說:「萬物充滿已知宇宙中 ⋯⋯ 沒有一個恆星或特殊的組成有可能例外;但外界萬物距我們太遙遠,甚至我們的望遠鏡也無法視及。」

偉大的德國宇宙哲學家康德,將此觀念發揚光大,他在 1755年出版討論『島形宇宙』著名於世,他指出如果這些宇宙(銀河)是盤狀的,那麼在一種傾斜角度看來,就呈橢圓形,事實上,這就是用望遠鏡所看到的許多星雲我形狀。

我們首次對銀河結構做有系統的研究,是英國喬治三世時期的天文學家赫謝爾所帶頭的,他先計算天空中不同部位的恆星,然後看見有那種宇宙模式最適合的觀測 ––– 在本世紀初期,由荷蘭天文學家卜丁所完成。在 1785年,赫謝爾宣稱太陽位於靠近恆星平面系統的中心,銀河的寛為厚的五倍,他首先同意萊特所說的星雲或雲點,是相距遙遠的同類銀河,然而,當他想用改良望遠鏡證明許多發光物體為個別恆星時,却失敗了,他修正了觀點,並說它們是「發光流體」的奇異物體。

在天文學家的浪潮退了一百年後,到了十九世紀中期,開始用強力的望遠鏡來分析一些螺旋星雲的恆星,而且同時光譜儀的出現,在天文上打開了領域,並提高了對星雲的懷疑程度。因為恆星距離太遠,除了光點之外,甚麼都無法看見,今日有關它們的大半知識就是基於對其光譜的研究,由此我們不只是知曉了它們的組成,也知曉了它們的表面溫度、磁性、旋轉速率、朝我們或遠離我們運行,或者兩者都有(在某些雙星系中是如此)。我們已發現,在某些不規則形狀星雲中放出的光線,顯示出一道明亮氣體的「亮線」光譜,和其他恆星不同,這使人懷疑到每個星雲,事實上是遙遠的星辰放出的雲塵,而且,愈來愈多的對稱型星雲似乎聚集在我們銀河的兩極,位於中央平面的上方和下方,形成完整的一部分。

今日,我們知曉有兩大類星雲:一種是不規則的氣體雲,由附近的恆星輻射面放出光來。另一種是對稱的型式,和別的銀河相另遙遠,我們也知道它們似乎簡單地聚集在我們銀河的兩極,因為沿着銀沿平面的塵雲模糊了我們我視線之故。直到 1924年,才由威爾生山觀測臺的哈伯做了最後的證明,他證明了尚有其他的銀河,而我們的銀河並不是位於宇宙的中央,就如同地球在太陽系中一樣,他所用的工具和謝卜雷一樣,後者證明了太陽距離我們銀河中心相當遙遠,這座望遠鏡以發現仙王座的變化而聞名於世。

早在十六世紀,就注意到鯨魚座中的一顆星會不規則的出現消失,其周期 ––– 每次再現的間隔時間 ––– 為一年,加上「變」星的發現,才知道它們大多數不是消失不見,而是像光的開關一樣,一開一關,有種特定的旋律,最後證明了它們是和一個暗星在跳「華爾茲」,當暗星移到地球與可見星之間時,可見星就變的陰暗或發生星蝕。然而,另一種型式陰暗得較慢,然後迅速地回復最大亮度,依照光譜的改變,顯示出恆星的實際改變。

其中最顯眼的是位於仙王座中的恆星,因此它們就以仙王座變星聞名,最著名及最近的一顆是北極星,它的脈動率是 3.97天。變星的改變周期範圍,從數分鐘到一年之久不等。

到了十九世紀末,哈佛大學觀測臺開始了有系統的研究,他們比較攝自天空中同一地區不同時間的照片,到了 1910年,已知曉了四千個變星,其中有三千個是在哈佛發現的。來自南半球的資料是由秘魯安第斯山上的大學所做的,在麻州觀測所的李維特,研究出現在兩個麥哲倫星雲照片中的變星,麥哲倫星雲被歸類為不規則星團,是宇宙中距我們最近的鄰居。

李維特小姐和同伴列出了這兩個星雲中的 1,777個變星,她專門研究小麥哲倫星雲的資料,在 1904年,她出版了『膾炙人口的發現』,她說那是「這些變星的亮度和周期長度之間顯著的關係」。

恆星的脈動率愈慢,光度愈亮。她指出聚集在一起的那些相當遙遠的星,都可以視為相同的距離,因此,它們亮度的不同是它們的本質,並不是距離不同的結果。

起初,這發現似乎只對試圖說明變星的行為感興趣而已,然而,丹麥天文學家赫茲蒲朗就馬上看出這些星的意義,可當做宇宙的潛在尺碼,由於光線隨距離的幽暗,可用一個著名的定律來說明,因此如一顆仙王座變星的距離已知,則其本質亮度可以計算出來,然後,利用簡化了的任何別個仙王座的脈動率時間,就可回算出它可能的距離,問題是沒有人能靠近得使它們的距離能用三角法測量出來,甚至利用最長的基線 ––– 聯接地球圍繞太陽的軌度上相對的兩點 ––– 來協助我們,也做不到。然而,有一種原始的方法可資利用,就是分析它們與星際背景的相對移動,平均而言,一顆星和別的星的相關位置改變得愈快,它的距離愈近,用這種方法,赫茲蒲朗在 1913年得到了十三個仙王座附近恆星得大略距離,謝卜雷不久也着手同樣的問題,雖然仍不太完整,但也得到蛛絲馬跡。

既得到了尺碼,謝卜雷就馬上在威爾生山上用它來着手一個長久以來困惑天文學家的問題,稱之為球狀星團的特殊分佈,它們很像美麗對稱的蜂巢,它們包括數十萬顆恆星,最迷惑人的是位於人馬座的星團,其中三分之一可以看得見,只佔百分之二以下的數目。

幸運地,球狀星團含有極多的變星,謝卜雷以他的尺碼展開工作,用三度空間列出球狀星團的真正分佈情形,他發現它們分佈成球狀區域,大得使他的同僚都不相信,它們在此球內的分佈,證明了我們銀河中心面的對稱情形,如他的研究,有四十六個在此面上方,四十七個在此面下方,最奇妙的是,這個球的中間 ––– 就是他假設的銀河中心 ––– 按照他的計算,却距離人馬座有五萬光年之遙,一光年是光走一年的距離,光速是每秒 186,000哩,依此算出,光線從太陽到地球只花八分鐘,謝卜雷估計恆星的盤狀系統形成我們的銀河,是對稱形的,有三十萬光年寛,三萬光年厚。

他的發現,出版於 1918年,造成了大轟動,他的銀河模型比一般接受的模型大上十倍。而似乎很難相信太陽是如此地遠離銀河中心。在當時,用他自己的話說,謝卜雷是個「乳臭未乾的小子」,却受里克觀測臺的柯提斯所注意,他是那個時代天文學大人物。討論是如此地熱烈,而又引起廣泛興趣,國家科學院遂舉行謝卜雷與柯提斯之間的公開討論會,日期是 1920年 4月 26日,結論證明謝卜雷是對的。但是就像當時其他人一樣,他不瞭解塵雲和氣體的散佈,會弄暗了遙遠恆星的光度,因此高估了他的距離,目前認為銀河的寛度範圍從八萬到十萬光年,其厚度約二萬五千光年。

另外一項問題是科學院所稱的「大爭論」 ––– 關於島形宇宙的不斷爭辯 ––– 這次柯提斯的證明是對的,而謝卜雷錯了。謝卜雷以一份報告的觀點認為一些這種物體(螺旋星雲)是飄浮在星際空間,它們相當靠近,但柯提斯說它們是像我們的銀河一樣的別的銀河,四年後,哈伯利用威爾生山的 100吋望遠鏡提出報告,他確定了仙女座大螺旋星雲中的仙王座變星,仙王座和其他物體比較,顯示它們距離有一百萬光年以上,而且清楚看出它們是姐妹銀河,它們的螺旋星雲團繞着球狀明亮的中心,有人說位於它的中心要繪出銀河的圖像,就如同站在中央公園要繪紐約的地圖一樣地困難。

謝卜雷對於他將太陽從中心移走的說法,感到深思熟慮,「此次移動,」他在 1958年寫道,「我們對宇宙的觀念着實向前了一大步 ––– 這是毫無疑問不能改變的一步,我們必須習慣一項事實,就是我們位於邊緣上,我們沿着太陽旋轉,是在銀河的外圍邊上,這是個數十億顆恆星組成的銀河。」

因此,到 1950年末,我們又回到思想的列車上,那是控制布魯諾時代人們的列車,謝卜雷在他從哈佛大學觀測臺退休之後說:「沒有任何研究的領域,會比研究尋找星際太空中充滿神秘可居地的人類,來得令人神往。」

不管此種可居地是如何的罕見,他又說無數的恆星已證明自己的存在,「盡我們所能言的,同樣的物理定律遍行各處,同樣的定律則應用在銀河中心、遙遠的星團、以及太陽附近的恆星,利用普通的宇宙物理學和化學,我們就不能期望在各處發現動植物嗎?那似乎是完全合理的;我們馬上可以說那是想當然耳的。」