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宇宙膨胀是如何被发现的?高山科学经典导读《星云世界》

2023年9月30日晚八点,由北京市科委、中关村管委会科普专项经费资助的科学传播公益项目“高山科学经典”邀请到了中国科学技术大学教授薛永泉,天文学家、资深科普作家、出版专家卞毓麟,此念文化创始人、高山书院2017级同学毛思翩,一起为大众导读哈勃的著作《星云世界》。

当听到“哈勃”这个名字的时候,大多数人首先可能会联想到那架著名的空间望远镜。作为人类远眺广袤宇宙的眼睛,哈勃望远镜为我们展示了一幅幅清晰且震撼的宇宙图景,让我们有幸能触碰亿万光年外的神秘。

然而,为什么以哈勃来命名这架望远镜?哈勃的名字意味着什么?

这一切都与人类对宇宙的认知有关。

16世纪,哥白尼确立日心说,人们开始认识到地球并不是宇宙的中心;2个世纪后,威廉·赫歇尔(William Herschel)建立银河系模型,人们发现太阳只是银河系中数亿颗恒星之一;又过了2个世纪,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)对河外星系的确定,使人们意识到,银河系也只是这个世界的沧海一粟。

哈勃改变了400年来人们对宇宙以及在宇宙中位置的认知。他把我们的视野引向河外星系世界,向我们打开了前所未有的空间深度。因此,他也被称为“20世纪的哥白尼”。

《星云世界》是哈勃撰写的一部名著,对空间的进展、星云的分布、特征、距离、速度等做了系统的论述。导读中,薛永泉教授介绍到,这本书主要生动形象地展示了哈勃如何一步步地完成了三个非常重要的天文学成就。

薛永泉教授在高山科学经典导读现场

首先是一锤定音地解决了旋涡星云的本质问题。其实早在100多年前,天文学家们就已经拍摄到了漩涡星云,但当时人们还不确定是银河系里面的星云还是河外星系。在学术界争论不休之际,“哈勃在旋涡星云仙女座星云里发现了一个很特别的恒星——造父变星,根据它特殊的周光关系,哈勃观测发现它离我们的距离远远大于当时人们所认识的银河系的尺度。”薛永泉教授讲到,“毫无疑问,仙女座大星云是银河系外面的一个星系。”

哈勃的第二大成就是建立了沿用至今的哈勃星系形态序列。人类借助望远镜能观测拍摄到众多河外星系的照片,哈勃便基于此研究它们的形态,将之分为椭圆星系、漩涡星系和不规则星系,还有介于其间的中间形态。薛永泉教授认为:“哈勃通过对这些星系进行形态的分类,建立了一个星云世界的秩序。”

哈勃的第三大成就是发现“哈勃定律”,支持了宇宙正在膨胀的观念。哈勃通过拍摄星系的光谱,测量星系的红移和蓝移。薛永泉教授在导读中详细解释道:“如果这个星系朝向我们银河系运动,它的谱线就会产生蓝移,因为它的频率会变高,这个跟多普勒效应是类似的,如果星系在远离我们而去,它的谱线就会产生红移,因为它的频率会变低,波长变长。”哈勃就观测计算这些星系的运动,发现星系整体上都在离我们越来越远,这就意味着整个宇宙是在膨胀的,这一发现直接推动了宇宙膨胀观念和宇宙大爆炸假说的发展,被霍金赞为20世纪一项伟大的理性革命。

其实,早在1915—1916年,爱因斯坦在广义相对论中就曾预测到宇宙是膨胀的,然而“为维持宇宙的稳定”,他不惜假设宇宙常数项来“修正”自己的理论。在得知哈勃的发现之后,爱因斯坦特意拜访了在威尔逊山天文台的哈勃,最终承认宇宙膨胀,并称“引入宇宙学常数是我一生中所犯的最大错误”。

哈勃是怎样一个人?

卞毓麟老师1965年毕业于南京大学天文学系,先后任职中国科学院北京天文台(今国家天文台)和上海教育出版社。致力科普创作40余年,著译图书30余种,发表科普和科学文化类文章约800篇。圆桌论坛环节,对谈嘉宾卞毓麟老师介绍,哈勃从小就热爱天文学,大学是上芝加哥大学天文系,中间去了牛津大学学法律,毕业后很短暂地开了一家律师事务所,但马上又回到了天文。“天文是他一辈子的情结。”

卞毓麟老师在高山科学经典导读现场

卞毓麟老师还分享到:“我有两件事情是非常高兴。第一件事情,我会听到很多人跟我讲‘丁老师,我看过你写的书,如何如如何……’我听到非常高兴。第二件非常高兴的事情,现在的天文学发展那么快,中国就有那么多新的设备,依据这个取得了那么多成就,我跟不上了,我非常开心的是,我要想向比我年轻的天文学家们请教,他们都会讲给我听。”

天文学发展离不开国家的支持,离不开专家们的研究,也离不开广大人民的关注。圆桌对谈最后,薛教授寄语:“我希望每个人都能追逐属于自己的梦想,属于自己的宇宙。”

高山科学经典圆桌论坛环节

与科学家一起读好书,“高山科学经典”是一个由高山书院发起的公益科学传播项目。邀请百位知名科学家每周导读一本科学经典书籍,引领公众参与阅读的大型科学传播公益项目,旨在提升全民科学素养、培育科学精神、传播科学思想。期望在全民学科学的时代背景下,高山科学经典能在科学传播领域尽一份绵薄之力。

高山科学经典项目书单

高山科学经典的目标是,让科学精神通过书籍,跨越地域、阶层、年龄、民族的界限,传播到每个角落、每个人心中。希望科学成为一种生活方式。与科学家们跨界对谈,让科学更有趣。

高山科学经典世界读书日发布会现场

未来,“高山科学经典”项目将打造三大重点产品:出版《高山科学经典》系列丛书;开展线上导读直播;沉淀专业级科学导读视频节目。达到出版、传播、教育多重效应。开展全民科学阅读,共同推动“科学复兴”,提升全民族科学文化素质,实现“公心大用”。

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