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物理學 1929

河外星雲的距離與視向速度之間的關係

埃德溫·哈伯

星系越遠,逃離越快——這是整個宇宙正在膨脹的第一個跡象。

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In depth · the introduction

向太空望得夠遠,幾乎每一個星系都在朝我們飛奔而去——而它越遠,逃得越快。

核心想法

1929 年,埃德溫·哈伯把星系有多遠,和它們動得有多快,放在一起比較,發現了一條簡單得驚人的規則:一個遠一倍的星系,逃得也快一倍。一個星系的速度,不過是它的距離乘以一個固定的數——如今我們稱之為哈伯常數。

我們所在的地址並無特別——從任何一個星系望出去,看到的都是同一回事。唯一能解釋它的圖景,是一個膨脹的宇宙:空間本身在伸展,像發起來的麵團裡的葡萄乾那樣,把星系彼此帶開。把這膨脹倒回去,萬物曾經擠作一團——這正是大霹靂構想的種子。

它是如何誕生的

哈伯在加利福尼亞的威爾遜山工作,用著當時世界上最大的望遠鏡。為了量距離,他倚靠一種會脈動的特殊恆星——造父變星,牠們均勻的明暗起伏,洩露了牠們有多遠。速度則更難得:幾乎所有這些速度,都是維斯托·斯里弗在多年前一點一點測出來的,是他最先注意到,那些暗弱的「旋渦星雲」幾乎都在朝我們遠去。

哈伯把兩者對畫在一起,看見了那條線。但他並非真正的第一人:比利時的神父兼物理學家喬治·勒梅特,早在兩年前就從愛因斯坦的重力推出了同一條定律,甚至估出了那個數——只是他用法文發表在一份幾乎無人問津的期刊上。正因如此,如今這條規則常被稱作哈伯–勒梅特定律。

它為何重要

在哈伯之前,大多數科學家——包括愛因斯坦——都假定宇宙是靜止而永恆的。一張暗弱的圖,推翻了這一切。一個會膨脹的宇宙,是一個有歷史、有起點的宇宙;而正是這一轉變,推開了整個現代宇宙學的門:大霹靂、宇宙的年齡,以及這一切將如何收場的疑問。

一個可以想像的畫面

在一隻氣球上畫些點,然後開始吹它。每一個點都在離開其他每一個點,而遠一倍的點,離開得也快一倍——可沒有哪個點是中心;只是整張橡皮面在伸展。星系是那些點,空間是那層橡皮——這正是哈伯在星空中讀到的圖樣。

可互動的哈伯圖:一群星系以退行速度對距離繪成散點;拖動滑桿改變哈伯常數 H₀,讓直線 v = H₀·d 傾斜著穿過這些點,旁邊的面板讀出 H₀、由 1/H₀ 推出的宇宙年齡(以十億年計),以及 100 兆秒差距處的速度。

它的位置

哈伯定律立足於愛因斯坦的廣義相對論(1915),而弗里德曼與勒梅特早已表明,那些方程式能描述一個膨脹的宇宙。它向前延伸,連到 1965 年發現的宇宙微弱背景熱,連到 1998 年關於膨脹正在加速的發現,也連到今天的重力波天文台——就像本館中的 LIGO——牠們如今提供了一種全新而獨立的途徑,去稱量同一個哈伯常數。

The original document
Original source text
Edwin Hubble · Proc. Natl. Acad. Sci. USA 15 (1929): 168–173 · communicated January 17, 1929
Determinations of the motion of the sun with respect to the extra-galactic nebulae have involved a K term of several hundred kilometers which appears to be variable.
[ … ]
The results establish a roughly linear relation between velocities and distances among nebulae for which velocities have been previously published, and the relation appears to dominate the distribution of velocities.
Adopted coefficient: K = +500 km./sec. per million parsecs (the regression gives +465 ± 50). In modern notation H₀ ≈ 500 km/s/Mpc — about seven times the value measured today.
[ … ]
The outstanding feature, however, is the possibility that the velocity-distance relation may represent the de Sitter effect, and hence that numerical data may be introduced into discussions of the general curvature of space.
Mount Wilson Observatory, Carnegie Institution of Washington · 1929