那一天，我們發現了宇宙–哈伯及當時的科學家
106/01/09
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張嘉泓｜
臺灣師範大學物理學系副教授
在1925年一月一日哈伯正式發表他的結果之前，我們所了解的整個宇宙，就是太陽系所在的銀河。哈伯對仙女座星雲的距離測量，卻顯示它遠在銀河系的範圍之外。也就是，在那一天，我們發現了銀河系之外還有一整個宇宙，正等待我們去探索。有趣的是，哈伯本人竟然沒有到場發表他的結果。更令人驚訝的，接下來的測量顯示，哈伯所發現的竟然是一個動態的宇宙。這個結果，顛覆了科學界，包括愛因斯坦，對大尺度宇宙先入為主的觀念。就這樣，揭開了現代宇宙論的序幕。我們將從哈伯、他周圍的科學社群以及當時的觀測儀器出發，來介紹這個有趣的故事。
講演綱要（撰文｜高英哲）
在二十世紀初的時候，人們認為銀河系就是整個宇宙，範圍大約是數萬光年；所有看得到的星星，全都在銀河系內。把這個認知推翻的功績，我們如今歸諸於哈伯，不過他是站在哪些前人的研究基礎上，又是在什麼樣的社會脈絡下，造就他如今的歷史定位？
故事的開端發生在美國最古老的洛厄爾天文台（Lowell Observatory），當初這座天文台主要的工作是觀測火星人（別懷疑，他們是認真的）。1913 年某一天，在洛厄爾天文台工作的天文學家斯里弗（Vesto Slipher），接到了台長指示，要對仙女座「星雲」進行觀測，因為當時天文學家認為星雲是銀河系中的星塵，研究星雲可藉此了解行星的組成成分。斯里弗對仙女座「星雲」進行光譜分析，意外發現包括仙女座在內，許多星雲都有紅移現象，顯示它們運動速度極快，且大多離我們遠去，看起來不像是在銀河系中。他其實算是第一個觀測到宇宙擴張現象的人，只是他當時並未理解到這個事實，後來光彩大多被哈伯給搶走。
要證明宇宙擴張現象，無可避免地一定要有星體測距的技術，但是這對於在地球上進行觀測的二維星空來說，是一件非常困難的事。哈伯所用觀測變星亮度的測距方法，要歸功於哈佛天文台的女性天文學家勒維特 （Henrietta Swan Leavitt）。值得一提的是勒維特並非哈佛天文台聘雇的天文學家，而是當時的台長皮克林（Edward Charles Pickering）找來整理大量觀測資料，被戲稱為「皮克林的後宮」的女性「計算員」其中一員；但她整理出來的資料可真夠嚇人的了，一共列舉了 1,777 顆變星，並以此歸納出造父變星的絕對亮度，與變化週期成正比的關係，由此奠定測量絕對亮度來推估距離的基礎。
實際上去觀測變星亮度，並且計算其距離的，首推威爾遜山天文台（Mount Wilson Observatory）的天文學家沙普利（Harlow Shapley）。他根據透過 60 英吋海爾望遠鏡，所觀測球狀星團中造父變星的結果，推估這些星團與太陽系之間的距離，結果發現太陽系非但不是座落在銀河系中心，實際上反而離中心十分遙遠，有 65,000 光年之譜；整個銀河系的大小事實上達到 30 萬光年，比原先大家想的大了一個數量級。
最後輪到哈伯登場，他在 1919 年利用威爾遜山天文台新落成的 100 英吋虎克望遠鏡，完成他的關鍵計算，確定了許多所謂的「星雲」，其實是銀河系外的星系。他在仙女座「星雲」裡找到一顆造父變星，並藉此推估出仙女座距離太陽系有 250 萬光年之遙，遠遠超出人們原先的預期。很明顯地仙女座並非是星雲，而是位在銀河系之外的獨立星系，人類也因此確認了宇宙的範圍，絕對不僅止於銀河系的事實。
在 30 年後，已經名滿天下的哈伯，又主持了位於帕洛馬山天文台（Palomar Observatory），200 英吋海爾望遠鏡的觀測工作。工欲善其事，必先利其器，從哈伯靠著大口徑望遠鏡功成名就的事實，我們發現實驗器材對於科學的發展，有時候比起先行的觀念，具有更關鍵的影響力；而一個像美國當時那樣富足的社會，對於科學發展不遺餘力的贊助，更是加速研究突破不可或缺的推手。
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