已知的总是有限的，未知的则是无限的；从知识上说，我们像是处
在一个令人费解的无边海洋中的小岛。我们每一代人的任务就是多回收
一点土地。
——T. H.赫胥黎
了解宇宙的人越少，对它的解释就越容易。
——莱昂·布伦士维格
使用不充分的数据所造成的错误要比根本不使用数据所造成的错误
少得多。
——查尔斯·巴贝奇
理论会崩溃，但好的观察永不褪色。
——哈罗·沙普利
首先，获取事实，然后你才能随心所欲地曲解它们。
——马克·吐温
天堂的轮子在你上方，向你展示她永恒的荣耀，但你的眼睛仍然只
盯在地上。
——但丁
科学包含两个互补的链条——理论和实验。理论家考虑的是这个世
界是如何运作的，并建立起描述实在的模型，而实验家则是通过将这些
模型的结果与实际进行比较来检验这些模型。在宇宙学领域，爱因斯
坦、弗里德曼和勒迈特等理论家已经发展出相互竞争的宇宙模型，但如
何来检验它们是个很大的问题：你如何拿整个宇宙来做实验？
谈到做实验，天文学和宇宙学便被其他学科撇到一边去了。生物学
家可以通过触摸、闻味、刺、捅，甚至品尝来感知他们研究的生物对
象。化学家可以通过煮、烧和在试管中混合化学物质来更多地了解它们
的特性。物理学家可以轻松地增加摆的质量和改变摆的长度来研究摆动
为什么呈现这样一种方式。但是，天文学家只能冷眼旁观，绝大多数天
体是那么遥远，他们只能通过检测这些星体发出并到达地球的光来进行
研究。与主动深入各种各样的实验不同，天文学家只能被动地观察宇
宙。换句话说，天文学家只可以看，但无法碰触。
尽管存在这样严重的限制，天文学家还是能够发现关于宇宙及其中
天体的诸多信息。例如，1967年，英国天文学家乔瑟琳·贝尔就发现了
一种被称为脉冲星的新型恒星。当她第一次在记录仪上看见规则的光脉
冲信号时，她将其标记为“LGM”，即“小绿人”，因为它看上去就像智慧
生物播出的一条信息。今天，当她站在讲台上讲授脉冲星时，贝尔·伯
内尔教授（她现在被这么称呼）会让听众传阅一条折叠的小纸带。它上
面说的是：“在拿起这条纸带的时候，你已经用了数千倍于世界上所有
望远镜从所有已知的脉冲星那里收到的能量。”换句话说，像其他恒星
一样，这些脉冲星辐射能量，但它们是那么遥远，天文学家经过几十年
的密集观察，也才收集到来自它们的这么一点点能量。不过，尽管能量
如此微弱，但天文学家已经能够从中推断出有关脉冲星的几个事实。例
如，它们表明，脉冲星是恒星生命的最后阶段，是由称为中子的亚原子
粒子构成的，其直径一般为10千米，它是如此致密，以至于一小匙脉冲
星物质竟重达10亿吨。
只有通过观察收集到尽可能多的信息天文学家才有可能开始检查理
论提出的模型，并检验它们是否正确。而为了检验所有模型中最大的模
型——竞争性的大爆炸模型和稳恒态宇宙模型——天文学家将不得不将
自己的观察技术推向极限。他们必须建造巨型望远镜，它包含硕大无比
的镜面，由几个天文台共同安装调试，设备需要建造巨大的仓室来容
纳，选址在深山山顶上。在我们考察20世纪大望远镜做出的新发现之
前，我们首先需要了解一下截至1900年的望远镜发展的历史，看看这些
早期设备是如何对改变我们的宇宙观做出贡献的。
凝望深空
伽利略之后，在设计和使用望远镜方面的下一个伟大先驱是弗里德
里希·威廉·赫歇尔。赫歇尔于1738年出生在汉诺威，他最初是作为一个
音乐家开始他的职业生涯的，跟着他父亲到汉诺威守备营作一名乐手。
但在1757年的哈斯登柏克战役（七年战争的高潮）之中，他考虑要改变
职业生涯。他遭到猛烈的炮火袭击，决定放弃他的工作和国家，到国外
去过一种较为安静的音乐家生活。他选择了定居英国，因为此前汉诺威
的乔治·路易斯已于1714年作为乔治一世登上英国王位，从而建立了汉
诺威王朝。赫歇尔认为他去那儿应能获得表示同情的欢迎。他为自己取
了个英国化的名字，叫威廉·赫歇尔，并在巴斯买了一套房子，由此作
为一个优秀的双簧管演奏家、作曲家、指挥家和音乐老师过上了舒适的
生活。然而，随着岁月的流逝，赫歇尔逐步对天文学感兴趣起来。这种
兴趣从最初的业余爱好慢慢变成一种全身心的投入。最终他成为了一名
全职的专业天文学家，并被他的同行们认为是18世纪最伟大的天文学
家。
图32 威廉·赫歇尔，18世纪最著名的天文学家。为在夜晚观星，他穿着大衣戴着围巾。
赫歇尔在1781年做出了他最有名的发现。他白手起家建造了一个望
远镜，并在家里的花园里进行观察。他经过几个晚上的观察，辩认出天
空中有一个新的天体在缓慢地移动。他开始以为这是一颗以前未曾发现
的彗星，直到它变得清晰他才看清楚，这个天体没有尾巴，实际上是一
颗新的行星，太阳系增加了一个大的成员。千百年来，天文学家只知
道，除了地球外，还有其他5颗肉眼可见的行星（水星、金星、火星、
木星和土星），但现在赫歇尔确定了一个全新的世界。他将它命名为
Georgium Sidus（乔治之星），以纪念他的君主英王乔治三世，一位汉
诺威老乡。但法国天文学家主张称这颗新的行星为“赫歇尔”，以纪念其
发现者。最后这颗行星被命名为Uranus（天王星）——罗马神话中
Saturn（土星）之父，Jupiter（木星）之祖父。
在后花园工作的威廉·赫歇尔，在欧洲奢华的宫廷天文台失败的地
方获得了成功。他的妹妹卡罗琳一直担任他的助手，在助他成功上起到
了至关重要的作用。虽然她自己就是一位杰出的天文学家，在她的职业
生涯中曾发现了8颗彗星，但她却全身心地投入到支持威廉的工作中。
在建造新望远镜的那段艰苦日子里，她和他并肩奋斗；在漫长寒冷的夜
晚，她协助他观察夜空。她曾写道：“每个片刻闲暇都被抓来用于恢复
一些进行中的工作，没时间考虑是否要换件外套，天长日久，衣服上一
道道褶子被磨破，前后都沾满了溅上去的树脂……我甚至不得不把食物
弄碎了喂到他嘴里。”
卡罗琳·赫歇尔提到的树脂是她哥哥用来作为抛光镜面的材料的。
事实上，威廉对建造自己的望远镜感到非常自豪。作为一个望远镜制造
者，他完全是自学成才，但他硬是凭借过硬的本领建造了当时世界上最
好的望远镜。他的一架望远镜放大倍数可以达到2010倍，而皇家天文学
家的最佳望远镜还只能达到270倍。
对任何望远镜，倍数当然是越高越好，但更重要的是它的集光能
力，这可完全依赖于它的孔径，即主反射镜面或透镜的直径。肉眼可以
看到的只有几千颗星星，而带大孔径的望远镜则展开一幅全新的前景。
像伽利略用的那种非常小的望远镜可以将肉眼看不清的恒星展示在眼
前，但对于更暗的星星就没有办法了。具有较宽口径的望远镜则能够捕
捉、聚焦星光并将其放大到更高的倍数，这样较暗的、更加遥远的不可
见的恒星就变得可见了。
1789年，赫歇尔建造了一架镜面直径达1.2米的望远镜，它具有当
时世界上最大的望远镜的孔径。不幸的是，它有12米长，这使它变得如
此笨重，以至于在望远镜被调到正确指向之前，宝贵的观测时间已经错
过了。另一个问题是，镜面必须用铜质基架来支撑重量，而这带来的是
它很快遭到锈蚀，抵消掉了它出色的聚光能力。1815年，赫歇尔不得不
放弃这个怪物，改用小一点的望远镜（孔径0.475米、长6米）进行他此
后的大部分观测。这架望远镜在灵敏性和实用性之间取得了平衡。
图33 在发现了天王星之后，赫歇尔搬到了斯劳，这地方的气候比巴斯更温和，也让他更接近
他的赞助人，英王乔治三世。后者授予他每年200英镑的津贴，并资助他建造了创纪录的直径
1.2米，长12米的望远镜。
赫歇尔的一个主要研究项目是利用他的超级望远镜测量数百颗恒星
的距离。他采用的粗略假设是，所有恒星发出同等亮度的光，而且观测
到的亮度随距离平方的增大而降低。例如，如果一个恒星的距离是另一
颗同等亮度恒星的距离的3倍，那么它在望远镜上显示的亮度就只有后
者的1/32（或1/9）。反过来也一样，赫歇尔假定，一颗恒星探测到的亮
度如果只有另一颗的1/9，那么前者的距离就是后者的3倍。以夜空中最
亮的恒星天狼星为参考星，他根据到天狼星的距离——他定义的恒星距
离单位，称为秒差距（siriometer）——的倍数，确定了他所测得的所有
恒星的距离。因此，一颗恒星，如果其亮度只有天狼星的1/49（或
1/72），那么它的距离就是天狼星的7倍，即7个秒差距。虽然赫歇尔知
道不可能所有的恒星都一样亮，因此他的方法不是很准确，但他仍然相
信，他是在构建一个基本有效的三维天图。
虽然我们可以合理地认为，恒星在各个方向，在所有距离上应该是
均匀分布的，但赫歇尔的数据却强烈暗示，恒星事实上聚集在一个扁平
的圆盘上，很像一个圆煎饼。这个巨大的煎饼的直径有1000个秒差距，
厚度约100个秒差距。赫歇尔宇宙中的恒星不是延伸到无穷远，而是都
包含在一个联系紧密的群落内。想象这种恒星分布的一个方法是将它设
想为一个散布着葡萄干的煎饼，每一颗葡萄干代表一颗恒星。
这种宇宙观与我们看到的夜空的最著名的特征完全契合。如果你想
象一下，我们处在煎饼内的某颗恒星上，那么我们将看到，在我们的前
后左右都有很多恒星，但在我们的上方和下方，恒星却较少，因为煎饼
很薄。因此，鉴于我们在宇宙中的有利位置，我们预料会看到星光都集
中在我们周边——事实上从夜空中我们能看到这样的星带（只要你远离
城市夜晚明亮的灯光）。古代天文学家非常了解夜空的这一特征。在拉
丁语中这条星带叫作银河，意思是“牛奶路”，因为它有一种朦胧的、乳
白色的质感。虽然古人看得不是很清楚，但使用望远镜的第一代天文学
家则可以看到，这条乳白色的带实际上是由一个个的恒星汇集起来形成
的，有些恒星太遥远很难被肉眼看清楚。这些恒星都位于我们周围的煎
饼样的平面内。一旦宇宙的煎饼模型被接受，我们很快就知道这个星饼
就是我们生活在其中的银河系。
由于银河系理应包含宇宙中所有的星星，因此银河系的大小实际上
就是宇宙的大小。虽然赫歇尔已估计出银河系的直径和厚度分别为1000
和100个秒差距，但直到他于1822年去世，他并不知道1个秒差距相当于
多少千米。因此他无从知道银河系在绝对意义上的大小。要将秒差距转
换成千米数，就需要有人来测量天狼星的距离。实现这一目标的重要一
步发生在1838年，这一年德国天文学家弗里德里希·威廉·贝塞尔成为第
一个测量一颗恒星的距离的人。
恒星距离之谜已困扰了几代天文学家，这个未解决的问题一直是哥
