白尼日心说的软肋之一。在第1章里我们了解到，如果地球绕太阳运.3
人显然格格不入，后者喜欢身着牛津的斜纹软呢外套，动辄就叫
道：“哦天哪！”或者“这什么呀！”，而且一天好几次。哈勃喜欢成为人
们关注的焦点。他特得意的是能够划着一根火柴，让它在空中翻转
360°，然后接住并点燃他的石楠木烟斗。他是个精湛的表演者，而沙普
利则完全相反，很不屑这样出风头。最糟糕的是，沙普利曾极力反对美
国卷入战争，但哈勃却坚持每天穿着他的军用风衣来天文台上班。
这种常年的个性冲突在1921年结束了，这一年沙普利离开威尔逊山
出任哈佛大学天文台主任一职。这显然是对沙普利的提升，部分原因是
为了表彰他在尚未解决的大辩论中的主导作用，但移师东海岸后来被证
明竟然是一场灾难。虽然他躲开了哈勃，并得到了久负盛名的主管职
位，但沙普利也脱离了在未来四十年里将主宰天文学的天文台主战场。
威尔逊山拥有世界上最强大的望远镜，注定将成为孕育天文学下一个伟
大突破的天文台。
哈勃补缺自然地升了一级，逐渐获得了更多的使用望远镜的时间，
并表态要拍出最佳的星云照片。每当他的名字出现在观测日程表上时，
他都会风尘仆仆地沿着陡峭崎岖的山路登上1740米高的威尔逊山主峰，
并在那里度过几天的修道院般的生活，在这个只有男人待的地方放弃与
外界的联系，潜心注目于太空。
图47 埃德温·哈勃（左）与同事在操纵威尔逊山天文台的100英寸胡克望远镜。图48显示了整
个望远镜。
这可能会给人一种天文学家是那种整夜陷入沉思和古怪的冥想方士
的印象，但实际上天文观测是一项很艰苦的工作。它要求观察者在几小
时的时间里精力高度集中，要克服整晚上睡眠被剥夺的痛苦。更糟糕的
是，威尔逊山上的温度经常处于冰点以下，这意味着必须用冻得发僵疼
痛的手指去进行望远镜方向的精细调节，而睫毛可能因泪水成冰而与目
镜冻结在一起。天文台的日志上有这么几句提供警示的话：“当你疲
倦、寒冷和犯困的时候，千万不要不停歇不加思考地挪动望远镜或穹
顶。”只有最勤奋和最坚定的观察者才能取得成功。最顽强的天文学家
们在至高无上的精神品质和身体素质要求方面都堪称楷模，他们能够抑
制自己的颤抖，以免引起拍摄仪器的晃动，因为它抓取的是无价的宇宙
图像。
图48 位于威尔逊山天文台的圆顶内的100英寸（2.5米）胡克望远镜。这是当时世界上最强大
的望远镜，1923年，哈勃正是利用它进行了历史性的观察。
1923年10月4日这天的晚上，算来他来到威尔逊山已经4年过去了，
哈勃用100英寸望远镜进行观测。观测条件被评为1级，就是说虽然视宁
度较差，但在穹顶被关闭前还允许观测。他设法对准仙女座星云M31曝
光了40分钟。经显影并在白天对照片研究之后，他发现了一个新的斑
点，他认为这既可能是照相底片的污迹也可能是一颗新星。第二天晚
上，他当班的最后一个观测日，天气比上一晚清晰得多，他对M31进行
了重复曝光，并延时5分钟，希望这次能够确认这是颗新星。斑点再次
出现在那里，而且这次有另外两个可能的新星加入到底片里。他在底版
上在每个候选新星的旁边用“N”将其标示出来。使用望远镜的时间结束
后，他立即回到了自己在帕萨迪纳圣巴巴拉大街的办公室和感光板库。
哈勃急于将他的新版与以前拍摄的同一个星云的底版进行比较，看
看是否真的是新星。天文台的所有照相底片都被存储在一个抗震的地下
室内，经过精心编目和分类，因此找到合适的底版并检查候选新星是一
件简单的事情。好消息是，这两个斑点确实是新的新星，而更令人振奋
的是，第三个斑点不是一颗新星，而是造父变星。这第三颗星在一些早
期的底版上曾有记录，但在其他底版上却没有，这说明它是可变的。哈
勃取得了他职业生涯中最伟大的发现。他很快叉掉了“N”并得意洋洋地
注上“VAR！”，如图49所示。
这是在星云中发现的第一颗造父变星。让这一发现变得如此重要的
是造父变星可以用来测量距离，所以哈勃现在可以测量到仙女座星云的
距离，并由此得出一举解决大辩论的问题：到底星云实体是在我们银河
系内，还是它们本身就是像我们一样的星系，而且离我们很远？这颗新
发现的造父变星的明暗周期超过31.415天，所以哈勃可以用莱维特的方
法来计算这颗恒星的绝对亮度。结果证明，这颗造父变星的亮度是太阳
的7000倍。通过比较其绝对亮度和视亮度，哈勃推算出它的距离。
图49 1923年10月，哈勃选定了仙女座星云的3颗候选新星，每一颗的旁边都标有“N”。这些新
星中有一颗被证明是一个造父变星，即一颗亮度会发生预期变化的恒星，因此它旁边的“N”被
划掉并重新标注为“VAR！”。造父变星可以用来测量距离，所以哈勃现在可以测量到仙女座星
云的距离，由此解决了大辩论。
推得的结果是惊人的。这颗造父变星，以及它所在的仙女座大星
云，似乎距离地球有大约90万光年。
银河系的直径大约是10万光年，因此仙女座显然不是我们银河系的
一部分。如果仙女座星系真的是如此遥远，那它一定明亮得难以置信，
因为它用肉眼就可以看见。这样的亮度意味着它是一个包含数以亿计的
恒星的系统。仙女座星云显然是一个独立的星系。大辩论就此告终。
仙女座星云就是现在的仙女座星系，因为它和其他大多数星云相比
确实是独立的星系，并且像我们银河系威武壮观，其位置远远超出了银
河系的范围。哈勃已经证明，柯蒂斯是正确的，沙普利是错误的。
仙女座的巨大距离是如此令人震惊，使得哈勃决定暂不发表这一结
果，直到他有更多的证据为止。在威尔逊山，他被一帮单星系理论的信
徒包围着，所以他得谨慎以免使自己出丑。他怀着巨大的克制力和耐
心，又拍摄了更多的仙女座星系照片，并发现了第二颗较昏暗的造父变
星，这证实了他的初步结果。
图50 星系不再被列为星云，所以仙女座星云在今天被称为仙女座星系。这张照片是拉帕尔马
天文台于2000年拍摄的。它表明，仙女座星系由数以百万计的恒星组成，是一个独立的星系。
最后，在1924年2月，他打破沉默，将这些结果用信件形式发给了
沙普利——单星系理论的发言人。沙普利曾帮助校准莱维特的造父变星
的距离标尺，而现在它却将他在大辩论中表明的立足点给摧毁了。当沙
普利阅读了哈勃的笔记后，他说道：“就是这封信捣毁了我的宇宙。”
沙普利试图通过暗示光变周期超过20天的造父变星不可靠来攻击哈
勃的数据，因为得到研究的长周期的造父变星寥寥无几。他还认为，哈
勃的仙女座恒星的所谓的变异性可能不外乎照片显影过程中或是曝光时
间上带来的瑕疵。哈勃知道他的观测结果并不完美，但其误差不可能大
到足以将仙女座拉回到银河系；所以哈勃相信，仙女座星系距离地球大
约是90万光年，并且在未来几年这个问题将变得十分清晰，绝大多数的
其他星系甚至更远。唯一的例外是少数矮星系，如亨利埃塔·莱维特研
究过的小麦哲伦星云。这是目前已知的因引力而附着在我们银河系边缘
的小卫星星系。
术语“星云”最初用于描述呈云状外观的任何天体，但现在这些星云
中的大部分被重新标记为星系。然而，有些星云只不过是银河系内单纯
的气体和尘埃的云罢了，因此术语“星云”适时地开始专指这样的云。尽
管存在这些相对来说较小的、局部的气体和尘埃星云，但这并不能改变
这样一个事实：许多原始星云，如仙女座，实际上确实是独立的星系，
并远在银河系之外。大辩论的核心问题是，宇宙中是否充满了这样的星
系，而哈勃的回答是确实如此。
那么对于1885年爆发的仙女座星系的新星又作何解释？沙普利曾认
为，它的亮度证明，仙女座不可能是一个遥远的、独立的星系，因为新
星这么亮是不可能的。事实上，我们现在知道，1885年爆发的不是一颗
新星，而是超新星，它确实是一个“不可能的”超高亮度事件。超新星是
一种与普通新星完全不在同一个数量级上的灾难性现象，它是某个恒星
在毫无预兆的情形下突然爆炸时所呈现的情形，其亮度在短时间内甚至
盖过数10亿颗恒星的总亮度。当柯蒂斯和沙普利在1920年谈到超新星这
一罕见事件时，他们还不能正确评价这种现象的意义。
沙普利的反驳的另一个支柱是什么呢？如果宇宙充满了星系，那么
它们就应该在各个方向上都可见。然而，在银河系平面的上方和下方可
观察大量的星云，但在银河系平面内却很少有星云被观察到，从而银河
系平面被戏称为“隐带”。事实证明柯蒂斯是对的，他声称隐带是扁平状
的银河平面内的星际尘埃模糊了我们对银河系之外的星系观察的结果。
从那时以来，现代望远镜技术已经能够穿透尘埃，因此现在我们知道，
在这个“空”区有着与其他方向上看见的同样多的星系。
随着哈勃的发现消息的传出，他的同龄人开始为他成功解决了天文
学史上最旷日持久的这场争论而鼓掌。普林斯顿大学天文台主任亨利·
诺里斯·罗素写信给哈勃：“这是一项完美的工作，你值得拥有它带给你
的所有荣誉，这些荣誉无疑是巨大的。你打算什么时候公布这些成果的
具体细节？”
哈勃的正式结果是在1924年在华盛顿召开的美国科学进步协会的会
议上公布的。在会上，他因这篇最杰出的论文与另一位获奖者雷米尔·
克利夫兰共同分享了1000美元的奖金。克利夫兰的获奖是表彰他在白蚁
体内发现肠道原虫这一开创性的工作。由美国天文学会起草的一封信强
调哈勃的工作的意义：“它开辟了以前无法进入进行调查的深度空间，
为不久的将来取得更大的进展提供了前景。同时，它将已知的物质宇宙
的范围扩大了100倍，并明确解决了长期以来一直无法确定的[螺旋星云]
的性质问题，表明它们在某种程度上是与我们这个星系一样的有着巨大
数量的恒星的系统。”
通过一次观察，通过一张照相底片的捕捉，哈勃便改变了我们对宇
宙的看法，并迫使我们重新评估我们在其中的位置。我们这颗小小的地
球上现在似乎比以往任何时候更微不足道——只是在众多星系的一个星
系中围绕着众多恒星之一的众多行星中的一颗。事实上，后来这一事实
变得更加清晰：我们的银河系只是数10亿个星系中的一个，而每个星系
又都包含有数10亿颗恒星。宇宙的尺度远远超出了我们以前的想象。沙
普利曾认为，宇宙中的所有物质都装在跨度10万光年量级的银盘内，但
哈勃已经证明，在银河系外超过100万光年的地方还存在其他星系。今
天我们知道的星系甚至有数10亿光年之遥。
天文学家很早就知道行星与我们的太阳之间存在巨大的距离，他们
也熟悉恒星之间的更大的距离，但现在他们不得不考虑星系之间的巨大
的虚空。哈勃的观察表明，若在恒星之间和行星之间的所有物质均是均
匀地分布在空间里，那么宇宙的平均密度将是1000个地球大小的体积里
有1克物质。这个密度——与我们当今的估计相去不远——表明，我们
所居住的空间是在一个非常空虚的宇宙内的一个非常密实的空间。“没
有行星或恒星或星系会是如此独特，因为宇宙大部分是空的，”天文学
家卡尔·萨根写道，“这个唯一的独特的地方处在巨大的、寒冷的宇宙真
空中，处在星系际空间的永恒的黑夜之中，星系际空间是如此奇怪而荒
凉，以至于相比之下，行星、恒星和星系似乎都显得珍稀和可爱。”
哈勃测量的影响确实是惊人，哈勃自己很快就成为大众争论和报纸
报道的主题。一篇文章称他为“泰斗级天文学家”。他还获得了来自他自
己的国家和海外的无数的奖项和奖励，他的同事们很快就开始称赞他。
赫伯特·特纳——牛津大学的天文学萨维里讲座教授——认为：“可能要
过上几年哈勃才能够意识到他所做的工作的意义。对于大多数人来说，
这样的事情一生中只能有一次，如果他们幸运的话。”
但是哈勃注定要在未来几年内再次动摇天文学，而且这一次的观察
更具革命性，它将迫使宇宙学家重新评估永恒静态宇宙的假设。为了实
现这接下来的突破，他需要利用一项相对较新的技术，一项充分利用了
望远镜的威力和照相术的敏感性的技术。这件被称为分光镜的装备将允
许天文学家从到达他们的巨型天文望远镜的微薄的光中提取出每一点信
息。这一工具的起源可追溯到19世纪的科学的希望和抱负。
变动的世界
1842年，法国哲学家奥古斯特·孔德试图找出这样一种知识领域，
这个领域的知识将永远超出科学事业的范围。例如，他认为恒星的某些
特质就永远无法确定：“我们看到，我们是如何能够确定它们的形状、
它们的距离、它们的体量和它们的运动的，但我们永远无法知道它们的
化学结构或矿物结构。”
事实上，孔德的这一说法在他死后两年就被证明是错误的，因为科
学家们开始发现离我们最近的恒星——太阳——上存在哪些类型的原
子。为了了解天文学家是如何揭开恒星的化学成分这个秘密的，我们首
先要在一个基本水平上了解光的本质。具体而言，这里有3个关键点。
首先，物理学家认为，光是电场和磁场的振动，这就是为什么光及
相关的辐射形式被称为电磁辐射的原因。其次，更简单地说，我们可以
把电磁辐射或光看成是波。第三个关键点是，光波的相邻两个波峰（或
连续两个波谷）之间的距离——波长——告诉我们几乎所有我们需要了
解的有关光波的知识。波长的例子见图51。
例如，光是一种能量形式。特定波长的光波所携带的能量的量与其
波长成反比。换言之，波长越长，光波的能量越低。对人而言，我们很
少关心光波的能量，而是用颜色作为区分不同光波的基本特征。蓝色、
青色和紫色对应于较短的波长和较高的能量，而橙色和红色则分别对应
于波长较长、能量较低的光波。绿色和黄色对应于中等波长和能量的光
波。
具体来说，紫光的波长大约为0.0004毫米，红光的波长大约为
0.0007毫米。还有波长更短和更长的波，但我们的眼睛对这些波不敏
感。大多数人用“光”这个词来描述那些我们可以看到的波，但物理学家
对这个词的使用要宽泛得多，他们用它来描述人眼可见的或不可见的任
何形式的电磁辐射。比紫光的波长更短、能量更高的光包括紫外线和X
射线，而比红光波长更长、能量更低的光则包括红外辐射和微波。
对于天文学家来说至关重要的一点是恒星发出的光波。他们希望星
光的波长可以告诉他们一些关于发出这些光的恒星的某些信息，比如它
的温度。例如，当一个物体达到500℃时，它有足够的能量来发出红色
可见光，所以红光是热的。随着温度的升高，该物体具有更多的能量，
并发射出能量更高、波长更短的偏蓝的光，并且物体从赤热向白热化转
变，因为现在它发射的是从红到蓝的多种波长的光。标准灯泡的灯丝工
作在大约3000℃温度下，这无疑使得它白热化。通过评估星光的颜色以
及该恒星发射出的不同波长的比例，天文学家意识到他们就能估算出它
的温度。图52显示了在不同的表面温度下恒星发出的波长的分布。
除了测量恒星的温度，天文学家还搞清楚了如何通过分析星光来确
定恒星的成分。他们所采用的这项技术其源头可追溯到1752年，当时苏
格兰物理学家托马斯·梅尔维尔做了一项神奇的观察。他将不同的物质
添加到火里，注意到每一种物质都会产生各自不同的特征色。例如，食
盐发出的是鲜橙色的火光。只要在燃气灶具的火焰上洒上少量的食盐，
你很容易观察到这种橙黄色。
图51 光可以描绘成波。光波的波长是两个连续波峰（或波谷）之间的距离，它告诉我们几乎
所有我们需要了解的关于光波的知识。特别是，波长与光波的颜色和能量有关。
图（a）显示的是波长较长、能量较低的红光的光波。
图（b）显示的是波长较短、能量较高的蓝色光波。可见光的波长都不到千分之一毫米，从紫光
的大约0.0004毫米到红光的0.0007毫米。通常波长用纳米（nm）来量度；1纳米是十亿分之一
米。因此，红光具有大约700纳米的波长。
存在比蓝光的波长更短的光波（例如紫外线辐射和X射线），也有比红光波长更长的光波（例
如，红外辐射、微波），但这些都是人的眼睛不可见的。
白光光束是各种颜色和波长的光的混合。当白光通过玻璃棱镜后这一点可以看得很清楚，因为
光束分裂成彩虹状，如图（c）所示。这是因为不同波长的波具有不同的行为。具体来说就是，
不同波长的光波在它们进入和离开玻璃棱镜的过程中以不同的角度偏折。
图52 本图显示了由三个具有不同表面温度的恒星所发射的光波波长的范围。主曲线显示的是
表面温度6700℃的恒星所发射的波长的分布。分布的峰值位置在蓝色和紫色波长波段，但它也
发出可见光谱中其他颜色的光。这颗星还辐射出少量的红外线和大量的紫外线，相应的波长分
别比可见光波长更长和更短。中间曲线表示的是表面温度5000℃的恒星所发射的波长分布。它
在可见光波段的中间波长较长的地方达到峰值，因此该星发射的光的颜色有良好的混合。最下
面的曲线表示由更冷的恒星（3700℃）所发射的波长分布。其峰值位置在波长分布的更长波长
处，发出的是大量的红光和大量的不可见的红外辐射。这颗星看上去显黄-红色的外观。
通过观测恒星发射的波长的范围，地球上的天文学家就可以推断出恒星的温度。波长分布起着
温度标签的作用。总之，恒星越冷，它所发射的波长就越长，看上去就越红。相反，恒星越
热，它所发出的波长就越短，看上去就更蓝。
与食盐相关联的独特颜色可以追溯到其原子水平的结构。食盐就是
氯化钠，橙色光就是由氯化钠晶体里的钠原子产生的。这也可以解释为
什么街头的钠灯呈橙黄色。让钠发出的光通过一个棱镜，我们就可以精
确分析其所辐射的波长，所辐射的两个主要波段都在光谱的橙色区域，
如图53所示。
每种类型的原子都具有发出特定波长（或颜色）的光的能力。这种
能力取决于其具体的原子结构。图53也给出了除钠之外其他元素所发出
的波长，氖发出的波长处于频谱的红端。这也是你看氖灯所看到的颜
色。另一方面，汞发出的是一些较蓝的波长，这也解释了为什么水银灯
呈蓝色。除了照明设计师，烟花生产商也对不同的物质所发射的波长有
兴趣，用它们可以营造出他们所需要的效果。例如，含有钡的烟花发绿
光，而那些含有锶的烟花则发出红光。
图53 钠发出的主要可见光如第五行光谱图所示。在大致0.000589毫米（589纳米）处有两条谱
线，它们对应于橙色。这张图代表了钠的指纹。事实上，每个原子有它自己的指纹，这从不同
波长的图谱上看得很明显。原子根据其所在环境可以表现出稍许不同的指纹，例如当原子处于
高压下便是如此。最下面的谱是未知气体的谱，通过与其他谱的比对，可以明显看出，气体中
含有氦和钠。
每种原子所发出的精确波长可起着指纹的作用。因此通过研究被加
热物质所发射的波长，就能够识别该物质原子。图53的最下面的光谱是
一种未知热气体所发出的波谱，通过与其他光谱的发射波长的比对，我
们可以看出，这种气体里含有氦和钠。
这门关于原子、光、波长和颜色的科学被称为光谱学。物质发光的
过程被称为谱发射。相反的过程——谱吸收——也存在，这时特定波长
的光被原子吸收。因此，如果整个波长范围的光通过盐的蒸汽，那么大
部分的光将不受影响地穿过，但有一些关键的波长将被盐中的钠原子吸
收，如图54所示。被钠吸收的波长完全等同于钠所发射的光的波长，而
且这种吸收与发射之间的对称性对所有的原子均适用。
图54 谱吸收是谱发射的反过程。钠的这个吸收谱与图53中所示的发射谱是等同的，只是现在
是在灰色背景下呈两条黑线，而不是灰色背景下的白线，因为除了这两条被钠吸收的波长外，
我们能看到所有的波长。
事实上，正是吸收谱，而不是发射谱，引起天文学家的注意。于是
光谱学走出化学实验室，进入到天文台。从太阳光谱开始，他们意识
到，吸收谱可以提供恒星组成的线索。图55显示了太阳光谱是如何通过
棱镜从而使得整个波长范围的谱都可以研究的。太阳热到足以发射出整
个可见光波长范围的光。但从19世纪开始，物理学家注意到，一些特定
波长在谱图上失踪了。在太阳光谱的这些波长位置上呈黑色细线。不久
就有人意识到，缺失的波长被太阳大气中的原子吸收了。这样，缺失的
波长就可用于识别构成太阳大气的原子成分。
虽然很多基础性工作是由德国的光学研究先驱约瑟夫·冯·弗劳恩霍
夫做出的，但关键性的突破是由罗伯特·本生和古斯塔夫·基尔霍夫在
1859年前后取得的。他们共同建立了一座分光镜，一个专门设计用来精
确测量发光物体发出的波长的仪器。他们用它来分析太阳光，并能识别
出两条失踪波长与钠相关，从而得出结论，钠必定存在于太阳大气中。
图55 太阳的热足以发出从红到紫的所有可见光波长范围的光，以及紫外线和红外线。我们可
以让太阳光通过分光镜来对其进行分析。分光镜包括一个玻璃棱镜和其他一些使白光得以色散
（这样所有波长的光就都可得到识别）的仪器。这幅图显示了我们希望看到的由一个像太阳那
么热的物体所发出的光的波长分布，所不同的是有两条特征波长缺失。它们对应于钠的吸收。
图形下方的波长谱是天文学家的照相底版上经常出现的吸收线，只是真正的测量可能没这么清
晰。在现实中，对太阳光的详细研究表明，太阳光谱有数以百计的缺失波长。这些波长都被太
阳大气中的各种原子吸收了。因此，通过测量这些暗吸收线的波长，我们就有可能识别构成太
阳大气的原子。
“目前，基尔霍夫和我所从事的一项共同的工作让我们夜不能
寐，”本生写道，“基尔霍夫在寻找太阳光谱的暗线的原因方面已经做出
了一项精彩的、完全出乎意料的发现……因此，一种确定太阳和恒星的
组成的方法已经被发现。这种方法的精度与我们用化学试剂来确定硫
酸、氯等的精度相当。”孔德的人类永远无法识别恒星的成分的断言被
证明是错误的。
基尔霍夫继续寻找太阳大气中其他物质（如重金属等）的证据。他
的银行经理感到非常不理解，问他：“如果我不能将它带回到地球上，
太阳上就是有黄金又有什么用？”许多年后，当基尔霍夫因他的研究获
得了一枚金质奖章后，他对这位狭隘的银行家进行了一次凯旋般的造
访，并对他说：“这就是来自太阳的黄金。”
恒星光谱这项技术是如此强大，以至于在1868年，英国人诺曼·洛
克耶和法国人朱尔斯·詹森各自独立地在太阳上发现了地球上尚未发现
的新元素。他们从太阳光谱中确认了一条吸收线，而这条线与任何已知
的原子光谱线都不匹配，因此洛克耶和詹森将此作为一种全新类型的原
子的证据。它被命名为氦，以纪念俄里奥斯——古希腊人的太阳神。虽
然氦的丰度占到太阳全部质量的四分之一，但在地球上这种元素却非常
罕见。直到25年后，在地球上发现了氦之后，洛克耶才被封为爵士。
威廉·哈金斯是深知光谱力量的另一位科学家。年轻时，他被迫接
下父亲的布店营生，但后来他决定卖掉家族企业，去追求他的科学梦
想。他用这笔钱在伦敦郊区的上塔尔斯山上建立了天文台。当他听说了
本生和基尔霍夫的光谱发现后，哈金斯大喜：“这个消息对我来说，就
像春季里干涸的土地逢甘霖。”
在19世纪60年代里，他将光谱学运用到太阳以外的恒星上，并证实
它们也含有地球上存在的相同元素。例如，他看到，出现在参宿四的光
谱里的暗线就包含了由钠、镁、钙、铁和铋等原子所吸收的波长。古代
哲学家曾表示，恒星是由第五元素组成的，这种第五元素超越了地面上
世俗的气、土、火、水四元素，但哈金斯已成功地证明，参宿四，想必
整个宇宙，都是由与地球上发现的相同材料构成的。哈金斯总结
道：“对恒星和其他天体的光所进行的这种原始光谱学研究的一个重要
目的，即发现在整个宇宙中是否存在与我们地球上相同的化学元素，已
经得到最为满意的肯定回答；研究表明，普通元素存在于整个宇宙。”
哈金斯在他的余生里继续研究恒星。做伴的是他的妻子玛格丽特和
他的爱犬开普勒。玛格丽特·哈金斯本人就是一位有成就的天文学家，
她比她丈夫要小24岁。因此，当威廉年届84岁高龄，并且作为天文学家
渐渐走向其职业生涯的终结时，他是依靠他的这位活泼的60岁的妻子来
爬上望远镜，并进行必要的调整的。“天文学家需要万能关节和印度橡
胶做的椎骨，”她抱怨道。总之，哈金斯夫妇将光谱学推广到一个全新
的应用领域，一个改变了我们对宇宙的看法的领域。除了评估恒星的成
分，他们还展示了如何利用光谱学来测量恒星的速度。
图56 哈金斯夫妇，他们开创性地在天文学领域利用光谱测量了恒星的速度。
继伽利略之后，天文学家一直认为恒星是静止的。虽然每天晚上恒
星都会划过天空，但天文学家意识到，这种视运动是由地球的自转造成
的。特别是，他们认为恒星彼此间的相对位置是保持不变的。事实上，
这是错的，正如英国天文学家埃德蒙·哈雷在1718年所指出的那样。他
意识到，即使考虑到地球的运动，通过将恒星天狼星、大角星和南河三
的相对位置与若干世纪前托勒密的测量结果进行比较就可以看出，这之
间仍有细微的差异。哈雷意识到，这些差异并不是因为测量的不准确，
而是由于这些恒星的位置随时间有真实位移的结果。
随着无限精确的测量工具和无限强大的望远镜的出现，天文学家已
经能够检测出每颗恒星的所谓自行，但在现实中，恒星位置的变动是如
此之缓慢，以至于即便是现代天文学家也几乎很难探测到恒星的这种位
置偏移。一般来说，检测自行需要对最接近的几颗恒星进行连续多年的
仔细观察，如图57所示。换句话说，即使是测量我们最邻近的恒星的自
行，那也是一场经年累月的斗争。研究自行的另一个限制是它只能检测
横跨天空的运动，对靠近或远离地球的所谓径向速度并没有太好的办
法。总之，对自行的检测只能给出有限的恒星速度。
图57 巴纳德星（圈中所指者）是离我们太阳系最近的第二颗恒星，并且是一颗自行最大的恒
星。它每年在天空移动10角秒。这两张照片的拍摄前后相隔近半个世纪，可以看出，这颗星相
对于其他所有恒星有显著的移动。为了帮助看清这种位移，右下角构成“＜”状的几颗星星提供
了一个有用的参照物。
然而，威廉·哈金斯意识到，他能够利用光谱学来弥补自行测量上
的这种双重不足。他的新光谱技术可用于精确测量任何恒星的径向速
度，并且可以被应用于最遥远的恒星。他的想法是基于将光谱仪与奥地
利科学家克里斯蒂安·多普勒所发现的一种物理现象的结合。
1842年，多普勒宣布，物体的运动将影响到它所发出的波，不论这
种波是水波、声波还是光波。作为这种多普勒效应的一个简单例子，我
们来考察图58所示的图像。图中的青蛙蹲在荷叶上休息，并以每秒一次
的节律用它的蹼脚拍水，从而产生一系列的以1米/秒的速度荡开的波。
如果我们从上方看，如果荷叶不动，那么我们会看到，波峰形成一系列
对称的同心环，如图58的左列（a）所示。两岸的观察者看到的都将是
波以相隔1米的间距到达岸边。
图58 呆在荷叶上的一只青蛙以每秒1次的节律发出水波，水波的波长是1米。当青蛙在水面的
位置没有移动时，如图（a）所示，两岸的观察者看到水波的间距是1米。然而当青蛙以0.5m/s
的恒定速度向右漂移时，如图（b）所示，那么两岸的观察者看到的是两种不同的效果。在青蛙
趋近的一侧，波出现堆积，而在相反的方向上，波变得更稀疏。这是青蛙的移动造成在发射下
一个波的过程中波前的不同部分被挤压和疏离的结果，它是水波的多普勒效应的一个例子。
但如果青蛙在移动，那么情况就变了，如图58（b）所示。想象一
下，荷叶和青蛙在以0.5米/秒的速度向右岸漂移，同时青蛙仍继续每秒
钟产生一个波，且波划过水面的速度仍是1米/秒。这时的结果是，在青
蛙移动的方向上，波会堆积，而在相反方向上波的间距将增大。因此右
岸的观察者看到的是波以0.5米的间距到达岸边，而对岸的观察者看到
的是波以1.5米的间距到达。一位观察者看到的是一个缩短的波长，而
另一位看到的是增加的波长。这就是多普勒效应。
总之，当物体在向着观察者运动的过程中发出一个波，那么观察者
将感觉到波长的缩短；而当物体远离观察者运动时发出一个波，那么观
察者感觉到的将是波长的增加。反之，发射器可以是静止的，而观察者
在移动，在这种情况下，结果显而易见是一样的。
1845年，荷兰气象学家克里斯托弗·白贝罗（Christoph
Buys-
BaIIot）最先对声波的多普勒效应进行了检测。实际上他是试图否定这
种效应的存在。吹奏小号的号手被分成两组，要求演奏降E大调的音
符。一组号手乘坐在新开行的从乌得勒支到马尔森的敞篷列车车厢内演
奏，而另一组号手则在月台上演奏。当两组乐手均固定不动时，他们演
奏的音符听上去是一样的。但当列车车厢向着月台开过来时，对乐音敏
感的耳朵可以听出演奏的音符变高了，而且车行的速度越快，音调变得
越高。而当列车离开时，音符变得低沉。音高上的这种变化是与声波波
长的变化相关联的。
今天我们可以从救护车的警笛声中听到同样的效果。当救护车开来
时，警笛声似乎较刺耳（波长较短），而当救护车驶离时，其声调则较
低沉（波长较长）。当救护车经过我们面前时，警笛声的这种从高到低
的变化是相当明显的。F1赛车，由于其较高的速度，当它经过时多普勒
效应则表现得更加清晰——发动机的声音明显有一
个“eeeeeeeeyoooooow”的从高到低的转变过程。
借助于多普勒提出的方程，波长和音高的这种变化是高度可预测
的。接收到的波长（λ ）取决于初始的发射波长（
r
λ）和波发生器的运
动速度（ν ）与波速（ ）之间的比值。如果波发生器是朝向观察者运
e
νw
动，则v 取为正，如果远离观察者行进，则其速度取为负：
e
现在，我们可以对救护车呼啸而过时警笛声的波长变化做一个粗略
的计算。空气中声波的速度（ν ）大约是
w
1000千米/时，救护车的速度
（ν ）可计为
e
100千米/时，因此波长增加或减少10%，具体取决于救护
车的运动方向。
类似地，我们可以对救护车上闪烁的蓝光波长的变化进行计算。这
里，波以光速传播，因此v 大约为
w
30万千米/秒，即10亿千米/时，而救
护车的速度（v ）仍然维持在
e
100千米/时。因此，波长的变化只有
0.00001%。人的眼睛是觉察不到波长和颜色的这种差异的。事实上，在
日常生活中，我们从来感觉不到与光有关的任何多普勒频移效应，因为
与光速相比，我们开的最快的车也是非常非常缓慢的。然而，多普勒预
言，光的多普勒频移是一个真实存在的效应，可以被检测到，只要光发
射器移动得足够快，且检测设备足够灵敏的话。
果然，1868年，威廉和玛格丽特·哈金斯夫妇成功地从天狼星的频
谱中检测出多普勒频移。天狼星的吸收线几乎与太阳光谱中的那些吸收
线相同，区别仅在于每条线的波长增加了0.015%。这可能是因为天狼星
正远离地球行进。记住，光发生器远离观察者的运动使得它发出的光看
上去具有更长的波长。这种波长的增加通常称为红移，因为红色处在可
见光谱的长波长一端。同样，光发生器趋近造成的波长的变短称为蓝
移。这两种类型的频移见图59所示。
图59 3个谱显示出恒星发射的光的视波长是如何依赖于其径向运动的。光谱（a）表示某个既
不移近也不远离地球的恒星（例如太阳）的吸收线波长。谱（b）表示一个离地球远去的恒星所
发出的吸收线波长具有红移——各线均相同，只是全部向右移。谱（c）表示一个趋近地球的恒
星所发出的具有蓝移的吸收线——各线均相同，只是全部向左移。蓝移星趋近我们的速度比红
移星退行的速度大，因为蓝移比红移大。
虽然考虑到爱因斯坦理论，多普勒方程需要修改，但就哈金斯的目
标而言，19世纪的版本已足以令人满意。他可以计算出天狼星相对于地
球的退行速度。他测得的天狼星发出的光的波长增加了0.015%，因此接
收到的波长与标准波长之间的关系是：λr=λ×1.00015。他知道，这里的
波速就是光速，因此ν 是
w
30万千米/秒。通过重组方程并插入所需数
