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.4
字，他可以证明天狼星的退行速度为45千米/秒：
威廉·哈金斯，这位一心追求实践天文学的前布店老板，已经证明
他可以测量恒星的速度。每颗恒星含有的都是地球上找得到的普通元素
（例如钠），它们发射特定的标准波长，但这些波长将因为恒星的径向
速度而存在多普勒频移，通过测量这些频移，我们就可以计算出该恒星
的速度。他的方法有巨大的潜力，因为任何可见的恒星，或星云，都可
以用分光镜来分析，从而测得它的多普勒频移和由此所确定的速度。除
了恒星在天空中的自行，现在我们还可以测量其朝向或远离地球的径向
速度。
对于大多数人来说，利用多普勒频移来测量速度是一项陌生的技
术，但它确实有效。事实上，它是如此可靠，使得现今警察都采用多普
勒频移来确定行车是否超速。警察向接近的汽车发射一束无线电波（光
谱中的一种不可见的部分）脉冲，然后检测汽车对它的反射波。返回脉
冲被移动物体（例如汽车）有效地反射回来，因此其波长对汽车的速度
有一定量的频移。车的速度越快，频移就越大，超速罚款就越高。
一个高大上的故事诠释了一位天文学家在开车去天文台的路上如何
试图利用多普勒效应来瞒过警察。在闯红灯被抓后，这位天文学家争辩
道，他看到的交通信号灯是绿色的，因为他向它开过来时出现了蓝移。
警官原谅了他闯红灯，但给了他一张超速罚单对他加倍罚款。要实现这
样一种夸张的波长偏移，这位天文学家的车速得开到大约2亿千米/时才
行。
到20世纪初，分光仪器已经成为一项成熟的技术，并能够与新建的
巨型望远镜和最新的高灵敏度的感光材料实现良好的结合。这种三位一
体技术为天文学家提供了一个无与伦比的探索恒星组分及其速度的机
会。通过确定特定恒星的大量缺失的波长，天文学家能够确定它的成
分，结果发现这些成分竟然主要是氢和氦。接着，通过测量这些谱线的
移动，天文学家能够看出，某些恒星正朝着地球运动，而另一些则背离
地球远去。它们最慢的以每秒几千米的速度在磨蹭，最快的速度则达到
50千米/秒。为了对这个速度有一个直观的认识，我们想象一架飞机能
以最快的恒星的速度飞行，那么它跨越大西洋只需几分钟。
1912年，一名前外交官转行的天文学家将速度测量拓展到未知领
域。维斯托·斯里弗成为第一个成功测量星云的多普勒频移的天文学
家。他用的是克拉克望远镜，就是那台位于亚利桑那州弗拉格斯塔夫的
洛厄尔天文台的24英寸口径的折射望远镜。该望远镜是由帕西瓦尔·洛
厄尔资助建造的。洛厄尔是波士顿的一个富裕的贵族，他执着于这样一
个信念：火星是智慧生命的家园，因此他急于找到火星文明的证据。斯
里弗的兴趣比起洛厄尔要合主流一些，只要可能，他总是将望远镜指向
星云。
斯里弗连续好几个夜晚都对仙女座星云（后来被证实为一个星系）
微弱的星光进行拍摄，曝光时间长达40小时，测得的多普勒蓝移相当于
300千米/秒，比任何恒星快6倍。1912年，大多数人的意见是仙女座位
于我们自己的银河系内，因此天文学家无法相信这样一个局地对象会有
这么高的速度。甚至连斯里弗自己都怀疑测量是不是有什么问题，他反
复检查，没发现犯什么错误。于是他又将他的望远镜对准了现称为草帽
星系的星云。这时他发现，这个星云表现出红移，而不是蓝移，而且多
普勒效应甚至更加极端。草帽星系的红移量大到这样一个程度，由此推
算出的它飞离地球的速度达到1000千米/秒。这个速度几乎接近光速的
1%。如果飞机能飞得这么快，那它从伦敦飞往纽约只需6秒。
在接下来的几年中，斯里弗测得了越来越多的星系的速度，而且很
显然，它们都以惊人的高速度飞行。然而，一个新的难题开始显现。前
两次测量的数据表明，一个星系正在趋近（蓝移），而另一个星系则在
退行（红移），而且前十几次测量的结果表明，退行的星系要比趋近的
星系多得多。到1917年，斯里弗已经测得了25个星系，其中有21个退
行，只有4个是正在趋近。在接下来的10年里，又有20多个星系被添加
到列表中，每个星系里的单个恒星都在后退。几乎所有的星系似乎是比
着远离银河系，仿佛我们银河系有宇宙狐臭似的不招人待见。
一些天文学家曾预计，星系大致是静止的，实际上它们是漂浮在虚
空中。但现在来看显然不是这样。另一些人则认为，它们的速度分布总
体上是平衡的，有些趋近，另一些退行。但实际情形似乎并非如此。星
系都有一个明显的退行而不是趋近的倾向这一点与所有的预期相冲突。
斯里弗和其他人试图对正在显现的这一图像做出说明。各种怪异和奇妙
的解释纷纷出笼，但没有一个能达成共识。
星系退行的谜团直到埃德温·哈勃运用他的头脑和望远镜到这个问
题上后才有了起色。当他进入这场争论时，他并不看好各种理论，特别
是当强大的威尔逊山的100英寸望远镜的威力使新数据的可信性得到保
证后就更是如此。他的口头禅很简单：“除非实证结果已经穷尽，否则
我们不需要借助于思辨的梦幻般玄想。”
不久哈勃就做出了一项重要观察。这项观察结果让天文学家心悦诚
服地将斯里弗的测量结果嵌入到新的宇宙统一模式中。哈勃不知不觉地
为支持勒迈特和弗里德曼的宇宙创生模型提供了第一个重大证据。
哈勃定律
在测量了星云的距离并证明其中许多是独立星系多年后，埃德温·
哈勃在天文学世界里再次展现了自己的权威。与此同时，他的个人生活
也发生了重大变化——他见到并爱上了格蕾丝·伯克，一位当地百万富
翁银行家的女儿。据格蕾丝所言，她是在参观了威尔逊山时迷恋上哈勃
的。当时她看见他正目不转睛地盯着一张显示恒星星场的底片看。后
来，她还记得当时的情形，他看起来就像“一个奥运选手，高大、强
壮、英俊，有着一副普拉克西特列斯[8]的赫尔墨斯的肩膀……感觉有一
股力量，一种在历险途中寻找出路和方向的力量，而且这种历险与个人
的抱负和它带来的焦虑以及内心缺乏平静都没有关系。我竭力集中注意
力，但还是会走神，这种力量总算得到了控制。”
当格蕾丝第一次见到哈勃时她已经结婚，但自1921年她丈夫厄尔·
莱布去世后就一直寡居。莱布是一位地质学家，在一次收集矿物样品时
不慎从竖井摔了下去，失去了生命。经过一段时间的交往和热恋，哈勃
与格蕾丝于1924年2月26日结婚。
由于哈勃终结了大辩论以及随后的宣传，哈勃和格蕾丝发现他们依
然名列名人榜。威尔逊山距离洛杉矶仅25千米，于是他们成为好莱坞社
交圈的常客。哈勃与许多大牌明星一起吃过饭，例如像道格拉斯·费尔
班克斯，并与伊戈尔·斯特拉文斯基之辈有过交往。而一些著名的艺
人，如莱斯利·霍华德和科尔·波特等，则到访过威尔逊山，使天文台增
添了一份迷人的魅力。
哈勃沉迷于他的作为世界上最著名的天文学家的偶像地位，他喜欢
对来宾、学生和记者侃侃而谈，叙述他过去的多姿多彩的故事。由于年
轻时在他父亲的支配下压抑太久，哈勃现在变得喜欢向崇拜的公众炫
耀。比如，他经常会诉说他在欧洲时是如何用剑决斗的故事。他的朋友
们喜欢听这个故事，但是当他父亲听到他决斗的战功后，却一味地责备
他，并提醒哈勃“那道决斗留下的疤痕绝不是什么荣誉徽章”。
尽管他有名气，享受着名人的生活方式，但哈勃从来没有忘记自己
首先是一个开创性的天文学家。他认为自己是一个站在巨人肩膀上的巨
人，是哥白尼、伽利略和赫歇尔曾拥有的王位的自然继承者。在意大利
度蜜月时，他甚至带着格蕾丝去凭吊了伽利略的墓。他深知是伽利略的
工作为他自己的伟大发现提供了基础。
自然，当哈勃听说了斯里弗在测量红移星系方面的优势后，他觉得
有必要半路杀入来解决其中的奥秘。他认为搞清楚星系退行的原因是他
作为当代最伟大的天文学家的职责。他在威尔逊山上开展了这项工作，
那里有100英寸的望远镜，集光能力是斯里弗的洛厄尔天文台的望远镜
的17倍。他夜复一夜地几乎连续不断地在黑暗中工作，这让他的眼睛对
夜空的黑暗变得敏感。唯一被允许打破这硕大的天文台圆顶内单调的黑
暗的光亮，就是他的石楠木烟斗偶尔闪现的温柔的光芒。
哈勃的助理是米尔顿·赫马森，这位出身卑微的天文学家已经跃升
成为世界上最好的天文摄影师。赫马森14岁时辍学，随后便在威尔逊山
酒店担任服务员。这家酒店为来访的天文学家提供食宿。随后，他被任
命为天文台驴队的赶脚，帮助将食品饮料和装备运送到山顶。接下来他
在天文台获得了作为看门人的工作，每天晚上他没事就去学习天文学家
是怎样使用照相技术的。日积月累，他便掌握了越来越多的关于天文摄
影的技巧。他甚至说服一个学生给他辅导数学。这样，经过口口相传，
大家都知道威尔逊山上有一个神奇的看门人。他的天文知识增长得非常
快，在加入天文台的3年内，他便被任命为照相师。两年后，他成为了
一名完全成熟的助理天文学家。
哈勃看上了赫马森，两个人结成了一种在外界看来不太可能的合作
伙伴关系。哈勃仍是一副杰出的英国绅士的派头，而赫马森在阴天的晚
上便去打牌喝酒，喝的是那种非法酒精兑的称为黑豹汁的烈性酒。他们
的关系全赖于哈勃的信念：“天文学的历史上就是一部后退的视野的历
史”，赫马森能够提供让哈勃比世界上其他任何人都更能看透宇宙的图
像。赫马森在拍摄星系时，他的手指始终控制着望远镜的按钮，以保持
星系固定在视场内，并随时补偿跟踪机构带来的任何误差。哈勃非常钦
佩赫马森的耐心和细致周到。
为了探索斯里弗的红移之谜，两人对工作做了分工。赫马森测量众
多星系的多普勒频移，哈勃着手测量它们的距离。该望远镜已配上新的
照相机和分光仪，使得以前需要曝光几个晚上的照片现在可以在短短几
个小时内完成。他们开始确认斯里弗最先观测过的星系红移。到1929
年，哈勃和赫马森已经测量了46个星系的红移和距离。不幸的是，这些
测量结果中有一半的误差边际显得太大。为谨慎起见，哈勃只用那些他
有信心的星系测量结果。他将每个星系的速度与距离关系绘制在一张图
上，如图60所示。
几乎在所有情况下，星系都显示出红移，这意味着它们在退行。另
外，图上的点似乎表明，星系的速度强烈依赖于它到地球的距离。哈勃
画了一条通过数据的直线，它表明一个给定的星系的速度正比于它到地
球的距离。换句话说，如果一个星系比另一个星系远两倍，那么它退行
的速度大致也是两倍。如果一个星系与我们的距离有3倍远，那么它飞
离我们的速度也要快3倍。
如果哈勃是正确的，那么这个结果的影响就太大了。星系不是随意
地在宇宙中奔驰，而是其速度与其距离有严格的数学关系。当科学家们
看到这一关系后，他们将寻找更深层次的意义。在眼下的这种情形下，
其意义无非是认识到宇宙中所有星系在历史的某个点上是被压缩到一个
很小的区域内的。这是关于我们现在所称的大爆炸的第一个观测证据。
是曾经可能存在过创生那一瞬间的第一条线索。
图60 本图给出了哈勃的第一组显示星系的多普勒频移的数据（1929年）。横轴表示距离，纵
轴表示退行速度，每个点代表一个星系的测量结果。虽然不是所有的点都落在一条直线上，但
有一种普遍的趋势。这表明，星系的速度正比于它的距离。
哈勃的数据与宇宙创生时刻之间的联系是简单的。取定当今以某个
速度飞离银河系星系的某个星系，让我们看看如果我们将时钟倒拨回去
会发生什么。昨天的这个星系肯定比现在要接近银河系，上周它更接
近，等等。事实上，用其速度除以到银河系的当前距离，我们就可以推
断出该星系何时位于我们的银河系的上方（假设它的速度保持不变）。
接下来，我们选择一个其距离是前一个星系距离的两倍远的星系，经过
同样的处理，便可知它在什么时间处在我们的银河系的上方。由哈勃的
上述图表可知，一个两倍远的星系其速度也是前一个星系的速度的两
倍。所以，如果我们将时钟倒拨回去，将发现第二个星系恰在与第一个
星系相同的时刻返回到银河系。事实上，如果每一个星系都有一个正比
于其到我们银河系的距离的速度，那么在过去的某一时刻，它们都会同
时被定位在我们银河系的上方，如图61所示。
图61 哈勃的观测意味着宇宙存在创生的那一刻。图（a）代表宇宙的今天，指向2点钟，为简
单起见，图中只画了3个其他星系。星系越远，其退行速度（由箭头的长度表示）越快。但是，
如果我们将时钟往回拨，如图（b）所示，那么星系似乎在相互趋近。在1点钟（图（c）），这
些星系离我们更近。午夜时分（图（d）），它们都处在我们的上方。这便是大爆炸的开始。
因此，宇宙中的一切在创生的那一刻显然都是从一个单一的致密区
域出来的。如果让时钟从零时向前跑，那么结果便是一个不断演化不断
膨胀的宇宙。这正是勒迈特和弗里德曼理论所给出的结果。这就是宇宙
大爆炸。
尽管哈勃收集了这些数据，但他并没有亲自煽动、提倡或鼓励人们
去接受大爆炸的含义。哈勃在一篇题为“河外星云的距离与其径向速度
之间关系”的6页纸的论文里发表了他的图。头脑顽固的哈勃对宇宙的起
源这类猜测和探讨宇宙学的重大哲学问题没有兴趣。他只是想好好观
察，并得到准确的数据。这是一样的，在他做出前一次的突破时他也是
这么想的。他证实了某些星云的存在远远超出了银河系范围，但这些星
云是独立的星系这个结论他留给别人去得出。哈勃似乎因病而无法去发
掘他的数据的更深层的意义，这样他的同事便成为解释他的速度与距离
的曲线图的人选。
但不管是谁，在认真揣测哈勃的观察数据之前，他们首先要相信哈
勃的测量结果是准确的。这是一个主要障碍，因为哈勃的许多天文学家
同行并不信服他给出的图。毕竟，图中的许多点离他的拟合直线很远。
或许这些点并不真正位于直线上，而是位于某条曲线上？或是根本就不
存在这样的直线或曲线，这些点实际上都是随机的？证据必须是具体
的，因为其影响可能十分重大。哈勃需要更好的测量和更多的数据。
两年来，哈勃和赫马森在艰苦的夜晚继续埋头于望远镜下，他们将
这项技术发挥到极致。他们的努力得到了回报，他们设法测量了那些其
距离是他们1929年的论文中所测星系距离的20倍的星系。1931年，哈勃
发表了另一篇包含一个新的数据图（图62）的论文。这一次，数据点都
乖乖地位于哈勃直线上。数据的意义已无可辩驳。宇宙真的是在不断扩
张，而且呈系统性方式进行。星系的速度和距离之间的比例关系被称为
哈勃定律。它不是一条像万有引力定律那样的严格定律。万有引力定律
给出的是两个物体之间相互吸引的引力的精确值，相反，哈勃定律是一
条宽泛的描述性法则，它通常是正确的，但也允许有例外。
图62 如同他的1929年论文中的图（图60）一样，1931年的文章中的图中的每个点代表一个星
系的测量数据。比起1929年的数据，这次测量的精度大为改善。特别是，哈勃能够测量距离更
远的星系，以至于1929年的论文中的所有数据点都包含在左下角的小方框内。这次很明显，数
据点都位于直线上。
例如，在早期，维斯托·斯里弗就已确定了几个蓝移的星系，这完
全违背了哈勃定律。这些星系正接近我们银河系，如果一个星系的速度
正比于它的距离，那么它们就应该有一个比较小的退行速度。然而，如
果它们的预期速度足够小，那么它们就可能被我们银河系或我们周围的
其他星系的引力拉过来。简言之，稍有蓝移的星系可以作为不符合哈勃
定律的局部异常被忽略。因此一般而言，我们确实可以说，宇宙中的星
系在以与其距离成正比的速度远离我们。哈勃定律可以一个简单的公式
给出：
ν=H0×d
它说的是：任何星系的速度（v）通常等于其离地球的距离（d）乘
以一固定常数（H ），这个常数称为哈勃常数。哈勃常数的值取决于距
离和速度所采用的单位。通常速度的单位是千米每秒，但出于专业原
因，天文学家常常喜欢用百万秒差距（megaparsecs,
Mpc）来衡量距
离，1 Mpc等于326万光年，或30900000000000000000千米。在采用百万
秒差距单位的情形下，哈勃计算出他的常数为558千米每秒/Mpc。
哈勃常数的值有两重含义。首先，如果一个星系距离地球是1
Mpc，那么它的行进速度应该大致为558千米/秒；如果一个星系距离地
球是10 Mpc，那么它的行进速度应该是大致为5580千米/秒，等等。事
实上，如果哈勃定律是正确的话，那么我们只需通过测量它的距离就可
以推断出任何星系的速度，或者反过来，我们可以通过其速度计算出其
距离。
哈勃常数的第二个含义是，它告诉我们宇宙的年龄——宇宙中的所
有物质是多久以前从单一的致密状态演化来的。如果哈勃常数为558千
米每秒/Mpc，那么处在1 Mpc的星系的速度为558千米/秒，所以我们可
以计算出要多久星系才会以（假定的）558千米/秒的恒定速度达到1
Mpc的距离。如果我们将距离转换成千米，计算是比较容易的，这一点
我们可以做到，因为我们知道，1百万秒差距=30900000000000000000千
米。
时间=距离/速度
时间=30900000000000000000千米/558千米每秒=18亿年
因此，根据哈勃和赫马森的观察，宇宙中的所有物质在大致18亿年
前被集中在一个相对较小的区域，然后一直向外膨胀至今。这一图像完
全与既定的宇宙永恒不变的观点相矛盾。它强化了勒迈特和弗里德曼提
出的宇宙始于大爆炸的概念。
图63 与理想化的吸收光谱（图54）不同，这些光谱是哈勃和赫马森真实测量所得到的谱。虽
然很难解释，但每一行显示的是一个星系的吸收波长，右侧是该星系的图像。
第一个星系NGC 221，距离90万光年。赫马森的光谱测量提供了星系的速度。中央横条状显示
了星系的光，方框内的竖直线代表该星系被钙吸收的光的波长。这条竖线的实际位置比它应该
所处的正确位置偏右很多，代表了红移（见图59），它意味着星系存在125英里/秒（200千米/
秒）的退行速度。位移的程度是相对于NGC 221上方和下方的校准数据测量的。
第二组测量数据是关于星系NGC 379的，该星系距离2300万光年，这就是为什么它在照片上的
影像会比NGC 221小。关键是，钙的吸收线（方框内）向右偏移得更远，这意味着更大的红移
——确实，它的退行速度为1400英里/秒（2250千米/秒）。NGC 379要比NGC 221远26倍，速度
快27倍。因此，速度的增加大致与距离的增加成正比。
第三组测量是关于双子座星系群的。其距离有135亿光年。钙线（方框内）甚至右移得更远，这
表明它有更大的红移，推得的速度为14300英里/秒（23000千米/秒）。它要比NGC 221远大约
100倍，速度快约100倍。
天文学家曾经不得不认可宇宙在最低水平上的演化，因为他们亲眼
目睹了这一变化，如新星和超新星的出现。但是天文学家一直认为，垂
死的恒星是对在其他地方出现的新生的恒星的补偿，从而维护了宇宙的
整体稳定和平衡。换句话说，偶尔出现的新星不会改变宇宙的整体性
质。然而，这最新数据却暗示了一种宇宙在整体尺度上的不断演化。哈
勃的观测和他的膨胀定律意味着宇宙在整体上是动态的和不断演化的，
随着距离增加，并且随着时间的推移，宇宙的总体密度呈下降趋势。
很自然，天生的保守性意味着大多数宇宙学家拒绝接受宇宙膨胀和
创生于某一时刻的想法，正如当年有人反对星云是遥远的星系，或反对
光速有限，或反对地球围绕太阳旋转时一样。
至于对前赶驴的脚夫而言，这种冠冕堂皇的讨论并没有打扰他。当
赫马森测得红移后，他的工作已经完成，他们的解释不是他所关心
的：“我一直都相当高兴，因为我的这部分工作，你可以说，是基础性
的，它永远不会被改变——无论什么样的决定认为它有什么意义。这些
线条总是在那里，无论我怎么测量。它们的速度，不论你称它为这个也
好，或叫红移也好，或是它们最终被称为什么东西也罢，总是一直保持
不变的。”
值得再次强调的是，哈勃也绕开了任何猜测。他可以提供测量结
果，但他没有参与宇宙学的辩论。哈勃和赫马森的科学论文中包含了以
下声明：“本文作者仅限于描述’视速度-位移’，不冒险涉及对其解释及
其宇宙学意义。”
因此，哈勃没有卷入下一场大辩论，而是尽情享受着他不断提高的
名声。1937年，他在美国电影学院奖的颁奖典礼上成为弗兰克·卡普拉
的座上宾。电影学院院长卡普拉通过向来宾介绍世界上最伟大的天文学
家来为奥斯卡颁奖晚会揭幕。好莱坞的名流都成了哈勃的配角，他站起
来接受对他的掌声，三柱辉煌的聚光灯齐刷刷地投射到他身上。他一生
都在以惊异的眼光盯着星星，而现在，巨星们怀着同样敬畏的心情在盯
着他。
观众席上的每个人都在品味哈勃所取得的成就的分量。这里站着的
是这样一个人，他的距离测量将我们对宇宙的看法从单一有限的银河系
扩大到夹杂着其他星系的无限空间。正是这个人证明了宇宙在膨胀。并
且不论哈勃本人是否承认，这都意味着宇宙有一个有限的历史，它曾经
是一个有待于爆发和演化的致密的胚胎。埃德温·哈勃在不知不觉中发
现了有利于宇宙创生的第一项真正的证据。最终，大爆炸模型已不仅仅
是一个理论。
