天文史上的今天：宇宙有多大？ 纪念98年前的一场伟大辩论

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天文史上的今天：宇宙有多大？ 纪念98年前的一场伟大辩论

2018-04-26 星空早知道 星空早知道
如果觉得有收获，请转发分享，一起分享天文乐趣 1920年4月26日，在美国史密松自然历史博物馆举行了一场著名的辩论，就宇宙的尺度问题进行了探讨。
这场辩论的结果深刻影响了我们对于宇宙的认识，天文史学界将其称作“大辩论”（Great Debate）。


哈勃超深场图像。这里的每一个亮点都是一个星系。为了得到这个认识，我们在中间走了很长很长的路
来源：NASA “宇宙仿佛大海，星系便是散落其中的岛屿。” 1920年4月26日，在美国史密松自然历史博物馆举行了一场著名的辩论，这场辩论的结果深刻影响了我们对于宇宙的认识，也因此在天文学历史上占有重要地位，天文史学界将其称作“大辩论”（Great Debate）。

这场辩论的双方分别是美国著名天文学家，时任哈佛大学天文台台长的哈罗·沙普利（Harlow Shapley，1885 –1972）以及当时在美国匹兹堡大学任职的另一位美国天文学家赫尔伯·柯蒂斯（Heber Curtis，1872~1942），因此有时候也将这场辩论称作“沙普利-柯蒂斯辩论”。


哈罗·沙普利
来源：wiki 这场辩论举办的背景是当时在主流天文学界，天文学家们对于宇宙的范围存在严重观点分歧，因此在美国科学院的协调下，双方的代表人物进行一场公开，公正，接受同行评估的学术大辩论，以探求最终的真相。

在辩论举行之前和之后一段时间 ，双方均公开发表一系列正式的学术论文，为自己的论点提供证据支持，并接受同行评议。而在辩论现场，双方也主要就几个问题进行了辩论，主要围绕当时所谓的“漩涡星云”（spiral nebulae）的本质问题，以及宇宙的尺度问题展开。


辩论的另一方：柯蒂斯
来源：wiki 沙普利相信望远镜中观测到的那些模糊不清的“星云”应该相对较小，位于银河系内部；而柯蒂斯不同意这种观点，他认为那些所谓的“星云”实际上是独立的星系，它们非常巨大，但是距离非常遥远。  主要观点与依据沙普利一方的主要观点是认为银河系基本就是可观测宇宙的全部。他相信当时望远镜中观测到的那些被称作“漩涡星云”的模糊天体，比如说仙女座星云实际上都是位于银河系内部的。他的证据是：如果仙女座星云不是银河系内部的，那么它的距离就要在10的8次方光年以上，这是无法想象的距离——当时的很多天文学家也同意这样的观点。

当时的另一位天文学家，学术权威之一的艾德琳·曼恩（Adriaan van Maane）也站出来支持沙普利的观点，并提供了一项观测证据，他宣称自己观测到了风车星系的转动。如果风车星系的确是一个非常遥远的星系，而且可以在几年的时间尺度下被观察到转动现象，那么它的实际转动速度将极为惊人，甚至超过光速，而这是不可能的，因此只有一种可能性，那就是类似风车星系这样的模糊不清的天体，实际上距离不可能那么远。


风车星系，编号Messier 101 或 NGC 5457，距离地球2100万光年
来源：NASA 沙普利还有另外一个证据，那就是对仙女座大星云内部新星爆发的观测，他注意到有时候爆发的一个新星，其亮度甚至会超过整个大星云的亮度。如果仙女座大星云实际上是一个独立的星系，也就是仙女座大星系的话，那么这种一颗星的亮度盖过整个星系的事情，其释放的能量之巨大是无法想象的，甚至是不可能的。

对于沙普利的观点，柯蒂斯提出了不同的看法，他坚信，包括所谓仙女座大星云在内，那些被认为是“星云”的模糊天体，实际上都是独立于银河系之外的其他星系，类似18世纪的德国哲学家康德所说的“宇宙岛”概念。


星系NGC4526附近发生的一次超新星爆发（左下角），亮度超过了其所在星系
来源：NASA 柯蒂斯提出的反驳证据包括，他发现仙女座星系中的新星数量要比银河系中更多。他指出，如果仙女座星系真的是银河系的一小部分，那如何解释这一部分发生新星现象的频率和数量要高于银河系的其他部分？要想对这个问题给出合理解释，只能假定仙女座星系时一个与银河系类似的独立的星系，因此它有自己的，不同于银河系的星系年龄和新星产生率。

柯蒂斯还注意到，那些遥远的所谓“漩涡星云”有些能在侧向上观察到暗带，这与我们在银河系观测到的尘埃带是类似的。


紫外波段拍摄的仙女座大星系
来源：wiki  后续关于曼恩的证据，同行们很快就发现这是有问题的，实际上风车星系的转动在人一辈子的时间里是无法被察觉到的。

主要得益于另一位著名的天文学家艾德温·哈勃（Edwin Hubble）所作的工作，到今天我们已经非常清楚银河系远不是可观测宇宙的全部，而是大约2000亿~2万亿个星系中普通的一个。

那么多星系，其中有多少颗恒星呢？有一种形象的比喻：宇宙中恒星的数量比地球上全部沙子的数量加在一起还要多。一直到1920年大辩论举行的时候，我们仍然远远，远远，远远地低估了宇宙的庞大程度。从这一点上说，柯蒂斯的观点是正确的。


银河系，我们现在知道这是一个棒旋星系，注意看，银河系中心有一根棒状结构
来源：NASA 另外，天文学家们后来意识到，沙普利在仙女座星系中观察到的“新星”现象，实际上是一次“超新星”爆发，这种由于大质量恒星死亡时刻所产生的剧烈爆发现象，瞬间的亮度的确是可以盖过整个星系的，只是当时对这一现象的认识还尚未深入。

而在其他方面，双方的观点与我们今天所了解的真实情况都有所差异，比如银河系的真实大小其实大概是介于沙普利和柯蒂斯当时所估算尺度的中间。但柯蒂斯当时认为太阳位于银河系的中心位置，而沙普利则认为太阳并非银河系的中心位置，而是偏于一侧。从这一点上说，沙普利是正确的。


地球附近的大尺度宇宙结构。我们队宇宙的认识还在深入过程中。目前看，宇宙似乎存在宏观结构，星系或是星系团依附在类似蛛网状的结构之上，分布其中
来源：NASA 人类对于宇宙的认识，其实就是一条加深对自身了解的道路，也是一个不断“自我贬低”的过程，所以很多时候我们都走得很艰难，因为要做“自我否定”，承认我们是渺小的，不起眼的，这是非常困难的事情。

曾经，我们以为我们是宇宙的中心，承蒙上帝的特别眷顾；
可是后来，我们发现我们其实只是围绕太阳转动的一块大石头上的一群小生物；
那至少太阳系是宇宙的中心吧？不，太阳只是银河系数千亿颗恒星中普通的一颗。


阿波罗计划宇航员拍摄的地球
来源：NASA 那么，银河系是宇宙的中心吧？也不是，银河系只是数以千亿甚至万亿计的无数星系中普通的一个；

或许，宇宙根本不在乎我们，没有人在乎我们。

认识到这一点很重要，因为这有很大概率是事实。或许这也是98年前的今天，那场辩论带给我们的思考吧。
<hr/>编者按：
《天文史上的今天》栏目是老严的一次个人历险，试图通过坚持365天，完整记录一年中每一个日子在人类漫长的天文历史中留下的印记。
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那么问题来了，人生努力的意义何在？

Jean893

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喝咖啡的牛山

可以说没意义，人生不一定非要有你想的那种意义啊。就是一次生命啊，然后好好活。

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人类到目前为止所取得的所有的科技成果，在解释宇宙方面，就感觉像是让人类500万年前的祖先来解释500万年后的世界一样。人类的科技，在宇宙面前，目前看来是渺小的无以复加。