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世纪大辩论

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发表于 2020-4-26 07:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
世纪大辩论

Original 不二北斗
原理 Today




                               
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从很久以前,以辩论的形式讨论问题和观点就一直很普遍,对试图理解宇宙的本质和人类在其中的位置的科学家与哲学家来说也不例外。

到20世纪初,在哥白尼开普勒伽利略等天文学家先驱的革命性思想和观测结果的帮助下,我们对宇宙的理解已经发生了翻天覆地的变化。随着更新更大的望远镜的出现,我们对宇宙的认知也在一再被修正。而关于宇宙的性质和大小的争论,在1920年达到了高潮。


                               
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○ 19世纪中期,天文学家在夜空中观测到了许多”螺旋星云“,他们对这些天体的本质存在着分歧。| 图片来源:ESO/P.Grobol

在1920年4月26日这天,美国华盛顿特区的史密森尼国家自然历史博物馆内举办了一场伟大的科学辩论。当时,由于天文学家对观测到的“螺旋星云”的本质存在认知分歧,因而引发了一场关于螺旋星云的本质以及宇宙大小的辩论。


                               
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辩论双方分别是利克天文台的希伯·柯蒂斯(Heber Doust Curtis)和威尔逊山太阳天文台的哈罗·沙普利(Harlow Shapley)。总体而言,沙普利主张银河系就是整个宇宙,并认为像仙女座星云等螺旋星云都是一些小的天体,只不过是银河系内的一些气体云;而柯蒂斯认为,通过望远镜观测到的那些螺旋星云实际上是可以与银河系相媲美的星系或岛宇宙,他认为仙女座星云中的新星比银河系中还要多

这场历史性的“大辩论”其实有别于现代意义上唇枪舌剑你来我往的“辩论”,两位天文学家各自有40分钟的陈述时间,彼此描述自己对当时宇宙的认知。接着每人有一次反驳对方言论的机会,然后就是现场听众的点评。虽然他们的焦点集中在螺旋星云的性质和宇宙的大小上,但他们二人在多达14个问题上存在不同意见。


                               
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沙普利当时是一名年轻而有抱负的天文学家,主要研究球状星团中的双星系统的恒星性质。从当时被广泛接受的观测结果来看,球状星团更集中在某半边天空,因此沙普利猜测,这部分天空是银河系的中心。他利用造父变星的周期光度变化,粗略地计算了这些天体的距离,并揭示了我们的太阳到银河系中心的距离。

沙普利的研究结果将当时认为的宇宙大小从大约33000光年提高到了326000光年;并将太阳从当时的星系中心移到了65000光年之外的位置。然而,沙普利仍然认为,它所计算出的整片宇宙都包含在我们的银河系中。

柯蒂斯则是一位公认的备受尊敬的天文学家。他在螺旋星云方面具有较为权威的学术地位。他坚持传统的观点,认为银河系的直径只有32600光年左右,并且认为太阳所在的位置离银河系中心非常近。另外,他主张所谓的螺旋星云实际上就是星系。他指出银河系中的新星比螺旋星云中的要亮得多。他不相信造父变星是用于计算距离的可靠依据,并且对沙普利计算出的宇宙的新大小提出了异议。可以说,他对沙普利的所有新的距离结果都不表示不认同。

不过在这场大辩论的最后投票中,沙普利获得了更多人的支持。


                               
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故事的转折出现在1924年。天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)利用胡克望远镜对仙女座“星云”进行拍摄,寻找着造父变星。经历了不知多少个夜晚,他终于在1923年的十月,在当时认为的仙女座星云中,找到了一颗闪烁的造父变星。

随后,哈勃利用观测到的造父变星的周期和光度间的关系,计算出了造父变星V1的距离。来自V1的星光让一件事情变得清晰无比,那就是所谓的仙女座“星云”的确在银河系之外,它与我们的距离比沙普利所设想的要远得多。


                               
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○ 图中显示的是哈勃太空望远镜拍摄到的造父变星V1和哈勃在1923拍摄到的对比,时间相隔约90年。| 图片来源:NASA/ESA/Hubble Heritage Team

这意味着,柯蒂斯是对的,银河系绝不是整个宇宙,它只不过是浩瀚宇宙中众多星系的一员。这颗位于仙女座星系的其中一个螺旋臂上的造父变星V1,也因此被称之为“宇宙学史上最重要的一颗恒星”。

虽然柯蒂斯在宇宙大小的问题上被证明是正确的,但关于谁在真正意义上“赢得”了这场辩论,天文学家并无法达成一致观点。因为在这场争辩中,沙普利的观点也不是全都错误,至少在认为我们银河系比之前认为的要大这一点上,他是对的。此外,在沙普利的模型中,他认为太阳离银河系中心很远;但柯蒂斯则将太阳定位在星系中心附近。

在20世纪30年代,随着天文学家罗伯特·特朗普勒(Robert Trumpler)明确证明了星际吸收的存在,并且随着天文学家对球状星团的距离和分布的进一步了解,导致了人们普遍认为银河系比之前预想的要大得多,同时也基本确定了太阳不像之前所认为的那样处在银河系中心附近。


                               
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相较于柯蒂斯而言,沙普利在银河系的大小以及太阳位置的理解上更为正确;而柯蒂斯则在宇宙是由许多星系组成的,且螺旋状星云只是其中一个与我们的星系非常类似的星系方面作出了正确预测。另外,沙普利也指出,造父变星可以作为距离测量的一个指示器,这一观点也是正确的,造父变星至今仍是我们测量远处天体距离的基石。两人都在同一个问题上犯了错误,那就是他们都认为星光的星际吸收对确定星系的大小并不重要。


                               
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○ 哈勃极深场:揭示了宇宙中成千上万的星系,而这些星系只占据天空非常非常微小的一部分。| 图片来源:NASA & ESA

回头看,这场被后世铭记的经典辩论对人类认识和理解宇宙产生了重大影响,它在我们对宇宙的大小、性质以及我们在其中位置的理解发展中发出了最理性、智慧的声音与质疑。据天文学家目前预计,宇宙中的星系数量有2万亿个左右……我们或许永远无法获悉宇宙的全部秘密,但这丝毫不会动摇我们对探索宇宙时那义无反顾的前行步伐。


参考链接:
https://aas.org/posts/news/2017/04/month-astronomical-history-great-debate-nature-universe
http://www.nasonline.org/about-nas/history/archives/milestones-in-NAS-history/the-great-debate-of-1920.html
https://www.aps.org/publications/apsnews/200004/history.cfm


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