第十章 不斷擴展的視野
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層氣體薄幕。
英國著名物理學家和天文學家金斯（JamesHopwoodJeans）已經用數學證明，上述說法對于旋轉的氣體球是成立的，但它們也完全适用于被我們稱為星系的巨大星雲。
事實上，我們可以把這樣聚集在一起的億萬顆恒星看成一團氣體，把恒星看成一個個分子。
将金斯的理論計算與哈勃對星系的經驗分類作一對比，就會發現這些巨大的恒星群體遵循的正是該理論所描述的演化進程。
特别是，我們發現，拉伸最長的橢球狀星雲的半徑之比為7/10（E7），這是我們注意到有明顯赤道棱的第一例。
演化後期出現的螺旋則顯然是由快速旋轉時抛出的物質所形成的。
不過迄今為止，我們還不能完全令人滿意地解釋這些螺旋形為何會形成以及如何形成，還有簡單螺旋與棒旋之間的差别是什麼原因造成的。
關于這些星系的構造、運動和各部分的組成，還需要做進一步研究。
例如，威爾遜山天文台的天文學家巴德（WalterBaade）數年前得出了一個有趣的結論：螺旋星雲的中心體（核）所由以形成的恒星與球狀、橢球狀星系的恒星是同一類型，而旋臂本身所顯示的星族卻相當不同。
這種&ldquo旋臂&rdquo型星族因為出現了熾熱而明亮的成員而有别于中心區域的星族，無論是球狀、橢球狀星系還是中心區域，都沒有這些所謂的&ldquo藍巨星&rdquo。
我們稍後（在第十一章）會看到，藍巨星很可能是新近形成的恒星，所以有理由認為，旋臂可以說是産生新星族的溫床。
可以設想，從正在收縮的橢球狀星系的赤道凸起抛出的物質有一大部分是由原始氣體形成的。
進入寒冷的星系際空間後，這些氣體凝聚成一塊塊巨大的物質，後經收縮而變得熾熱而明亮。
在第十一章我們還會回到恒星的誕生和生命問題，現在我們要考慮一下各個星系在廣闊宇宙中的大緻分布。
首先要說的是，基于脈動星的測距法雖然在用于銀河系附近的一些星系時給出了很好的結果，但進入空間深處時就不管用了，因為此時我們所到達的距離已經大到無法分辨各個星星的程度，即使透過最強大的望遠鏡，所看到的星系也像是微小的長條星雲。
再往深處走，我們就隻能憑借可見尺寸來判斷距離，因為與恒星不同，所有同類型的星系都大約是同一尺寸。
如果所有人都是同一高度，既無侏儒又無巨人，你就總可以通過觀察一個人的視大小來說出他的遠近。
哈勃用這種方法估算了遙遠星系的距離，他表明，就我們目之所及（輔以最強大的望遠鏡），星系在空間中或多或少是均勻分布的。
之所以說&ldquo或多或少&rdquo，是因為在許多情況下，星系成群地聚集在一起，有時竟包含數千個成員，就像衆多恒星聚集成星系一樣。
我們的銀河系似乎屬于一個較小的星系群，其成員包括三個螺旋星系（包括銀河系和仙女座星雲）、六個橢球狀星系及四個不規則星雲（其中兩個是大小麥哲倫星雲）。
不過，除了這種偶爾的聚集，從帕洛馬山天文台口徑200英寸的望遠鏡看過去，各個星系其實是非常均勻地散布在10億光年以内的整個空間中。
兩個相鄰星系的平均距離約為500萬光年，可見的宇宙視野包含有數十億個恒星世界！ 如果還用我們之前的比喻，認為帝國大廈是顆細菌，地球是顆豌豆，太陽是個南瓜，那麼銀河系就是大緻分布在木星軌道之内的數十億個南瓜的聚集體，而許許多多這樣的南瓜堆又散布在半徑略小于地球與最近恒星之間距離的一個球形體積内。
不錯，我們的确難以找到一種表示宇宙距離的恰當尺度。
即使把地球比做一顆豌豆，已知宇宙的尺寸仍然是個天文數字！圖116試圖表明天文學家是如何一步步勘測宇宙距離的：從地球開始，到月亮，再到太陽、恒星，然後到遙遠的星系，一直到未知事物的邊界。
圖116 宇宙勘測的裡程碑，用光年表示的距離 現在，我們準備回答宇宙尺寸這個基本問題。
宇宙是無限擴展的，還是占據着某個極為巨大但仍然有限的體積？随着望遠鏡制造得越來越強大、越來越精良，天文學家是否總能發現一些尚未勘測的新空間區域呢？抑或與此相反，宇宙至少原則上是可以勘測到最後一顆星的？ 當我們說宇宙可能&ldquo尺寸有限&rdquo時，當然并不是指在幾十億光年以外的某個地方，空間探險家會碰到一堵牆，上面寫着&ldquo嚴禁擅自進入&rdquo字樣。
事實上，我們在第三章已經看到，空間可以是有限而無界的。
它可以徑直彎曲，&ldquo自我封閉&rdquo起來。
這樣一來，一位假想的空間探險家雖然試圖盡可能筆直地駕駛飛船，卻會在空間中沿測地線回到其出發點。
當然，這就像一位古希臘探險家從家鄉雅典出發一路西行，許久之後卻發現又從東門進入了這座城市。
正如我們無需環遊世界，隻通過研究一小塊地方的幾何學就可以确定地面的曲率一樣，我們在現有望遠鏡的視程内做出類似的測量，就可以回答三維宇宙空間的曲率問題。
在第五章我們看到，必須區分兩種曲率：對應于有限閉空間的正曲率，以及對應于馬鞍形無限開空間的負曲率（參見圖42）。
這兩種空間的區别在于：在閉空間中，均勻散布在與觀測者的某一距離之内的物體，其數目的增長慢于該距離的立方；而開空間中的情況則恰恰相反。
在我們的宇宙中，&ldquo均勻散布的物體&rdquo就是各個星系，因此要想解決宇宙曲率的問題，我們隻需數出不同距離處的各個星系的數目。
哈勃實際做過這種計數，他發現星系的數目似乎比距離的立方增長得慢一些，因此空間可能是正曲率和有限的。
但要注意，哈勃觀測到這種效應非常小，幾乎已達威爾遜山那架口徑100英寸望遠鏡的觀測極限。
最近用帕洛馬山那架口徑200英寸的新反射式望遠鏡所作的觀測尚未對這個重大問題給出更進一步的答案。
現在之所以還不能對宇宙是否有限這個問題給出最終的确切回答，還因為遙遠星系的距離隻能基于它們的視亮度（平方反比律）來判斷。
這種方法需要假設所有星系都有同樣的亮度，但若星系的亮度随時間而變化，從而暗示亮度與年代有關，就會導出錯誤的結論。
别忘了，透過帕洛馬山望遠鏡可以看到的最遙遠的星系在10億光年以外，因此我們看到的是它們在10億年以前的狀态。
如果各個星系随着衰老而逐漸變暗（也許是因為活動恒星的數量越來越少），哈勃的結論就必須加以修正。
事實上，隻要星系的亮度在10億年裡（約為其整個壽命的1/7）改變一點點，就能把目前關于宇宙有限的結論颠倒過來。
于是我們看到，要想确定我們的宇宙是有限還是無限，還有許多工作要做呢。
英國著名物理學家和天文學家金斯（JamesHopwoodJeans）已經用數學證明，上述說法對于旋轉的氣體球是成立的，但它們也完全适用于被我們稱為星系的巨大星雲。
事實上，我們可以把這樣聚集在一起的億萬顆恒星看成一團氣體，把恒星看成一個個分子。
将金斯的理論計算與哈勃對星系的經驗分類作一對比，就會發現這些巨大的恒星群體遵循的正是該理論所描述的演化進程。
特别是，我們發現，拉伸最長的橢球狀星雲的半徑之比為7/10（E7），這是我們注意到有明顯赤道棱的第一例。
演化後期出現的螺旋則顯然是由快速旋轉時抛出的物質所形成的。
不過迄今為止，我們還不能完全令人滿意地解釋這些螺旋形為何會形成以及如何形成，還有簡單螺旋與棒旋之間的差别是什麼原因造成的。
關于這些星系的構造、運動和各部分的組成，還需要做進一步研究。
例如，威爾遜山天文台的天文學家巴德（WalterBaade）數年前得出了一個有趣的結論：螺旋星雲的中心體（核）所由以形成的恒星與球狀、橢球狀星系的恒星是同一類型，而旋臂本身所顯示的星族卻相當不同。
這種&ldquo旋臂&rdquo型星族因為出現了熾熱而明亮的成員而有别于中心區域的星族，無論是球狀、橢球狀星系還是中心區域，都沒有這些所謂的&ldquo藍巨星&rdquo。
我們稍後（在第十一章）會看到，藍巨星很可能是新近形成的恒星，所以有理由認為，旋臂可以說是産生新星族的溫床。
可以設想，從正在收縮的橢球狀星系的赤道凸起抛出的物質有一大部分是由原始氣體形成的。
進入寒冷的星系際空間後，這些氣體凝聚成一塊塊巨大的物質，後經收縮而變得熾熱而明亮。
在第十一章我們還會回到恒星的誕生和生命問題，現在我們要考慮一下各個星系在廣闊宇宙中的大緻分布。
首先要說的是，基于脈動星的測距法雖然在用于銀河系附近的一些星系時給出了很好的結果，但進入空間深處時就不管用了，因為此時我們所到達的距離已經大到無法分辨各個星星的程度，即使透過最強大的望遠鏡，所看到的星系也像是微小的長條星雲。
再往深處走，我們就隻能憑借可見尺寸來判斷距離，因為與恒星不同，所有同類型的星系都大約是同一尺寸。
如果所有人都是同一高度，既無侏儒又無巨人，你就總可以通過觀察一個人的視大小來說出他的遠近。
哈勃用這種方法估算了遙遠星系的距離，他表明，就我們目之所及（輔以最強大的望遠鏡），星系在空間中或多或少是均勻分布的。
之所以說&ldquo或多或少&rdquo，是因為在許多情況下，星系成群地聚集在一起，有時竟包含數千個成員，就像衆多恒星聚集成星系一樣。
我們的銀河系似乎屬于一個較小的星系群，其成員包括三個螺旋星系（包括銀河系和仙女座星雲）、六個橢球狀星系及四個不規則星雲（其中兩個是大小麥哲倫星雲）。
不過，除了這種偶爾的聚集，從帕洛馬山天文台口徑200英寸的望遠鏡看過去，各個星系其實是非常均勻地散布在10億光年以内的整個空間中。
兩個相鄰星系的平均距離約為500萬光年，可見的宇宙視野包含有數十億個恒星世界！ 如果還用我們之前的比喻，認為帝國大廈是顆細菌，地球是顆豌豆，太陽是個南瓜，那麼銀河系就是大緻分布在木星軌道之内的數十億個南瓜的聚集體，而許許多多這樣的南瓜堆又散布在半徑略小于地球與最近恒星之間距離的一個球形體積内。
不錯，我們的确難以找到一種表示宇宙距離的恰當尺度。
即使把地球比做一顆豌豆，已知宇宙的尺寸仍然是個天文數字！圖116試圖表明天文學家是如何一步步勘測宇宙距離的：從地球開始，到月亮，再到太陽、恒星，然後到遙遠的星系，一直到未知事物的邊界。
圖116 宇宙勘測的裡程碑，用光年表示的距離 現在，我們準備回答宇宙尺寸這個基本問題。
宇宙是無限擴展的，還是占據着某個極為巨大但仍然有限的體積？随着望遠鏡制造得越來越強大、越來越精良，天文學家是否總能發現一些尚未勘測的新空間區域呢？抑或與此相反，宇宙至少原則上是可以勘測到最後一顆星的？ 當我們說宇宙可能&ldquo尺寸有限&rdquo時，當然并不是指在幾十億光年以外的某個地方，空間探險家會碰到一堵牆，上面寫着&ldquo嚴禁擅自進入&rdquo字樣。
事實上，我們在第三章已經看到，空間可以是有限而無界的。
它可以徑直彎曲，&ldquo自我封閉&rdquo起來。
這樣一來，一位假想的空間探險家雖然試圖盡可能筆直地駕駛飛船，卻會在空間中沿測地線回到其出發點。
當然，這就像一位古希臘探險家從家鄉雅典出發一路西行，許久之後卻發現又從東門進入了這座城市。
正如我們無需環遊世界，隻通過研究一小塊地方的幾何學就可以确定地面的曲率一樣，我們在現有望遠鏡的視程内做出類似的測量，就可以回答三維宇宙空間的曲率問題。
在第五章我們看到，必須區分兩種曲率：對應于有限閉空間的正曲率，以及對應于馬鞍形無限開空間的負曲率（參見圖42）。
這兩種空間的區别在于：在閉空間中，均勻散布在與觀測者的某一距離之内的物體，其數目的增長慢于該距離的立方；而開空間中的情況則恰恰相反。
在我們的宇宙中，&ldquo均勻散布的物體&rdquo就是各個星系，因此要想解決宇宙曲率的問題，我們隻需數出不同距離處的各個星系的數目。
哈勃實際做過這種計數，他發現星系的數目似乎比距離的立方增長得慢一些，因此空間可能是正曲率和有限的。
但要注意，哈勃觀測到這種效應非常小，幾乎已達威爾遜山那架口徑100英寸望遠鏡的觀測極限。
最近用帕洛馬山那架口徑200英寸的新反射式望遠鏡所作的觀測尚未對這個重大問題給出更進一步的答案。
現在之所以還不能對宇宙是否有限這個問題給出最終的确切回答，還因為遙遠星系的距離隻能基于它們的視亮度（平方反比律）來判斷。
這種方法需要假設所有星系都有同樣的亮度，但若星系的亮度随時間而變化，從而暗示亮度與年代有關，就會導出錯誤的結論。
别忘了，透過帕洛馬山望遠鏡可以看到的最遙遠的星系在10億光年以外，因此我們看到的是它們在10億年以前的狀态。
如果各個星系随着衰老而逐漸變暗（也許是因為活動恒星的數量越來越少），哈勃的結論就必須加以修正。
事實上，隻要星系的亮度在10億年裡（約為其整個壽命的1/7）改變一點點，就能把目前關于宇宙有限的結論颠倒過來。
于是我們看到，要想确定我們的宇宙是有限還是無限，還有許多工作要做呢。