第3章　宇宙比任何人想象的都要大

第19夜：粉色灯光下的生菜

第十九天，努尔上午当了一回园丁。空间站的一个角落里有一个小小的植物培养箱，大约有一个厨房吊柜那么大，植物在彩色灯光下生长。灯光是红光和蓝光的混合，让整个培养箱泛着粉色。红色和蓝色是叶子生长时用得最多的颜色，所以没有必要把电力浪费在其他颜色上。箱子里，一排生菜幼苗正从一个个小布枕里往上长，布枕里装着一种类似黏土的栽培基质和肥料。

她的任务是检查每一株植物，拍照，测量叶子，再通过一根细管小心地加一点水。在失重中，水不会像在地球的土壤里那样往下渗。它可能会聚成一个水球停在表面，也可能沿着布枕的侧面慢慢爬，所以必须慢慢地给水。根也有一个奇怪的问题。在地球上，根往下长，是因为它们能感觉到引力的牵引。而在这里，根感觉不到“下”在哪里，所以植物主要依靠光的方向。叶子朝着灯伸展，而根大多朝相反的方向长，钻进湿润的栽培基质里。

努尔喜欢这份工作。它让人感觉离日常生活很近，就像在阳台上照料一个小花园。地面上的科学家会研究她拍的照片和测量的数据，了解将来植物怎样才能在长途旅行中为乘组提供食物。几周后，乘组还会获准吃掉一部分叶子。阿德早已宣布，他会负责带盐。

下午，托马斯请她帮忙做另一件工作：把用过的设备和垃圾装进一艘货运飞船。这艘飞船之后会离开空间站，在高层大气中烧毁，不会造成任何危害。这是每个工作场所都有的那种工作，没有人会去拍照的那种。每个袋子都要贴上标签，在一台专门的装置上称重，再用带子固定在指定位置，这样飞船发动机点火时就不会有东西移位。等他们做完时，货运飞船的小舱看起来就像一辆装得整整齐齐的搬家车，努尔的手臂也因为推那些沉重却没有重量的袋子而累了。

那天晚上，做完最后一份检查清单之后，努尔来到窗前。空间站在一片海洋上空进入了黑夜，那里完全没有城市的灯光。她的眼睛适应了黑暗之后，看见一条淡淡的光带横跨天空，不均匀，又很柔和，像一缕雾。那是银河。她在地球上只在远离城镇的地方见过几次，而在这里，它清晰而宽阔。她想起，仅仅在大约一百年前，许多天文学家还相信，这条光带和它周围的星星构成了整个宇宙。

那天晚上给萨米写消息时，她先提了一个自己的问题：“你知道1900年的宇宙有多大吗？不是真实的宇宙，是人们所相信的那个宇宙。”

只有一个星系的宇宙

银河那条淡淡的光带，就是我们自己的星系，是从内部看到的样子。星系是一个巨大的家族，由恒星、气体和尘埃组成，靠引力聚在一起。我们的星系形状大致像一个扁平的圆盘，中间有一个凸起。太阳是这个圆盘里的一颗恒星，离中心很远，大约在到边缘的半路上。当我们沿着圆盘的方向看时，看到的是许许多多遥远的恒星挤在一起，模糊成一条柔和的光带。当我们朝着离开圆盘的方向看时，看到的恒星就少了，黑暗就多了。

一幅简单的画面可以帮助理解。想象你站在一片辽阔而平坦的森林中央。如果你朝前方看，不管沿着地面朝哪个方向，树木都重重叠叠，密得让你只看见一堵由树干组成的墙。如果你抬头往正上方看，就只能看到几根树枝，然后便是开阔的天空。我们生活在自己星系的圆盘里，就像一个人身处那片森林之中。沿着圆盘看，我们看到一堵拥挤的星墙，也就是那条淡淡的光带。朝圆盘之外往上看，我们看到的是开阔的太空。

今天我们知道，银河系的直径大约有100,000光年，包含数千亿颗恒星。这已经是一个几乎无法想象的大小了。光这位最快的信使，仅仅从一边穿到另一边，就需要大约100,000年。然而在20世纪初，许多天文学家认为这就是一切。在他们的图景里，宇宙是一座巨大的恒星之岛，漂浮在一片无边无际的黑暗海洋中，岛外别无他物。

这幅图景中有一个谜。天文学家用望远镜在天空中发现了许多暗淡、模糊的光斑，散落在各处。他们把这些光斑叫作星云，这个词源自一个表示云或雾的古老词语。其中有些星云显然是恒星之间发光的气体云。但另一些却不一样。许多星云有着美丽的旋涡形状，就像水流旋转着流进下水口，它们看起来是由一种柔和的光组成的，当时没有任何望远镜能把这种光分解成一颗颗单独的恒星。这些星云被称为旋涡星云。

它们到底是什么？有些天文学家认为，它们是我们自己星系里的小块云团，也许是正在诞生的新恒星系统。另一些人则认为，它们可能本身就是完整的星系，离我们非常遥远，以至于它们的几十亿颗恒星模糊成了一片雾，就像银河在我们眼中的样子。认为可能存在其他星系、其他“岛宇宙”的想法并不新鲜，一百多年前就有思想家提出过。但谁也无法证明是这样还是那样，因为谁也无法测量旋涡星云离我们有多远。

这是天文学的核心难题。当你看着天空中的一个光点时，你很难分辨它是近处一盏暗淡的灯，还是远方一盏明亮的灯。房间另一头的一支蜡烛和远处海岸上的一座灯塔，看起来可能一样亮。要测量宇宙的大小，天文学家需要一种办法来知道一个光源真正有多亮。他们需要一种有时被称为“标准烛光”的东西：一种真实亮度已知的光源，这样就能根据它看起来有多亮推算出它的距离。

测量星星的女性

关键来自一位名叫亨丽埃塔·勒维特的女性。20世纪初，她在一座天文台工作，是一个受雇研究照相底片的女性团队中的一员。这些底片是涂有感光层的玻璃板，装在望远镜的末端来记录星星。一夜又一夜，望远镜拍下照片。一天又一天，这些女性用放大镜仔细查看底片，测量星星的亮度，比较不同夜晚拍摄的底片，并把一切都认真地记录下来。

这是一项缓慢、需要耐心的工作，报酬也不高。这些女性常被称为“计算员”，因为在机器还不能做这件事的年代，她们的工作就是计算。她们中的许多人都是非常出色的天文学家，尽管在当时她们很少被冠以这个称号。勒维特的任务是寻找亮度会随时间变化的恒星。她研究的是两个小小的、像云一样的星系的底片，从地球的南半部分可以看到它们。她在其中发现了一千多颗这样亮度变化的恒星。

其中有一种特殊的恒星，它以稳定的节奏变亮又变暗，就像缓慢的心跳，周期大约在一天到几周之间。这种恒星被称为造父变星。勒维特注意到了它们身上一件非同寻常的事。越亮的造父变星，完成一次节奏所需的时间越长。越暗的，跳动得越快。而且因为同一个小星系里的所有恒星离我们的距离大致相同，所以亮度上的差别必定是真实的，而不仅仅是因为有些恒星离得更近。

她在1912年发表了这个结果。这意味着，造父变星的节奏揭示了它真实的亮度。测出这颗恒星脉动一次需要多长时间，你就知道它真正有多亮。再把这个亮度和它看起来的亮度作比较，就能推算出它离我们有多远。造父变星恰恰就是天文学家一直缺少的那种标准烛光。一旦用其他方法测出了几颗近处造父变星的距离，勒维特的规律就可以像一把卷尺一样，延伸到整个天空。

亨丽埃塔·勒维特没能活着看到她的发现变得多么重要。经过多年默默无闻的工作，她于1921年去世，几年之后，她的规律被用来解答了天文学中最重大的问题之一。她的故事很好地提醒我们，伟大的成果常常诞生于细致而不起眼的工作，而做这些工作的人，名字并不总是被人记住。

一场没有答案的争论

到了1920年，旋涡星云的问题已经变得非常重要，以至于两位顶尖的天文学家在一次科学会议上陈述了彼此对立的观点。这件事常被人们称为“世纪大辩论”。一位天文学家认为，我们的星系极其巨大，比人们以为的要大得多，而旋涡星云是位于它内部或附近的小天体。另一位则认为，我们的星系要小一些，而旋涡星云本身就是遥远的星系。

这场辩论有意思的地方在于，双方都是部分正确、部分错误的。第一位天文学家利用造父变星和其他线索，正确地证明了我们的星系非常大，而且太阳并不在它的中心。这是重要的一步。第二位天文学家认为旋涡星云是独立的星系，这一点是对的，但他以为我们自己的星系比实际的要小。双方都没有足够的证据来解决这个问题。

这场辩论并不是一场比赛，最后宣布谁是赢家。每位天文学家都陈述了自己的证据，之后两人又各自写了更长的论文来解释自己的理由。其他天文学家读了这些论文，在信件里、在会议上争论，然后又回到自己的望远镜前。最终，这个问题并不是由谁讲得更有说服力来解决的。几年之后，它是由一次测量解决的。科学本来就应该是这样，尽管并不总是这么快。

这样的事在科学中经常发生。两个认真的人看着不完整的证据，得出了不同的结论。谁也不愚蠢。他们都在用手头已有的东西尽力而为。争论本身是有用的，因为它让人们清楚地看到需要什么样的证据。在这个问题上，大家对什么能解决它是有共识的：可靠地测出至少一个旋涡星云的距离。如果有人能在其中一个旋涡星云里找到一颗造父变星，勒维特的规律就能给出答案。

困难在于实际操作。一颗位于遥远旋涡星云中的造父变星会极其暗弱，当时大多数望远镜都暗得根本无法把它作为一颗单独的星星分辨出来。要看到它，一位天文学家需要世界上最大的望远镜之一，需要极大的耐心，还需要许多个寒冷的夜晚的工作。

仙女座里的一颗星

那位天文学家就是埃德温·哈勃。1923年和1924年，他在远离城市灯光的一座山上，用当时最大的望远镜之一一夜又一夜地工作，拍摄了旋涡星云中最大、最亮的那一个，也就是位于仙女座天区的那一个。在比较自己的照相底片时，他发现了一颗亮度以稳定节奏升降的恒星。那是一颗造父变星。很快，他又发现了更多。

这个故事里的一个小细节被保留了下来。哈勃第一次在一张玻璃底片上看到这颗星时，把它标记为一颗可能的新星，也就是那种突然亮起一次然后逐渐暗下去的星。当他把它和同一片天区更早的底片作比较，看到它的光以重复的节奏起起落落时，他划掉了自己最初的标记，写下一条简短的注释，说明它是一颗变星，也就是一颗亮度会变化的星。那张带着他更正过的注释的底片至今仍被保存着。它很好地提醒我们，即使是伟大的发现，也是从一个人更正自己最初的猜测开始的。

利用勒维特的规律，哈勃推算出了这些恒星有多远。答案远远超出了我们自己星系的大小，即使按照当时最大的估计也是如此。仙女座星云并不是银河系里的一小块云。它是另一个星系，远在我们的星系之外，由数量巨大的属于它自己的恒星组成。他的结果大约在1925年初公布。

哈勃对距离的第一次估计还不到今天数值的一半，因为那把“卷尺”存在一些误差，后来才得到了修正。今天我们知道，仙女座星系离我们大约250万光年。但即便是他最初的数字也已经足够了。在很短的时间里，宇宙就从一个星系变成了无数个星系，散布在太空的各个方向。银河系不再是宇宙本身。它只是许许多多岛屿中的一座。

这一变化有多大，怎么说都不为过。在一代人的职业生涯之内，已知的宇宙变大了那么多，以至于旧的图景显得渺小极了。而这还只是开始。哈勃和其他人很快开始更仔细地研究来自这些星系的光，并发现了一件更奇怪的事，那就是这本书下一个夜晚的故事。

入睡之前

努尔一直待在窗前，直到空间站重新进入白昼。然后她给萨米写消息：“1900年的时候，许多天文学家认为我们的星系就是整个宇宙。后来，一位在玻璃底片上测量星星的女性找到了测量距离的办法，一位在大望远镜前工作的男性用这个办法证明了仙女座星云是一个独立的星系。一下子，就有了无数个星系。今天的作业：如果遇到一个漆黑的夜晚，找一找横跨天空的一条淡淡的光带。那就是我们的星系，从里面看到的样子。”

第二天早上，萨米下班后睡觉之前回了消息。他写道，多年以前，他曾经见过一次银河，那是在一条穿过乡间的送货路线上，他把车停在一条没有路灯的路边。他当时以为那是一片薄云。“现在我知道了，那是几千亿颗星星，”他写道，“我会再去看看的。”

努尔在吃早饭时读了他的消息，身旁飘着正从一个袋子里吃果干的阿德。她把消息给他看。阿德说，他喜欢这个画面：一个卡车司机站在漆黑的路边，看着几千亿颗星星，以为它们是一片云。“历史上活过的大多数人都是这么想的，”他说，“你弟弟可不孤单。”

如果你住在城镇或城市里，也许很少能看到银河，因为路灯和亮着灯的窗户把天空照亮了。这不是什么值得难过的事。它只是一个理由：如果哪一天你在一个晴朗的夜晚远离了灯光，就抬头看一会儿。那条淡淡的光带会在那里，就像在人类历史上的每一个夜晚那样，等着任何一个有片刻闲暇去留意它的人。

常见的误解

许多人以为银河系就是宇宙，或者以为这两个词的意思差不多。正如我们所看到的，仅仅在一个世纪以前，这还是许多天文学家的看法。但今天我们知道，银河系只是数量极其庞大的星系中的一个，星系多到根本无法一个一个地数。银河系是我们的家园星系，是我们身处其中的那一个。而宇宙是一切：所有的星系，它们之间所有的空间，以及存在的其他一切。

有些人认为，其他星系只有用大型望远镜才能看到。确实，它们中的大多数都太暗了，肉眼看不见。但也有几个不用任何仪器就能看到。在远离灯光、晴朗而漆黑的夜晚，仙女座星系看上去是一小团暗淡的模糊光斑，一个柔和光芒组成的小椭圆。它看起来不像书里那些旋涡状的照片，因为肉眼只能看到它明亮的中心。尽管如此，如果你找到了它，你就是在用自己的眼睛看着大约250万年前离开另一个星系的光。在地球的南半部分，亨丽埃塔·勒维特研究过的那两个小星系，也能在漆黑的天空中被看成两片淡淡的云。

第三个误解与“星云”这个词有关。今天，天文学家用它来指太空中的气体和尘埃云，比如那些新恒星诞生、正在发光的地方。过去，同一个词被用来指望远镜里任何一块暗淡模糊的光斑，包括后来被证明是星系的那些旋涡星云。这就是为什么旧书里说的是“仙女座星云”，而现代的书里说的是“仙女座星系”。它们是同一个天体。改变的只是我们的认识。像这样名称保留下来、知识却在增长的变化，正是科学故事的一部分。在下一个夜晚，我们会看到，仔细观察星系的颜色，又一次改变了我们对宇宙的图景。