纪念哈勃服役30年，宇宙学：有它没它真的不一样
服役将满30年的哈勃老了，之前已经5次传出其即将退役的消息，由于继任者（韦伯望远镜）迟迟无法升空，导致哈勃在经历几次大手术之后，仍旧坚守在自己的岗位上。这几天为了纪念哈勃升空30年，好多科学领域的作者写了大量关于哈勃的文章。
我想我不会比他们写得更好了，所以决定另辟蹊径，写写哈勃太空望远镜对宇宙学研究的影响。也从另外一个角度来反映一下哈勃太空望远镜的重大意义，谨以此文纪念哈勃30年来带给宇宙学的伟大贡献。
说起宇宙学，可能大部分小伙伴都很陌生，因为这是现代物理与天文学联姻形成的一个全新的学科，它的正式名称叫做物理宇宙学或者现代宇宙学。其主要的研究手段是借助现代物理理论、数学方法和现代天文学观测研究宇宙的成分、结构和演化。
换句话说，现代宇宙学认为宇宙本身可以在物理学的思维框架内用物理学的语言来描述，这是人类将物理学理论应用到最大尺度上所得到的产物。提出这个思想的人，就是爱因斯坦。他在发表了自己的广义相对论之后，希望把这一理论用于其他科学领域的研究中。
有人曾经想把广义相对论用于量子力学的研究中，但是由于量子力学研究的主要是电子、原子核之间的相互作用，引力的强度只是两个电子之间电磁力的10^37分之一，因此爱因斯坦认为广义相对论不会对量子力学有什么影响。
但宇宙是电中性的，星体之间的电磁相互作用可以忽略，引力作用则是主要的，他认为把广义相对论应用于宇宙学的研究上可以大有可为。如今的广义相对论宇宙学几乎成了宇宙学的代名词。
天文望远镜被伽利略发明出来之后就用于天文观测，他发现了月球的高地和环形山投下的阴影，接着又发现了太阳黑子，此外还发现了木星的4个最大的卫星。 自那以后，科学技术已经获得了长足进步，光学技术的腾飞促使科学仪器不断更新。
当今最先进的地面望远镜具有庞大的结构，直径达10米的灵活转动镜片。然而，现代高级的天文望远镜都是在前 人基础上发展起来的。随着望远镜技术的发展，人类的目光逐渐从地球附近伸向远方。这时候望远镜中的物质分布都是成团的结构。
卫星绕着行星转，行星绕着恒星转，众多的恒星形成星团和星系，围绕着它们的质心转。地球所在的银河系大约由1000亿~2000亿颗恒星组成，形成直径达到10万光年的旋转的盘状结构。银河系与其他几十个河外星系组成星系群。
望远镜进一步观察发现，星系都聚集成星系团（包含成百上千个星系）或星系群（包含不到100个星系）。星系团或群中的星系都围绕该团或群的质心转动。星系团或星系群的直径大约在1000万光年（10^7光年）左右。
当望远镜伸向更远的空间时，人们发现在10^8光年以上，物质分布不再是成团的，众多的星系团或群均匀各向同性地分布在宇宙空间。在哈勃没有升空的日子里，人类望远镜观测的距离达到100亿光年（10^10光年）以上。在这样辽阔的宇宙空间中，物质分布大体上是均匀各向同性的。
观测事实表明，光是以有限速度传播，望远镜看到的天体都是它们过去的样子。比如，太阳发出的光到达地球需要8分钟，所以我们看到的是8分钟之前的太阳。比邻星距离我们4.2光年，所以我们看到的比邻星是4.2年前的样子。所以天文望远镜看到的不仅是远方，而且还是宇宙的 历史 。
爱因斯坦根据前面所述的天文观测结果总结出一条原理：在宇观尺度上（10^8光年以上），宇宙中的物质始终均匀各向同性地分布着，这条原理被称为宇宙学原理。
在哈勃望远镜没有升空之前，天文学家观测宇宙各种数据的误差估计值为50%，而哈勃太空望远镜升空之后把误差值降低到了10%，从而在更高的精度上，进一步确认了宇宙学原理中所描述的宇宙均匀各向同性的性质，使得宇宙学原理具有更坚实的观测基础。
如果我们提问：哈勃望远镜是如何提高测量精度的？这与我们提问：为什么要将望远镜送入太空？是同一个问题。如果仅从望远镜的参数上看，哈勃太空望远镜与地面上一些大型天文望远镜有较大的差异，在很多参数上都有如不，但哈勃升空之后，这些短板不仅得到了补足，某些方面还有提高。
首先 ，布置在太空中的哈勃望远镜避开了大气湍流和吸收，虽然湍流使人们在地面上感到高兴，导致星星闪烁，但这会让天文学家感到沮丧，细节在混乱中消失。大气吸收则可以把波长0.3微米以下的紫外线统统阻挡在地球外面。这两种效应使得再好的大型望远镜的分辨率也难以接近光学上的所谓的衍射极限。而把同样的大型望远镜放到处在真空环境的太空，分辨率可提高10倍。
其次 ，布置在太空中的哈勃望远镜避开了地球引力的影响。大型望远镜需要巨大的光学透镜，地球的引力会使大透镜制造时产生微小的形变，而微小形变会使望远镜分辨率大大降低。哈勃太空望远镜刚刚升空时，就因为望远镜的主镜的边缘在地面加工时多磨去了2微米（大约只有头发丝的1/50），而无法使用。结果，“奋进号”航天飞机只能上天，派出航天员给哈勃太空望远镜“戴上”称为“光学矫正替换箱”的“眼镜”，才使“哈勃”的“视力正常”。
再次 ，布置在太空中的哈勃望远镜避开了地面震动的影响。无论是人类活动产生的震动还是地球内部产生的震动，都会影响望远镜对宇宙深空的观测。这个道理就与我们用一个不稳定的三脚架去拍照是一样的。
在太空中运行的哈勃望远镜就拥有这样一个没有任何干扰、“与世隔绝”的环境。需要说明的是，把望远镜从地面部署到太空这样的思路，与其他物理实验中采用隔离法的思路是一致的。
哈勃在冷寂的太空中孤独而又顽强地服役了30年了，我无法确定它究竟什么时候退休，但哈勃在这30年里不仅给我们送上了无数精美的宇宙深空照片、更是促进了宇宙学的发展、为宇宙学添加了更多的观测证据。这些观测结果深刻地改变了人类对于宇宙的认识，也代表着人类对未知宇宙的强烈好奇心。即使有一天它真的离开了，我们也不会忘记这位曾经的“英雄”。
绛旓細鏈嶅焦灏嗘弧30骞寸殑鍝堝媰鑰佷簡锛屼箣鍓嶅凡缁5娆′紶鍑哄叾鍗冲皢閫褰圭殑娑堟伅锛岀敱浜庣户浠昏咃紙闊︿集鏈涜繙闀滐級杩熻繜鏃犳硶鍗囩┖锛屽鑷村搱鍕冨湪缁忓巻鍑犳澶ф墜鏈箣鍚庯紝浠嶆棫鍧氬畧鍦ㄨ嚜宸辩殑宀椾綅涓娿傝繖鍑犲ぉ涓轰簡绾康鍝堝媰鍗囩┖30骞达紝濂藉绉戝棰嗗煙鐨勪綔鑰呭啓浜嗗ぇ閲忓叧浜庡搱鍕冪殑鏂囩珷銆傛垜鎯虫垜涓嶄細姣斾粬浠啓寰楁洿濂戒簡锛屾墍浠ュ喅瀹氬彟杈熻箠寰勶紝鍐欏啓鍝堝媰澶┖鏈涜繙...
绛旓細鍝堝媰鏈涜繙闀滃凡缁忓湪澶┖涓父璧板皢杩30骞鐨勬椂闂翠簡銆傚湪杩30骞撮棿锛屽畠鎷嶆憚浜嗗緢澶瀹囧畽澶┖涓殑缇庝附鍥剧墖銆傛垜鐮旂┒杩欎簺鎷嶆憚鐨勫浘鐗囷紝鎴戜滑鍙互鐭ラ亾瀹囧畽涓皯鍖呭惈鍗冧嚎浠ヤ笂鐨勬槦绯伙紝鐢氳嚦杩樻湁鍙兘杈惧埌1涓囦嚎涓槦绯汇備竴銆佸搱鍕冩湜杩滈暅绠杩板搱鍕冩湜杩滈暅涓庢櫘閫氱殑澶╂枃鏈涜繙闀滄湁鎵涓嶅悓锛屽畠鏄竴绉嶇┖闂存湜杩滈暅銆傝繖绉嶆湜杩滈暅杩欎簺鏄敱缇庡浗鐨勮壘寰锋俯...
绛旓細涓嶈繃鍔熷か涓嶈礋鏈夊績浜,缁堜簬鍦1990骞4鏈24鏃ヨ繖澶,鍝堝媰绌洪棿鏈涜繙闀滄惌涔樺彂鐜板彿鑸ぉ椋炴満鍗囩┖骞惰繘鍏ラ瀹氳建閬,寮灞曡娴嬪伐浣! 鏃惰嚦浠婃棩,鍝堝媰鏈涜繙闀滃凡缁忛『鍒╁崌绌30鍛ㄥ勾銆傞偅涔,鍝堝媰涓轰綍鑳芥甯稿伐浣30骞? 鍝堝媰鏈涜繙闀滅殑鑹伴毦缁翠慨鍘嗙▼銆 1940骞4鏈堟湰浠ヤ负杩欐鍝堝媰鏈涜繙闀滃崌绌,浼氫负鎴戜滑浜虹被鍦ㄥぉ鏂囧鏂归潰濂犲畾浜嗗潥瀹炵殑閲岀▼纰,鎻紑瀹囧畽鐨勯潰绾,...
绛旓細涓夊崄骞鍓,鈥滃彂鐜板彿鈥濊埅澶╅鏈哄皢鍝堝媰绌洪棿鏈涜繙闀滈佸叆杞ㄩ亾,浣嗗搱鍕冪┖闂存湜杩滈暅鍥炰紶鐨勭涓缁勭収鐗囨垚鍍忚川閲忚繙浣庝簬棰勬湡銆傜洿鍒1994骞1鏈13鏃,缁忚繃鍏夎矾淇鐨勫搱鍕冪┖闂存湜杩滈暅鍥炰紶鐨勪竴缁勭収鐗,璁╀汉绫讳笘鐣岀涓娆＄湅鍒颁簡娓呮櫚鐨勬渤澶栨槦绯,鍝堝媰涔熺敱姝ゆ寮忔垚涓哄ぉ鏂囧瀹惰娴瀹囧畽鐨勫己鏈夊姏宸ュ叿銆 鍗充究鏄苟涓嶅叧蹇冨畤瀹欑殑浜轰滑,涔熷緢灏戞湁浜轰笉鐭ラ亾...
绛旓細鈥濅粖鏃ョ墿鐞嗗 AIP鍑虹増鐨勩婁粖鏃ョ墿鐞嗗銆(Physics Today)鍦4鏈堜唤鐨勪竴鏈熶腑锛屽洖椤句簡璇ユ湜杩滈暅鐨 鍘嗗彶 锛屽苟鍒嗘瀽浜鍝堝媰杩囧幓30骞鐨勫彂鐜帮紝浠ユ鏉ョ獊鍑绾康杩欎竴鍛ㄥ勾銆傚嵃鍒风増鐨勬彃椤靛皢鍦ㄥぉ绌哄湴鍥句笂绮剧‘瀹氫綅鍝堝媰鏈涜繙闀滅殑瑙傛祴浣嶇疆锛屽苟绐佸嚭鏈涜繙闀滅殑浼熷ぇ鍙戠幇鍜屽浘鍍忋傝繖寮犲湴鍥惧皢浣滀负銆婁粖鏃ョ墿鐞嗗銆嬪叧浜庡搱鍕冪殑浜掑姩婕旂ず鐨勪竴閮ㄥ垎...
绛旓細绉戝瀹朵滑涔熻〃绀,鍙鍝堝媰澶┖鏈涜繙闀滆繕鑳界户缁繘琛瀹囧畽鎺㈡祴浠诲姟,渚夸笉浼氫富鍔ㄥ皢鍏舵崲涓,鐩村埌姝ｅ父杩愯鐨勬渶鍚庝竴鍒讳负姝 褰撶劧,杩欎釜鏃跺欎綘鍙兘浼氭湁浜涘ソ濂囦簡,涓轰粈涔堜竴涓璁″彧鑳藉伐浣10骞寸殑澶╂枃鏈涜繙闀,绔熺劧杩樺彲浠ュ湪30骞涔嬪悗渚濈劧姝ｅ父杩愯浆銆傚叾瀹,杩欒窡鍝堝媰澶┖鏈涜繙闀滅殑璁捐鏈夊緢澶у叧绯,鍥犱负,绉戝瀹朵滑鍙互鏍规嵁瀹冨瓨鍦ㄧ殑闂鏉ヨ繘琛岀淮淇拰...
绛旓細鍝堝媰鏈涜繙闀滄槸澶╂枃瀛︿腑鏈閲嶈鐨勬湜杩滈暅锛屼簬1990骞村彂灏勫湪澶ф皵灞備箣涓婄殑鍏夊鏈涜繙闀滐紝鐢ㄥぉ鏂囧瀹剁埍寰锋俯·鍝堝媰鐨勫悕瀛楀懡鍚嶏紝鏄叿鏈変竴瀹氬悕姘旂殑鍏夊鏈涜繙闀溿2019骞寸殑鏃跺欙紝绉戝瀹跺叕甯冧簡杩勪粖涓烘鏈瀹屾暣鍜屽叏闈㈢殑瀹囧畽鍥捐氨锛屾槸鐢卞搱鍕冨湪澶氬勾闂存媿鎽勭殑涓冨崈澶氬紶鏄熺┖鍥剧墖鎷兼帴鑰屾垚鐨勶紝鍖呭惈澶氫釜鏄熺郴锛屽绉戝瀹剁殑鐮旂┒鏈夐噸瑕...
绛旓細涓庢鍚屾椂,瀹囧畽鐨勮啫鑳閫熺巼骞朵笉鏄浐瀹氫笉鍙,鑰屽師鍥犲垯鍙兘涓庝竴绉嶆湭鐭ョ殑鏆楄兘閲忔湁鍏炽 鎴嚦鐩墠,鍝堝媰澶┖鏈涜繙闀滃凡缁忓湪鍏舵棦瀹氱殑杞ㄩ亾涓婁负鍏ㄤ汉绫绘湇鍔30骞,杩欎釜鏁板瓧骞朵笉鍙槸瀹冨鍛介暱鐭殑浣撶幇,鑰屾簮婧愪笉鏂湴鍚戝湴鐞冨洖浼犱嚎涓囧厜骞村鐨勭绉樹俊鎭墠鏄叾鏈澶х殑浠峰笺傛瘮濡,琚О涓烘渶鍏ㄥ畤瀹欏浘璋辩殑鈥滃搱鍕冮仐浜у満鈥(HLF),娑夊強浜26.5涓...
绛旓細鍝堝媰绌洪棿鏈涜繙闀滅殑鍙戝睍鍘嗗彶 瀵逛簬鍝堝媰绌洪棿鏈涜繙闀滄潵璇达紝鍏跺疄浠庢彁鍑哄埌鏈缁1990骞4鏈24鏃ョ殑鍙戝皠骞堕潪閭ｄ箞涓璺垚鍔燂紝鑰屽畠鐨勪竴涓悊璁哄熀纭杩樺彲浠ヨ拷婧埌1946骞达紝杩欐槸鐢卞ぉ鏂囧瀹惰幈鏇悸锋柉鐨瓥锛圠yman Spitzer, Jr.锛夋墍鎻愬嚭鐨勮鏂囥備絾鏄湪瀹冩彁鍑轰箣鍚庯紝骞舵病鏈夎窡濡備粖涓鏍风殑鍏呰冻璧勬簮鍜屽熀纭鎬ц澶囨潵杩涜鍝堝媰绌洪棿鏈涜繙闀滐紝鏈...
绛旓細鍝堝媰澶┖鏈涜繙闀滄槸涓栫晫涓婃渶钁楀悕鐨勬湜杩滈暅涔嬩竴锛屽湪澶┖涓凡缁鏈嶅焦浜嗗揩30骞浜嗭紝渚濈劧鍦ㄥ伐浣滀腑锛屾媿鎽勫ぇ閲忔瀬鏈変环鍊肩殑瀹囧畽鍥剧墖缁欐垜浠傚湪鍝堝媰浼犲洖鐨勫浘鐗囦腑锛屼笉浠呮湁琛屾槦銆佹亽鏄熴佹槦浜戙佹槦绯汇佽繕鏈夊ぇ鐗囩殑瀹囧畽鍖哄煙銆傚叾涓紝鏈浠や汉闇囨捈鐨勶紝灏辨槸鍝堝媰娣卞満鍥剧墖浜嗐傚搱鍕冩繁鍦猴紝鍏ㄧО涓哄搱鍕冩繁绌鸿鍦猴紝鏄搱鍕冨お绌烘湜杩滈暅灏嗕汉绫昏倝鐪...
