第十章 不断扩展的视野
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一、地球及其附近
现在，让我们把旅行从分子、原子和原子核拉回到尺寸较为熟悉的物体。不过，即将开始的新旅行是朝着相反的方向，即朝着太阳、星星、遥远的星云和宇宙深处。和微观世界的情况一样，科学沿这个方向的发展也使我们越来越远离熟悉的物体，视野变得愈发广阔。
在人类文明之初，所谓的宇宙被认为小得可怜。人们认为大地是一个巨大的扁盘，漂浮在四面环绕的海洋上。大地下方是深不可测的海水，上方是诸神的居所————天空。这个巨大的盘子足以支撑住当时地理学已知的所有陆地，包括地中海的各个海岸以及邻近的部分欧洲和非洲，还有亚洲的一小块地方；大地的北边以高山山脉为界，夜间太阳就在山后的“世界大洋”洋面上休憩。图104比较准确地显示了古人所认为的世界的样子。然而到了公元前3世纪，有个人对这种公认的简单世界图像提出了异议。他就是著名的希腊哲学家（当时用这个名称来称呼科学家）亚里士多德（Aristotle）。
图104 古人所理解的世界
亚里士多德在《论天》一书中提出了一种理论，认为大地其实是一个球体，上面覆盖着陆地和水，周围是气。他提出了许多论证来支持自己的观点，这些论证在我们现在看来非常熟悉和平凡。他指出，船消失在地平线上时总是船身先消失，桅杆还露在水面上，这表明海洋不是平的，而是弯曲的。他还指出，月食一定是因为地球的影子掠过了月亮表面。既然这个影子是圆的，所以大地本身也必定是圆的。但当时相信他的人并不多。人们不能理解，如果他说的是对的，那么生活在地球另一端（即所谓的对跖点）的人怎么会头朝下走路而不掉下去呢？那里的水为何不流向他们所说的天空呢（图105）？
图105 反驳大地为球形的论证
你瞧，当时的人并没有意识到，物体下落是因为受到了地球的吸引。对他们来说，“上”和“下”是空间中的绝对方向，在哪里都应该是一样的。认为绕地球转半圈，“上”“下”就可以互换，这种想法在他们看来就像爱因斯坦相对论的许多陈述在今天的人看来一样疯狂。当时，重物的下落不是像今天这样通过地球的吸引来解释，而是被解释成一切物体都有向下运动的“自然倾向”。因此，你若敢站在地球的下面一半，会向下掉到蓝天中去！这种反驳是如此有力，对旧观念进行调整是如此艰难，以至于直到亚里士多德去世后两千年的15世纪，仍然可以看到有人把地球对面的居民画成头朝下站着，以此来嘲笑大地是球形的观念。就连伟大的哥伦布（Christopher Columbus）在动身寻找通向印度的“相反道路”时，也未必确信自己的计划是可靠的。事实上，他因为美洲大陆的阻挡而并未实现这项计划。直到麦哲伦（Ferdinand de Magellan）作了著名的环球航行之后，关于大地是球形的最后一丝疑虑才彻底打消。
人们第一次意识到大地是个巨大的球体时肯定会问，这个球与当时已知的世界相比有多大？但古希腊的哲学家们当然无法作环球旅行，他们如何来测量地球的尺寸呢？
有一个办法，这是公元前3 世纪的著名科学家埃拉托色尼（Eratosthenes）最先发现的。他生活在希腊的殖民地————埃及的亚历山大里亚。亚历山大里亚以南5000斯塔迪姆远的尼罗河上游地区有一座城市叫赛伊尼，他听那里的居民讲，夏至那天正午，太阳正好悬在头顶，因此直立的物体都没有影子。埃拉托色尼还知道，这种事情在亚历山大里亚从未发生过。夏至那天，太阳与天顶（即头顶正上方）有7°的距离，即整个圆的1/50 左右。埃拉托色尼假定大地是圆的，非常简单地解释了这个事实，图106清楚地显示了这种解释。事实上，由于两座城市间的地面是弯曲的，竖直射到赛伊尼的太阳光必定会与北方的亚历山大里亚成某个角度。从图中还可以看到，如果从地心分别向赛伊尼和亚历山大里亚引两条直线，那么这两条线的夹角将等于从地心到亚历山大里亚的那条线（即亚历山大里亚的天顶方向）与直射到赛伊尼时的太阳光之间的夹角。
图106
由于这个角是整个圆的1/50，地球的周长就应是两城间距的50倍，即250 000斯塔迪姆。1斯塔迪姆约为1/10英里，因此埃拉托色尼得到的结果相当于25 000英里或40 000公里，的确非常接近现代的最佳估计值。
然而，对地球作第一次测量的重要之处并非在于结果是否精确，而在于认识到地球实在太大了。哎呀，它的总面积一定比当时已知的整个陆地面积大几百倍呢！这能是真的吗？如果是真的，已知的边界之外又是什么呢？
谈到天文距离，我们先得了解一下所谓的视差位移或简称视差。这个词听上去可能有些吓人，但实际上，视差简单且有用。
我们可以通过尝试穿针引线来了解视差。请闭上一只眼睛来穿针，你很快就会发现这样很难穿进去；你手中的线头不是跑到针眼后面很远，就是到针眼之前便停住了。仅凭一只眼睛是判断不出针与线的距离的。但如果两眼睁开，穿针引线就很容易做到，至少是很容易学会。用两只眼睛观看物体时，你会自动把它们聚焦到这个物体上。物体越近，两只眼球就得更接近一些。作这种调整所产生的肌肉感觉会较好地告诉你距离有多少。
如果不是用两只眼睛同时看，而是先后用左右眼看，你会看到物体（这里是针）相对于远处背景（比如房间里的窗户）的位置发生了变化。这种效应就是所谓的视差位移，大家一定都很熟悉；如果你从未听说过，不妨试验一下，或者看看图107所示的分别用左眼和右眼看到的针和窗户。物体离得越远，其视差位移就越小，因此我们可以用它来测距。由于视差位移可以用弧度精确地测量出来，这种方法要比用眼球的肌肉感觉来简单地判断距离更精确。但由于我们的两只眼睛仅相距3英寸左右，因此用眼睛不大能估计准几英尺开外的距离。对于更远的物体来说，双眼的视线变得几乎平行，视差位移也变得极小。要想判断更大的距离，需要把两只眼睛分得开一些，以增大视差位移的角度。不，用不着做外科手术，只需几面镜子就能实现。
图107
图108显示了（雷达发明以前）海军用来测量敌舰距离的一种装置。它是一根长筒，每只眼睛前面各有一面镜子（A，A′），长筒两端各有另一面镜子（B，B′）。透过这样一架测距仪，就可以一只眼睛从B端看，另一眼睛从B′端看了。这样一来，你两眼之间的距离或所谓的光学基线便显著增大了，所能估计的距离也就长得多。当然，水兵们不会只依靠眼球肌肉的距离感来做判断。测距仪上配备有特殊的装置和刻度盘，能够极为精确地测定视差位移。
图108
即使敌舰几乎还在地平线后面，这种海军测距仪也能很好地工作。但即使想用它测量像月亮那样比较近的天体的距离，也不会成功。事实上，要想观测到月亮在恒星背景上的视差位移，光学基线（即两眼之间的距离）至少要有数百英里长。当然，我们没有必要设计一套光学系统，使我们能一只眼睛比如从华盛顿看，另一只眼睛从纽约看，因为我们只需在这两座城市同时拍摄月亮在群星中的照片。把这两张照片放在普通的立体镜里，就能看到月亮悬在恒星背景前方的空间中。通过测量从地球上两个不同的地点同时拍摄的月亮和群星的照片（图109），天文学家们发现，从地球直径两端观测到的月亮的视差是1°24′5″。由此可得，地球与月亮的距离等于30.14个地球直径，即384 403公里或238 857英里。
图109
由这个距离和观测到的角直径可以算出，月亮这颗卫星的直径约为地球直径的四分之一。其总面积只有地球面积的十六分之一，与非洲大陆的面积相当。
用类似的方法也能测得地球与太阳的距离。当然，太阳要远得多，测量也就困难得多。天文学家们测出这个距离是149 450 000公里（92 870 000英里），亦即地月距离的385倍。正因为这个距离非常巨大，太阳才显得和月亮尺寸差不多；实际上太阳要大得多，其直径是地球直径的109倍。
如果太阳是个大南瓜，地球就是颗豌豆，月亮则是粒罂粟籽，纽约的帝国大厦将和我们透过显微镜看到的最小的细菌一样大。这里值得铭记的是，古希腊有个名为阿那克萨戈拉（Anaxagoras）的进步哲学家因为提出太阳是个像希腊那么大的火球，就受到了放逐的惩罚和死亡威胁！
天文学家们还以类似的方法估算了太阳系中各个行星与太阳的距离。其中最远的行星，即1930年才发现的冥王星，与太阳的距离约为地日距离的40倍；确切地说，这个距离是3 668 000 000英里。
二、银河系
朝着太空再迈进一步，就从行星走到恒星了，这里视差法同样适用。但我们发现，即使是最近的恒星，距离我们也非常遥远，哪怕在地球上距离最远的两点（地球两侧）进行观测，相对于一般的恒星背景也看不出明显的视差位移。不过，我们还有一种办法来测量这么遥远的距离。倘若可以用地球的尺寸来测量地球绕日轨道的大小，那么为何不用这个轨道来求出地球与恒星的距离呢？换句话说，在地球轨道的相对两端观测恒星，能否注意到至少某些恒星的相对位移呢？当然，这意味着两次观测要相隔半年之久，但那也没有什么关系。
带着这种想法，1838年德国天文学家贝塞尔（Friedrich Wilhelm Bessel）开始对相距半年的两个夜晚观测到的恒星相对位置进行比较。起初他并不走运，他所挑选的恒星都太过遥远，没有显示出任何明显的视差位移，即使以地球轨道直径为基线也不行。然而，这里有一颗恒星，天文学目录将它列为天鹅座61（即天鹅座的第61颗暗星），其位置似乎和半年前稍有偏离（图110）。
图110
又过了半年，这颗星重回原位，因此这肯定是视差效应。贝塞尔也成为拿着尺子从太阳系步入星际空间的第一人。
半年里观测到的天鹅座61的位移其实很小，只有0.6弧秒，84也就是你观看500英里以外的一个人时视线所成的角度（倘若你真能看这么远的话）！不过，天文学仪器非常精密，即使连这样的角度也能以很高的精度测量出来。根据观测到的视差和已知的地球轨道直径，贝塞尔计算出这颗星距离我们103 000 000 000 000公里，也就是说比太阳还远690 000倍！这个数字的意义很难把握。如果使用我们之前打过的比方，太阳是个南瓜，豌豆大小的地球在离它200英尺远的地方转动，那么这颗恒星将在3万英里外的地方！
天文学家往往会用光以每秒300 000公里的速度走过一段距离的时间来表示这段距离。光线只需1/7秒便可绕地球一圈，从月亮到地球只需1秒多钟，从太阳到地球也不过8分钟左右。然而从宇宙中距离我们最近的天鹅座61发出的光，却要11年左右的时间才能到达地球。如果由于某种宇宙灾难，天鹅座61熄灭了，或者在一团烈焰中爆炸了（这在恒星是常有的事），那么只有经过漫长的11年，等到从高速穿过星际空间的爆炸闪光及其最后一线光芒到达地球，我们才能知道有颗恒星已经不复存在了。
根据测得的天鹅座61的距离，贝塞尔计算出，这颗在黑暗的夜空中静静闪烁的微小光点其实是颗亮度略小于太阳、大小只差30％的星体。这第一次直接证明了哥白尼最先提出的一种革命性思想：我们的太阳只是散布在广袤无垠空间之中的无数颗星体中的一颗。
贝塞尔做出这项发现之后，人们又测出了许多恒星视差。有几颗恒星被发现比天鹅座61距离我们更近，其中最近的是半人马座α（半人马座中最亮的星），距离我们只有4.3光年。它在大小和亮度上非常类似于太阳。大多数其他恒星都要远得多，以致即使把地球轨道的直径当作距离测量的基线也太小了。
恒星在大小和亮度上也大相径庭，既有比太阳大400倍左右、亮3 600倍左右的参宿四（距离我们300光年）这样的明亮巨星，也有比地球还小（直径是地球的75％）、比太阳暗10 000倍左右的范玛南星（距离我们13光年）这样的昏暗矮星。
现在我们来谈一个重要的问题，即现存的恒星总共有多少。包括诸位在内的许多人可能都以为，天上的星星无人能数清。但和许多流行看法一样，这种看法也大谬不然，至少就肉眼所能看到的星星而言是如此。事实上，从南北两个半球所能看到的星星总共只有六七千颗，由于任何时候都只有一半星星在地平线以上，而且地平线附近星星的可见度因大气的吸收而大大降低了，所以即使在无月的晴朗夜晚，通常用肉眼也只能看到大约2 000颗星星。于是，如果以每秒钟1颗的速度不懈地数下去，半小时左右你就可以把它们数完！
但如果用双筒望远镜，你可以多看到5万颗星星，使用英寸口径的望远镜，你会再看到约100万颗。如果用加利福尼亚威尔逊山天文台的那架著名的100英寸口径的望远镜，你将能看到大约5亿颗星星。即使以每秒钟数1颗的速度每天从早数到晚，天文学家也要用一个世纪左右的时间才能将它们数完！
当然，不曾有人透过望远镜一颗颗地数星星，其总数是通过把不同天区的若干区域中实际可见的星星数目的平均值运用于整个星空而计算出来的。
两个世纪前，著名的英国天文学家赫歇耳（William Herschel）用自制的大型望远镜观看星空时，注意到肉眼可见的星星大都出现在银河这条横跨夜空的微弱光带内。正是由于他的功劳，天文学才认识到，银河并不是天空中的普通星云，而是由相距甚远因而暗到无法用肉眼一一分辨的众多恒星组成的。
通过使用越来越强大的望远镜，我们得以把银河看成由越来越多的星星所组成，不过，银河的主要部分仍然处于模糊的背景当中。但若以为银河区域内的星星比其他天区的星星更为稠密，那就错了。事实上，某个区域的星星之所以看起来比其他区域稠密，并非因为分布更为集中，而是因为星星沿这个方向的分布更为深远。（在望远镜的协助下）星星沿着银河的方向一直伸展到目力所及的边缘，而在其他方向，星星的分布并未扩展到视力的极限，它们之外主要是近乎空无所有的空间。
沿着银河的方向看过去，我们仿佛在透过密林张望，无数条树枝彼此层叠交织，形成连续的背景；而沿着其他方向，我们在星星之间看到的是一块块空荡荡的空间，就像在树林里，透过头顶上方的枝叶可以看见一块块蓝天一样。
因此，银河在空间中占据着一个扁平区域，沿着银河平面延伸得很远，沿其垂直方向则比较薄。太阳只不过是银河中无足轻重的一员。
经过一代代天文学家更为细致的研究，我们已经知道，银河系大约包含40 000 000 000颗恒星，它们分布在直径约100 000光年、厚度为5000~10 000光年的一个透镜形区域内。由这种研究还得出一个结论：太阳根本不是这个巨大星系的中心，而是靠近其外边缘，这对我们人类的自豪感来说真是打击啊！
图111试图向读者表明，银河这个巨大的星巢看起来是什么样子。这里的银河系缩小了100 000 000 000 000 000 000倍，代表各个恒星的点也远小于400亿，这当然是出于版面的理由。
图111 一位天文学家在观看缩小了100 000 000 000 000 000 000 倍的银河系。天文学家头顶差不多就是太阳所在的位置
这个由群星组成的银河系最典型的性质之一就是，它和太阳系一样也在迅速旋转。和金星、地球、木星等行星沿着近乎圆形的轨道绕日运转一样，形成银河系的数百亿颗恒星也在围绕所谓的银心运转。银河系的这个旋转中心位于人马座的方向上。事实上，你若沿着银河跨过天空的模糊形状看过去，会发现越靠近人马座，银河就变得越宽，这表明你正朝着这个透镜状物体更厚的中心部分看去（图111中那位天文学家正是朝着这个方向观看的）。
我们并不知道银心看起来是什么样子，因为悬浮在太空中的浓密而黑暗的星际物质遮住了它。事实上，如果观察银河在人马座区域中变厚的部分，85你会以为这条神话中的天路在这里分成了两条“单行道”。但它并非真实的分岔，之所以有这种印象，完全是因为星际尘埃和气体的暗云悬浮在我们与银心之间的太空中。银河两侧的黑暗是由于黑暗空间的背景，而这里的黑暗却是由于不透明的暗云。中间那块黑暗区域的几颗星星其实是在我们和暗云之间（图112）。
图112 朝银心看去，我们会以为这条神话中的天路分成了两条“单行道”
看不到包含太阳在内的数十亿颗恒星绕之旋转的神秘银心固然很遗憾，但通过观察散布在银河系以外的其他星系，我们也能知道它大致是什么样子。银心并不是某一颗超级巨星，像太阳统治行星一样统治着银河系的所有其他成员。稍后我们会讲到，对其他星系中心部分的研究表明，这些中心也是由众多恒星组成的，唯一的区别在于，这里的恒星要比太阳所在的远离中心的区域稠密得多。如果把行星系统看成由太阳统治的专制国家，那么银河系则像是一个民主国家，一些成员占据着有影响力的中心位置，其他成员则只好屈尊于社会外围更为卑下的位置。
如上所述，包括太阳在内的所有恒星都沿着巨大的轨道围绕银心运转。那么，如何来证明这一点呢？这些星星的轨道半径有多大？周期有多长？
几十年前，荷兰天文学家奥尔特（Jan Hendrik Oort）回答了所有这些问题。他对银河系的观测方法非常类似于哥白尼对太阳系的处理。
我们先来回忆一下哥白尼的论点。古巴比伦人、古埃及人和其他一些人都已经注意到，木星、土星等大行星似乎在以非常奇特的方式跨过天空。它们先是像太阳一样沿椭圆运行，然后突然停住并后退，再折回来继续沿原来的方向前进。图113下方是土星在两年左右的时间里所走路线的示意图（土星的运转周期是29.5年）。过去出于宗教偏见，地球被视为宇宙的中心，所有行星和太阳本身都被认为绕着地球旋转，必须通过假定行星轨道包含若干个环来解释上面这些奇特的运动。
哥白尼则要更为敏锐。他天才地解释说，这种神秘的翻筋斗现象缘于地球和所有其他行星都在围绕太阳作简单的圆周运动。图113上方的示意图清楚地描绘了这种解释。
太阳位于中心，地球（小球）沿着小圆运转，土星（带着一个环）沿着与地球相同的方向在大圆上运转。l，2，3，4，5表示地球和运动更为缓慢的土星在一年之中的几个位置。从地球的不同位置引出的部分竖线表示某颗恒星的方向。连接地球的各个位置与相应的土星位置，我们看到，这两个方向（指向土星的和指向恒星的）之间的夹角先是增大，继而减小，然后又增大。因此，那种看起来的翻筋斗现象并不意味着土星的运动有什么特别之处，而是因为我们是从运动地球上的不同角度来观测这种运动的。
图113
图114显示了奥尔特关于银河系中恒星旋转的论点。从图的下方可以看到银心（有暗云之类的东西），整个图上有许多恒星环绕着这个中心。三个圆表示与中心有不同距离的恒星轨道，中间那个圆表示太阳的轨道。
图114
如图114，我们来考察八颗恒星（配以光芒，区别于其他点），其中两颗与太阳轨道相同，不过一颗在前、一颗在后，其他恒星则位于或大或小的轨道上。需要注意的是，由于引力定律（参见第五章），与太阳轨道上的恒星相比，外层恒星的速度较小，内层恒星的速度较大（图中以不同长短的箭头来表示）。
如果从太阳或地球上看，这八颗恒星的运动会如何呢？我们这里谈的是沿视线的运动，根据所谓的多普勒效应最容易观测到它。首先，在太阳上的观察者看来，与太阳同轨道同速度的两颗恒星（D和E）显然是静止的。与太阳处于同一半径的两颗恒星（B和G）也是如此，因为它们的运动平行于太阳，在视线方向没有速度分量。
那么，处于外层的恒星A和C的情况如何呢？由于它们的速度比太阳低得多，所以从图上可以清楚地看出，恒星A会落在后面，恒星C会被太阳超过。因此，与A的距离会增大，与C的距离会减小，从这两颗恒星发出的光会分别显示出多普勒红移效应和紫移效应。对于内层的恒星F和H来说，情况则正好相反，F会显示出紫移效应，H会显示出红移效应。
假设刚才描述的现象仅由恒星的圆周运动所引起，那么这种圆周运动的存在使我们不仅可以证明这种假设，还能估算出恒星运动的轨道半径和速度。通过收集整个天空中恒星视运动的观测资料，奥尔特成功地证明，所预期的多普勒红移和紫移效应的确存在，从而确定无疑地证明银河系在旋转。
同样也能证明，银河系旋转的效应会影响恒星在垂直于视线方向上的视速度。虽然精确测量这个速度分量要难得多（因为遥远的恒星即使有很大的线速度，也只对应于天球上极小的角位移），但这种效应还是被奥尔特等人观测到了。
对恒星运动的奥尔特效应进行精确测量，我们就能得出恒星的轨道和运行周期。使用这种计算方法，我们已经知道，以人马座为中心的太阳轨道的半径是3万光年，约为整个银河系最外层半径的三分之二。太阳绕银心运转一周所需的时间约为两亿年。这当然是段漫长的时间，但不要忘了，我们的银河系已经有50亿岁了，在这段时间里，我们的太阳已经带着它的行星家族转了差不多20圈。遵照“地球年”这个术语，我们可以把太阳的旋转周期称为“太阳年”，说宇宙只有20岁。在恒星世界，事情的确发生得很慢，因此把太阳年作为对宇宙历史进行时间测量的单位会非常方便。
三、走向未知事物的边界
前已提到，孤零零地飘浮在广袤宇宙空间中的恒星群体并非只有银河系。望远镜研究已经表明，太空深处还有许多与银河系非常类似的巨大星群。其中距离最近的是著名的仙女座星云，用肉眼就可以看到。在我们眼中，它是一片又小又暗的拉得相当长的星云。插图7的a 和b 是用威尔逊山天文台的大型望远镜拍摄的这样两个天体，它们是从侧面看到的后发座星云和从上面看到的大熊座星云。我们注意到，作为银河系所特有的透镜形状的一部分，这些星云有一种典型的螺旋结构，因此被称为“螺旋星云”。许多证据表明，银河系也是一个螺旋星云，但我们很难从内部确定这种结构的形状。事实上，太阳很可能位于“银河大星云”的一条旋臂末端。
长期以来，天文学家们并未意识到螺旋星云是与我们银河系类似的巨大星系，而是将它们与猎户座星云那样的普通弥漫星云相混淆，后者是由飘浮在银河系内的恒星之间的星际尘埃所组成的巨大云团。但后来人们发现，这些雾蒙蒙的螺旋状物体根本不是云雾，而是一颗颗星星。如果放大到最高倍数，可以看到它们是一个个小点。但它们太过遥远，无法通过测量视差求出其实际距离。
这样一来，我们测量天体距离的手段似乎已经穷尽。但并非如此！当我们碰到某个无法克服的困难时，耽搁通常只是暂时的；总会发生某种新的事情，使我们能够继续前进。就这里的情况而言，哈佛大学的天文学家沙普利（Harlow Shapley）在所谓的脉动星或造父变星那里找到了一种全新的“量尺”。86
天上星辰密布。虽然大多数恒星都宁静地发着光，但也有一些恒星的亮度发生规则的明暗变化。这些巨大的星体像心脏一样有规则的脉动，其亮度也随着这种脉动而发生周期性的变化。87恒星越大，其脉动周期就越长，就像钟摆越长，摆动周期就越长一样。很小的恒星（就恒星而言）几个小时就完成了自己的周期，而巨大的恒星则需要很多年才能完成一次脉动。既然恒星越大就越亮，那么恒星的脉动周期与该星的平均亮度之间一定存在着明显的关联。通过观测造父变星，可将这种关系确定下来，造父变星距离我们足够近，它们的距离和实际亮度能够直接测量出来。
如果你发观一颗脉动星超出了视差测量的范围，那么你只需用望远镜观测出它的脉动周期，就能知道它的实际亮度。再将实际亮度与视亮度进行对比，就能立刻知道这颗星的距离。沙普利运用这种巧妙的方法，成功地测出了银河系中特别遥远的距离，此方法对于估算我们银河系的总体尺寸非常有用。
在用这种方法来测量巨大的仙女座星云中几颗脉动星的距离时，沙普利大吃一惊：从地球到这些恒星的距离————当然也是到仙女座星云本身的距离————竟然有1 700 000光年，也就是说远大于银河系的估算直径。仙女座星云的尺寸原来只比我们整个银河系略小一些。本书插图7中的两个螺旋星云距离要更远，其直径与仙女座星云差不多。
这一发现彻底驳倒了之前认为的螺旋星云是银河系中的“小家伙”的观点，螺旋星云也因此成为与银河系类似的独立星系。现在已经不再有天文学家怀疑，如果有位观测者站在仙女座星云中某颗恒星的小行星上，他所看到的银河系将与我们看到的仙女座星云非常相像。
主要由于威尔逊天文台著名的星系观测家哈勃（Edwin Powell Hubble）的工作，对这些遥远恒星群体的进一步研究向我们揭示了许多有趣而重要的事实。首先，与肉眼相比，用强大的望远镜所能观测到的星系要多得多，它们并不都是螺旋状的，而是有各种各样的种类：有看起来像边界模糊的规则圆盘的球状星系，有伸长程度各不相同的椭球状星系，螺旋星系也因“盘绕的松紧程度”而彼此不同，此外还有形状非常奇特的“棒旋星系”。
一个极为重要的事实是，所有这些观测到的星系形状都能规则地排列起来（图115）,这可能对应着这些巨大星系的不同演化阶段。
图115 正常星系演化的各个阶段
虽然我们对星系演化的细节还知之甚少，但这种演化很可能缘于渐进的收缩过程。大家知道，一个缓慢旋转的气体球逐步收缩时，其旋转速度会增加，形状也会变成椭球体。在某个收缩阶段，当极半径与赤道半径之比等于7／10时，该旋转体就会呈透镜形，沿其赤道出现一条明显的棱。如果进一步收缩，这种透镜形不会变化，但构成旋转体的气体会开始沿这条明显的赤道棱流入周围的空间，在赤道面形成一层气体薄幕。
英国著名物理学家和天文学家金斯（James Hopwood Jeans）已经用数学证明，上述说法对于旋转的气体球是成立的，但它们也完全适用于被我们称为星系的巨大星云。事实上，我们可以把这样聚集在一起的亿万颗恒星看成一团气体，把恒星看成一个个分子。
将金斯的理论计算与哈勃对星系的经验分类作一对比，就会发现这些巨大的恒星群体遵循的正是该理论所描述的演化进程。特别是，我们发现，拉伸最长的椭球状星云的半径之比为7/10（E7），这是我们注意到有明显赤道棱的第一例。演化后期出现的螺旋则显然是由快速旋转时抛出的物质所形成的。不过迄今为止，我们还不能完全令人满意地解释这些螺旋形为何会形成以及如何形成，还有简单螺旋与棒旋之间的差别是什么原因造成的。
关于这些星系的构造、运动和各部分的组成，还需要做进一步研究。例如，威尔逊山天文台的天文学家巴德（Walter Baade）数年前得出了一个有趣的结论：螺旋星云的中心体（核）所由以形成的恒星与球状、椭球状星系的恒星是同一类型，而旋臂本身所显示的星族却相当不同。这种“旋臂”型星族因为出现了炽热而明亮的成员而有别于中心区域的星族，无论是球状、椭球状星系还是中心区域，都没有这些所谓的“蓝巨星”。我们稍后（在第十一章）会看到，蓝巨星很可能是新近形成的恒星，所以有理由认为，旋臂可以说是产生新星族的温床。可以设想，从正在收缩的椭球状星系的赤道凸起抛出的物质有一大部分是由原始气体形成的。进入寒冷的星系际空间后，这些气体凝聚成一块块巨大的物质，后经收缩而变得炽热而明亮。
在第十一章我们还会回到恒星的诞生和生命问题，现在我们要考虑一下各个星系在广阔宇宙中的大致分布。
首先要说的是，基于脉动星的测距法虽然在用于银河系附近的一些星系时给出了很好的结果，但进入空间深处时就不管用了，因为此时我们所到达的距离已经大到无法分辨各个星星的程度，即使透过最强大的望远镜，所看到的星系也像是微小的长条星云。再往深处走，我们就只能凭借可见尺寸来判断距离，因为与恒星不同，所有同类型的星系都大约是同一尺寸。如果所有人都是同一高度，既无侏儒又无巨人，你就总可以通过观察一个人的视大小来说出他的远近。
哈勃用这种方法估算了遥远星系的距离，他表明，就我们目之所及（辅以最强大的望远镜），星系在空间中或多或少是均匀分布的。之所以说“或多或少”，是因为在许多情况下，星系成群地聚集在一起，有时竟包含数千个成员，就像众多恒星聚集成星系一样。
我们的银河系似乎属于一个较小的星系群，其成员包括三个螺旋星系（包括银河系和仙女座星云）、六个椭球状星系及四个不规则星云（其中两个是大小麦哲伦星云）。
不过，除了这种偶尔的聚集，从帕洛马山天文台口径200英寸的望远镜看过去，各个星系其实是非常均匀地散布在10亿光年以内的整个空间中。两个相邻星系的平均距离约为500万光年，可见的宇宙视野包含有数十亿个恒星世界！
如果还用我们之前的比喻，认为帝国大厦是颗细菌，地球是颗豌豆，太阳是个南瓜，那么银河系就是大致分布在木星轨道之内的数十亿个南瓜的聚集体，而许许多多这样的南瓜堆又散布在半径略小于地球与最近恒星之间距离的一个球形体积内。不错，我们的确难以找到一种表示宇宙距离的恰当尺度。即使把地球比做一颗豌豆，已知宇宙的尺寸仍然是个天文数字！图116试图表明天文学家是如何一步步勘测宇宙距离的：从地球开始，到月亮，再到太阳、恒星，然后到遥远的星系，一直到未知事物的边界。
图116 宇宙勘测的里程碑，用光年表示的距离
现在，我们准备回答宇宙尺寸这个基本问题。宇宙是无限扩展的，还是占据着某个极为巨大但仍然有限的体积？随着望远镜制造得越来越强大、越来越精良，天文学家是否总能发现一些尚未勘测的新空间区域呢？抑或与此相反，宇宙至少原则上是可以勘测到最后一颗星的？
当我们说宇宙可能“尺寸有限”时，当然并不是指在几十亿光年以外的某个地方，空间探险家会碰到一堵墙，上面写着“严禁擅自进入”字样。
事实上，我们在第三章已经看到，空间可以是有限而无界的。它可以径直弯曲，“自我封闭”起来。这样一来，一位假想的空间探险家虽然试图尽可能笔直地驾驶飞船，却会在空间中沿测地线回到其出发点。
当然，这就像一位古希腊探险家从家乡雅典出发一路西行，许久之后却发现又从东门进入了这座城市。
正如我们无需环游世界，只通过研究一小块地方的几何学就可以确定地面的曲率一样，我们在现有望远镜的视程内做出类似的测量，就可以回答三维宇宙空间的曲率问题。在第五章我们看到，必须区分两种曲率：对应于有限闭空间的正曲率，以及对应于马鞍形无限开空间的负曲率（参见图42）。这两种空间的区别在于：在闭空间中，均匀散布在与观测者的某一距离之内的物体，其数目的增长慢于该距离的立方；而开空间中的情况则恰恰相反。
在我们的宇宙中，“均匀散布的物体”就是各个星系，因此要想解决宇宙曲率的问题，我们只需数出不同距离处的各个星系的数目。
哈勃实际做过这种计数，他发现星系的数目似乎比距离的立方增长得慢一些，因此空间可能是正曲率和有限的。但要注意，哈勃观测到这种效应非常小，几乎已达威尔逊山那架口径100英寸望远镜的观测极限。最近用帕洛马山那架口径200英寸的新反射式望远镜所作的观测尚未对这个重大问题给出更进一步的答案。
现在之所以还不能对宇宙是否有限这个问题给出最终的确切回答，还因为遥远星系的距离只能基于它们的视亮度（平方反比律）来判断。这种方法需要假设所有星系都有同样的亮度，但若星系的亮度随时间而变化，从而暗示亮度与年代有关，就会导出错误的结论。别忘了，透过帕洛马山望远镜可以看到的最遥远的星系在10亿光年以外，因此我们看到的是它们在10亿年以前的状态。如果各个星系随着衰老而逐渐变暗（也许是因为活动恒星的数量越来越少），哈勃的结论就必须加以修正。事实上，只要星系的亮度在10亿年里（约为其整个寿命的1/7）改变一点点，就能把目前关于宇宙有限的结论颠倒过来。
于是我们看到，要想确定我们的宇宙是有限还是无限，还有许多工作要做呢。
一、地球及其附近
现在，让我们把旅行从分子、原子和原子核拉回到尺寸较为熟悉的物体。不过，即将开始的新旅行是朝着相反的方向，即朝着太阳、星星、遥远的星云和宇宙深处。和微观世界的情况一样，科学沿这个方向的发展也使我们越来越远离熟悉的物体，视野变得愈发广阔。
在人类文明之初，所谓的宇宙被认为小得可怜。人们认为大地是一个巨大的扁盘，漂浮在四面环绕的海洋上。大地下方是深不可测的海水，上方是诸神的居所————天空。这个巨大的盘子足以支撑住当时地理学已知的所有陆地，包括地中海的各个海岸以及邻近的部分欧洲和非洲，还有亚洲的一小块地方；大地的北边以高山山脉为界，夜间太阳就在山后的“世界大洋”洋面上休憩。图104比较准确地显示了古人所认为的世界的样子。然而到了公元前3世纪，有个人对这种公认的简单世界图像提出了异议。他就是著名的希腊哲学家（当时用这个名称来称呼科学家）亚里士多德（Aristotle）。
图104 古人所理解的世界
亚里士多德在《论天》一书中提出了一种理论，认为大地其实是一个球体，上面覆盖着陆地和水，周围是气。他提出了许多论证来支持自己的观点，这些论证在我们现在看来非常熟悉和平凡。他指出，船消失在地平线上时总是船身先消失，桅杆还露在水面上，这表明海洋不是平的，而是弯曲的。他还指出，月食一定是因为地球的影子掠过了月亮表面。既然这个影子是圆的，所以大地本身也必定是圆的。但当时相信他的人并不多。人们不能理解，如果他说的是对的，那么生活在地球另一端（即所谓的对跖点）的人怎么会头朝下走路而不掉下去呢？那里的水为何不流向他们所说的天空呢（图105）？
图105 反驳大地为球形的论证
你瞧，当时的人并没有意识到，物体下落是因为受到了地球的吸引。对他们来说，“上”和“下”是空间中的绝对方向，在哪里都应该是一样的。认为绕地球转半圈，“上”“下”就可以互换，这种想法在他们看来就像爱因斯坦相对论的许多陈述在今天的人看来一样疯狂。当时，重物的下落不是像今天这样通过地球的吸引来解释，而是被解释成一切物体都有向下运动的“自然倾向”。因此，你若敢站在地球的下面一半，会向下掉到蓝天中去！这种反驳是如此有力，对旧观念进行调整是如此艰难，以至于直到亚里士多德去世后两千年的15世纪，仍然可以看到有人把地球对面的居民画成头朝下站着，以此来嘲笑大地是球形的观念。就连伟大的哥伦布（Christopher Columbus）在动身寻找通向印度的“相反道路”时，也未必确信自己的计划是可靠的。事实上，他因为美洲大陆的阻挡而并未实现这项计划。直到麦哲伦（Ferdinand de Magellan）作了著名的环球航行之后，关于大地是球形的最后一丝疑虑才彻底打消。
人们第一次意识到大地是个巨大的球体时肯定会问，这个球与当时已知的世界相比有多大？但古希腊的哲学家们当然无法作环球旅行，他们如何来测量地球的尺寸呢？
有一个办法，这是公元前3 世纪的著名科学家埃拉托色尼（Eratosthenes）最先发现的。他生活在希腊的殖民地————埃及的亚历山大里亚。亚历山大里亚以南5000斯塔迪姆远的尼罗河上游地区有一座城市叫赛伊尼，他听那里的居民讲，夏至那天正午，太阳正好悬在头顶，因此直立的物体都没有影子。埃拉托色尼还知道，这种事情在亚历山大里亚从未发生过。夏至那天，太阳与天顶（即头顶正上方）有7°的距离，即整个圆的1/50 左右。埃拉托色尼假定大地是圆的，非常简单地解释了这个事实，图106清楚地显示了这种解释。事实上，由于两座城市间的地面是弯曲的，竖直射到赛伊尼的太阳光必定会与北方的亚历山大里亚成某个角度。从图中还可以看到，如果从地心分别向赛伊尼和亚历山大里亚引两条直线，那么这两条线的夹角将等于从地心到亚历山大里亚的那条线（即亚历山大里亚的天顶方向）与直射到赛伊尼时的太阳光之间的夹角。
图106
由于这个角是整个圆的1/50，地球的周长就应是两城间距的50倍，即250 000斯塔迪姆。1斯塔迪姆约为1/10英里，因此埃拉托色尼得到的结果相当于25 000英里或40 000公里，的确非常接近现代的最佳估计值。
然而，对地球作第一次测量的重要之处并非在于结果是否精确，而在于认识到地球实在太大了。哎呀，它的总面积一定比当时已知的整个陆地面积大几百倍呢！这能是真的吗？如果是真的，已知的边界之外又是什么呢？
谈到天文距离，我们先得了解一下所谓的视差位移或简称视差。这个词听上去可能有些吓人，但实际上，视差简单且有用。
我们可以通过尝试穿针引线来了解视差。请闭上一只眼睛来穿针，你很快就会发现这样很难穿进去；你手中的线头不是跑到针眼后面很远，就是到针眼之前便停住了。仅凭一只眼睛是判断不出针与线的距离的。但如果两眼睁开，穿针引线就很容易做到，至少是很容易学会。用两只眼睛观看物体时，你会自动把它们聚焦到这个物体上。物体越近，两只眼球就得更接近一些。作这种调整所产生的肌肉感觉会较好地告诉你距离有多少。
如果不是用两只眼睛同时看，而是先后用左右眼看，你会看到物体（这里是针）相对于远处背景（比如房间里的窗户）的位置发生了变化。这种效应就是所谓的视差位移，大家一定都很熟悉；如果你从未听说过，不妨试验一下，或者看看图107所示的分别用左眼和右眼看到的针和窗户。物体离得越远，其视差位移就越小，因此我们可以用它来测距。由于视差位移可以用弧度精确地测量出来，这种方法要比用眼球的肌肉感觉来简单地判断距离更精确。但由于我们的两只眼睛仅相距3英寸左右，因此用眼睛不大能估计准几英尺开外的距离。对于更远的物体来说，双眼的视线变得几乎平行，视差位移也变得极小。要想判断更大的距离，需要把两只眼睛分得开一些，以增大视差位移的角度。不，用不着做外科手术，只需几面镜子就能实现。
图107
图108显示了（雷达发明以前）海军用来测量敌舰距离的一种装置。它是一根长筒，每只眼睛前面各有一面镜子（A，A′），长筒两端各有另一面镜子（B，B′）。透过这样一架测距仪，就可以一只眼睛从B端看，另一眼睛从B′端看了。这样一来，你两眼之间的距离或所谓的光学基线便显著增大了，所能估计的距离也就长得多。当然，水兵们不会只依靠眼球肌肉的距离感来做判断。测距仪上配备有特殊的装置和刻度盘，能够极为精确地测定视差位移。
图108
即使敌舰几乎还在地平线后面，这种海军测距仪也能很好地工作。但即使想用它测量像月亮那样比较近的天体的距离，也不会成功。事实上，要想观测到月亮在恒星背景上的视差位移，光学基线（即两眼之间的距离）至少要有数百英里长。当然，我们没有必要设计一套光学系统，使我们能一只眼睛比如从华盛顿看，另一只眼睛从纽约看，因为我们只需在这两座城市同时拍摄月亮在群星中的照片。把这两张照片放在普通的立体镜里，就能看到月亮悬在恒星背景前方的空间中。通过测量从地球上两个不同的地点同时拍摄的月亮和群星的照片（图109），天文学家们发现，从地球直径两端观测到的月亮的视差是1°24′5″。由此可得，地球与月亮的距离等于30.14个地球直径，即384 403公里或238 857英里。
图109
由这个距离和观测到的角直径可以算出，月亮这颗卫星的直径约为地球直径的四分之一。其总面积只有地球面积的十六分之一，与非洲大陆的面积相当。
用类似的方法也能测得地球与太阳的距离。当然，太阳要远得多，测量也就困难得多。天文学家们测出这个距离是149 450 000公里（92 870 000英里），亦即地月距离的385倍。正因为这个距离非常巨大，太阳才显得和月亮尺寸差不多；实际上太阳要大得多，其直径是地球直径的109倍。
如果太阳是个大南瓜，地球就是颗豌豆，月亮则是粒罂粟籽，纽约的帝国大厦将和我们透过显微镜看到的最小的细菌一样大。这里值得铭记的是，古希腊有个名为阿那克萨戈拉（Anaxagoras）的进步哲学家因为提出太阳是个像希腊那么大的火球，就受到了放逐的惩罚和死亡威胁！
天文学家们还以类似的方法估算了太阳系中各个行星与太阳的距离。其中最远的行星，即1930年才发现的冥王星，与太阳的距离约为地日距离的40倍；确切地说，这个距离是3 668 000 000英里。
二、银河系
朝着太空再迈进一步，就从行星走到恒星了，这里视差法同样适用。但我们发现，即使是最近的恒星，距离我们也非常遥远，哪怕在地球上距离最远的两点（地球两侧）进行观测，相对于一般的恒星背景也看不出明显的视差位移。不过，我们还有一种办法来测量这么遥远的距离。倘若可以用地球的尺寸来测量地球绕日轨道的大小，那么为何不用这个轨道来求出地球与恒星的距离呢？换句话说，在地球轨道的相对两端观测恒星，能否注意到至少某些恒星的相对位移呢？当然，这意味着两次观测要相隔半年之久，但那也没有什么关系。
带着这种想法，1838年德国天文学家贝塞尔（Friedrich Wilhelm Bessel）开始对相距半年的两个夜晚观测到的恒星相对位置进行比较。起初他并不走运，他所挑选的恒星都太过遥远，没有显示出任何明显的视差位移，即使以地球轨道直径为基线也不行。然而，这里有一颗恒星，天文学目录将它列为天鹅座61（即天鹅座的第61颗暗星），其位置似乎和半年前稍有偏离（图110）。
图110
又过了半年，这颗星重回原位，因此这肯定是视差效应。贝塞尔也成为拿着尺子从太阳系步入星际空间的第一人。
半年里观测到的天鹅座61的位移其实很小，只有0.6弧秒，84也就是你观看500英里以外的一个人时视线所成的角度（倘若你真能看这么远的话）！不过，天文学仪器非常精密，即使连这样的角度也能以很高的精度测量出来。根据观测到的视差和已知的地球轨道直径，贝塞尔计算出这颗星距离我们103 000 000 000 000公里，也就是说比太阳还远690 000倍！这个数字的意义很难把握。如果使用我们之前打过的比方，太阳是个南瓜，豌豆大小的地球在离它200英尺远的地方转动，那么这颗恒星将在3万英里外的地方！
天文学家往往会用光以每秒300 000公里的速度走过一段距离的时间来表示这段距离。光线只需1/7秒便可绕地球一圈，从月亮到地球只需1秒多钟，从太阳到地球也不过8分钟左右。然而从宇宙中距离我们最近的天鹅座61发出的光，却要11年左右的时间才能到达地球。如果由于某种宇宙灾难，天鹅座61熄灭了，或者在一团烈焰中爆炸了（这在恒星是常有的事），那么只有经过漫长的11年，等到从高速穿过星际空间的爆炸闪光及其最后一线光芒到达地球，我们才能知道有颗恒星已经不复存在了。
根据测得的天鹅座61的距离，贝塞尔计算出，这颗在黑暗的夜空中静静闪烁的微小光点其实是颗亮度略小于太阳、大小只差30％的星体。这第一次直接证明了哥白尼最先提出的一种革命性思想：我们的太阳只是散布在广袤无垠空间之中的无数颗星体中的一颗。
贝塞尔做出这项发现之后，人们又测出了许多恒星视差。有几颗恒星被发现比天鹅座61距离我们更近，其中最近的是半人马座α（半人马座中最亮的星），距离我们只有4.3光年。它在大小和亮度上非常类似于太阳。大多数其他恒星都要远得多，以致即使把地球轨道的直径当作距离测量的基线也太小了。
恒星在大小和亮度上也大相径庭，既有比太阳大400倍左右、亮3 600倍左右的参宿四（距离我们300光年）这样的明亮巨星，也有比地球还小（直径是地球的75％）、比太阳暗10 000倍左右的范玛南星（距离我们13光年）这样的昏暗矮星。
现在我们来谈一个重要的问题，即现存的恒星总共有多少。包括诸位在内的许多人可能都以为，天上的星星无人能数清。但和许多流行看法一样，这种看法也大谬不然，至少就肉眼所能看到的星星而言是如此。事实上，从南北两个半球所能看到的星星总共只有六七千颗，由于任何时候都只有一半星星在地平线以上，而且地平线附近星星的可见度因大气的吸收而大大降低了，所以即使在无月的晴朗夜晚，通常用肉眼也只能看到大约2 000颗星星。于是，如果以每秒钟1颗的速度不懈地数下去，半小时左右你就可以把它们数完！
但如果用双筒望远镜，你可以多看到5万颗星星，使用英寸口径的望远镜，你会再看到约100万颗。如果用加利福尼亚威尔逊山天文台的那架著名的100英寸口径的望远镜，你将能看到大约5亿颗星星。即使以每秒钟数1颗的速度每天从早数到晚，天文学家也要用一个世纪左右的时间才能将它们数完！
当然，不曾有人透过望远镜一颗颗地数星星，其总数是通过把不同天区的若干区域中实际可见的星星数目的平均值运用于整个星空而计算出来的。
两个世纪前，著名的英国天文学家赫歇耳（William Herschel）用自制的大型望远镜观看星空时，注意到肉眼可见的星星大都出现在银河这条横跨夜空的微弱光带内。正是由于他的功劳，天文学才认识到，银河并不是天空中的普通星云，而是由相距甚远因而暗到无法用肉眼一一分辨的众多恒星组成的。
通过使用越来越强大的望远镜，我们得以把银河看成由越来越多的星星所组成，不过，银河的主要部分仍然处于模糊的背景当中。但若以为银河区域内的星星比其他天区的星星更为稠密，那就错了。事实上，某个区域的星星之所以看起来比其他区域稠密，并非因为分布更为集中，而是因为星星沿这个方向的分布更为深远。（在望远镜的协助下）星星沿着银河的方向一直伸展到目力所及的边缘，而在其他方向，星星的分布并未扩展到视力的极限，它们之外主要是近乎空无所有的空间。
沿着银河的方向看过去，我们仿佛在透过密林张望，无数条树枝彼此层叠交织，形成连续的背景；而沿着其他方向，我们在星星之间看到的是一块块空荡荡的空间，就像在树林里，透过头顶上方的枝叶可以看见一块块蓝天一样。
因此，银河在空间中占据着一个扁平区域，沿着银河平面延伸得很远，沿其垂直方向则比较薄。太阳只不过是银河中无足轻重的一员。
经过一代代天文学家更为细致的研究，我们已经知道，银河系大约包含40 000 000 000颗恒星，它们分布在直径约100 000光年、厚度为5000~10 000光年的一个透镜形区域内。由这种研究还得出一个结论：太阳根本不是这个巨大星系的中心，而是靠近其外边缘，这对我们人类的自豪感来说真是打击啊！
图111试图向读者表明，银河这个巨大的星巢看起来是什么样子。这里的银河系缩小了100 000 000 000 000 000 000倍，代表各个恒星的点也远小于400亿，这当然是出于版面的理由。
图111 一位天文学家在观看缩小了100 000 000 000 000 000 000 倍的银河系。天文学家头顶差不多就是太阳所在的位置
这个由群星组成的银河系最典型的性质之一就是，它和太阳系一样也在迅速旋转。和金星、地球、木星等行星沿着近乎圆形的轨道绕日运转一样，形成银河系的数百亿颗恒星也在围绕所谓的银心运转。银河系的这个旋转中心位于人马座的方向上。事实上，你若沿着银河跨过天空的模糊形状看过去，会发现越靠近人马座，银河就变得越宽，这表明你正朝着这个透镜状物体更厚的中心部分看去（图111中那位天文学家正是朝着这个方向观看的）。
我们并不知道银心看起来是什么样子，因为悬浮在太空中的浓密而黑暗的星际物质遮住了它。事实上，如果观察银河在人马座区域中变厚的部分，85你会以为这条神话中的天路在这里分成了两条“单行道”。但它并非真实的分岔，之所以有这种印象，完全是因为星际尘埃和气体的暗云悬浮在我们与银心之间的太空中。银河两侧的黑暗是由于黑暗空间的背景，而这里的黑暗却是由于不透明的暗云。中间那块黑暗区域的几颗星星其实是在我们和暗云之间（图112）。
图112 朝银心看去，我们会以为这条神话中的天路分成了两条“单行道”
看不到包含太阳在内的数十亿颗恒星绕之旋转的神秘银心固然很遗憾，但通过观察散布在银河系以外的其他星系，我们也能知道它大致是什么样子。银心并不是某一颗超级巨星，像太阳统治行星一样统治着银河系的所有其他成员。稍后我们会讲到，对其他星系中心部分的研究表明，这些中心也是由众多恒星组成的，唯一的区别在于，这里的恒星要比太阳所在的远离中心的区域稠密得多。如果把行星系统看成由太阳统治的专制国家，那么银河系则像是一个民主国家，一些成员占据着有影响力的中心位置，其他成员则只好屈尊于社会外围更为卑下的位置。
如上所述，包括太阳在内的所有恒星都沿着巨大的轨道围绕银心运转。那么，如何来证明这一点呢？这些星星的轨道半径有多大？周期有多长？
几十年前，荷兰天文学家奥尔特（Jan Hendrik Oort）回答了所有这些问题。他对银河系的观测方法非常类似于哥白尼对太阳系的处理。
我们先来回忆一下哥白尼的论点。古巴比伦人、古埃及人和其他一些人都已经注意到，木星、土星等大行星似乎在以非常奇特的方式跨过天空。它们先是像太阳一样沿椭圆运行，然后突然停住并后退，再折回来继续沿原来的方向前进。图113下方是土星在两年左右的时间里所走路线的示意图（土星的运转周期是29.5年）。过去出于宗教偏见，地球被视为宇宙的中心，所有行星和太阳本身都被认为绕着地球旋转，必须通过假定行星轨道包含若干个环来解释上面这些奇特的运动。
哥白尼则要更为敏锐。他天才地解释说，这种神秘的翻筋斗现象缘于地球和所有其他行星都在围绕太阳作简单的圆周运动。图113上方的示意图清楚地描绘了这种解释。
太阳位于中心，地球（小球）沿着小圆运转，土星（带着一个环）沿着与地球相同的方向在大圆上运转。l，2，3，4，5表示地球和运动更为缓慢的土星在一年之中的几个位置。从地球的不同位置引出的部分竖线表示某颗恒星的方向。连接地球的各个位置与相应的土星位置，我们看到，这两个方向（指向土星的和指向恒星的）之间的夹角先是增大，继而减小，然后又增大。因此，那种看起来的翻筋斗现象并不意味着土星的运动有什么特别之处，而是因为我们是从运动地球上的不同角度来观测这种运动的。
图113
图114显示了奥尔特关于银河系中恒星旋转的论点。从图的下方可以看到银心（有暗云之类的东西），整个图上有许多恒星环绕着这个中心。三个圆表示与中心有不同距离的恒星轨道，中间那个圆表示太阳的轨道。
图114
如图114，我们来考察八颗恒星（配以光芒，区别于其他点），其中两颗与太阳轨道相同，不过一颗在前、一颗在后，其他恒星则位于或大或小的轨道上。需要注意的是，由于引力定律（参见第五章），与太阳轨道上的恒星相比，外层恒星的速度较小，内层恒星的速度较大（图中以不同长短的箭头来表示）。
如果从太阳或地球上看，这八颗恒星的运动会如何呢？我们这里谈的是沿视线的运动，根据所谓的多普勒效应最容易观测到它。首先，在太阳上的观察者看来，与太阳同轨道同速度的两颗恒星（D和E）显然是静止的。与太阳处于同一半径的两颗恒星（B和G）也是如此，因为它们的运动平行于太阳，在视线方向没有速度分量。
那么，处于外层的恒星A和C的情况如何呢？由于它们的速度比太阳低得多，所以从图上可以清楚地看出，恒星A会落在后面，恒星C会被太阳超过。因此，与A的距离会增大，与C的距离会减小，从这两颗恒星发出的光会分别显示出多普勒红移效应和紫移效应。对于内层的恒星F和H来说，情况则正好相反，F会显示出紫移效应，H会显示出红移效应。
假设刚才描述的现象仅由恒星的圆周运动所引起，那么这种圆周运动的存在使我们不仅可以证明这种假设，还能估算出恒星运动的轨道半径和速度。通过收集整个天空中恒星视运动的观测资料，奥尔特成功地证明，所预期的多普勒红移和紫移效应的确存在，从而确定无疑地证明银河系在旋转。
同样也能证明，银河系旋转的效应会影响恒星在垂直于视线方向上的视速度。虽然精确测量这个速度分量要难得多（因为遥远的恒星即使有很大的线速度，也只对应于天球上极小的角位移），但这种效应还是被奥尔特等人观测到了。
对恒星运动的奥尔特效应进行精确测量，我们就能得出恒星的轨道和运行周期。使用这种计算方法，我们已经知道，以人马座为中心的太阳轨道的半径是3万光年，约为整个银河系最外层半径的三分之二。太阳绕银心运转一周所需的时间约为两亿年。这当然是段漫长的时间，但不要忘了，我们的银河系已经有50亿岁了，在这段时间里，我们的太阳已经带着它的行星家族转了差不多20圈。遵照“地球年”这个术语，我们可以把太阳的旋转周期称为“太阳年”，说宇宙只有20岁。在恒星世界，事情的确发生得很慢，因此把太阳年作为对宇宙历史进行时间测量的单位会非常方便。
三、走向未知事物的边界
前已提到，孤零零地飘浮在广袤宇宙空间中的恒星群体并非只有银河系。望远镜研究已经表明，太空深处还有许多与银河系非常类似的巨大星群。其中距离最近的是著名的仙女座星云，用肉眼就可以看到。在我们眼中，它是一片又小又暗的拉得相当长的星云。插图7的a 和b 是用威尔逊山天文台的大型望远镜拍摄的这样两个天体，它们是从侧面看到的后发座星云和从上面看到的大熊座星云。我们注意到，作为银河系所特有的透镜形状的一部分，这些星云有一种典型的螺旋结构，因此被称为“螺旋星云”。许多证据表明，银河系也是一个螺旋星云，但我们很难从内部确定这种结构的形状。事实上，太阳很可能位于“银河大星云”的一条旋臂末端。
长期以来，天文学家们并未意识到螺旋星云是与我们银河系类似的巨大星系，而是将它们与猎户座星云那样的普通弥漫星云相混淆，后者是由飘浮在银河系内的恒星之间的星际尘埃所组成的巨大云团。但后来人们发现，这些雾蒙蒙的螺旋状物体根本不是云雾，而是一颗颗星星。如果放大到最高倍数，可以看到它们是一个个小点。但它们太过遥远，无法通过测量视差求出其实际距离。
这样一来，我们测量天体距离的手段似乎已经穷尽。但并非如此！当我们碰到某个无法克服的困难时，耽搁通常只是暂时的；总会发生某种新的事情，使我们能够继续前进。就这里的情况而言，哈佛大学的天文学家沙普利（Harlow Shapley）在所谓的脉动星或造父变星那里找到了一种全新的“量尺”。86
天上星辰密布。虽然大多数恒星都宁静地发着光，但也有一些恒星的亮度发生规则的明暗变化。这些巨大的星体像心脏一样有规则的脉动，其亮度也随着这种脉动而发生周期性的变化。87恒星越大，其脉动周期就越长，就像钟摆越长，摆动周期就越长一样。很小的恒星（就恒星而言）几个小时就完成了自己的周期，而巨大的恒星则需要很多年才能完成一次脉动。既然恒星越大就越亮，那么恒星的脉动周期与该星的平均亮度之间一定存在着明显的关联。通过观测造父变星，可将这种关系确定下来，造父变星距离我们足够近，它们的距离和实际亮度能够直接测量出来。
如果你发观一颗脉动星超出了视差测量的范围，那么你只需用望远镜观测出它的脉动周期，就能知道它的实际亮度。再将实际亮度与视亮度进行对比，就能立刻知道这颗星的距离。沙普利运用这种巧妙的方法，成功地测出了银河系中特别遥远的距离，此方法对于估算我们银河系的总体尺寸非常有用。
在用这种方法来测量巨大的仙女座星云中几颗脉动星的距离时，沙普利大吃一惊：从地球到这些恒星的距离————当然也是到仙女座星云本身的距离————竟然有1 700 000光年，也就是说远大于银河系的估算直径。仙女座星云的尺寸原来只比我们整个银河系略小一些。本书插图7中的两个螺旋星云距离要更远，其直径与仙女座星云差不多。
这一发现彻底驳倒了之前认为的螺旋星云是银河系中的“小家伙”的观点，螺旋星云也因此成为与银河系类似的独立星系。现在已经不再有天文学家怀疑，如果有位观测者站在仙女座星云中某颗恒星的小行星上，他所看到的银河系将与我们看到的仙女座星云非常相像。
主要由于威尔逊天文台著名的星系观测家哈勃（Edwin Powell Hubble）的工作，对这些遥远恒星群体的进一步研究向我们揭示了许多有趣而重要的事实。首先，与肉眼相比，用强大的望远镜所能观测到的星系要多得多，它们并不都是螺旋状的，而是有各种各样的种类：有看起来像边界模糊的规则圆盘的球状星系，有伸长程度各不相同的椭球状星系，螺旋星系也因“盘绕的松紧程度”而彼此不同，此外还有形状非常奇特的“棒旋星系”。
一个极为重要的事实是，所有这些观测到的星系形状都能规则地排列起来（图115）,这可能对应着这些巨大星系的不同演化阶段。
图115 正常星系演化的各个阶段
虽然我们对星系演化的细节还知之甚少，但这种演化很可能缘于渐进的收缩过程。大家知道，一个缓慢旋转的气体球逐步收缩时，其旋转速度会增加，形状也会变成椭球体。在某个收缩阶段，当极半径与赤道半径之比等于7／10时，该旋转体就会呈透镜形，沿其赤道出现一条明显的棱。如果进一步收缩，这种透镜形不会变化，但构成旋转体的气体会开始沿这条明显的赤道棱流入周围的空间，在赤道面形成一层气体薄幕。
英国著名物理学家和天文学家金斯（James Hopwood Jeans）已经用数学证明，上述说法对于旋转的气体球是成立的，但它们也完全适用于被我们称为星系的巨大星云。事实上，我们可以把这样聚集在一起的亿万颗恒星看成一团气体，把恒星看成一个个分子。
将金斯的理论计算与哈勃对星系的经验分类作一对比，就会发现这些巨大的恒星群体遵循的正是该理论所描述的演化进程。特别是，我们发现，拉伸最长的椭球状星云的半径之比为7/10（E7），这是我们注意到有明显赤道棱的第一例。演化后期出现的螺旋则显然是由快速旋转时抛出的物质所形成的。不过迄今为止，我们还不能完全令人满意地解释这些螺旋形为何会形成以及如何形成，还有简单螺旋与棒旋之间的差别是什么原因造成的。
关于这些星系的构造、运动和各部分的组成，还需要做进一步研究。例如，威尔逊山天文台的天文学家巴德（Walter Baade）数年前得出了一个有趣的结论：螺旋星云的中心体（核）所由以形成的恒星与球状、椭球状星系的恒星是同一类型，而旋臂本身所显示的星族却相当不同。这种“旋臂”型星族因为出现了炽热而明亮的成员而有别于中心区域的星族，无论是球状、椭球状星系还是中心区域，都没有这些所谓的“蓝巨星”。我们稍后（在第十一章）会看到，蓝巨星很可能是新近形成的恒星，所以有理由认为，旋臂可以说是产生新星族的温床。可以设想，从正在收缩的椭球状星系的赤道凸起抛出的物质有一大部分是由原始气体形成的。进入寒冷的星系际空间后，这些气体凝聚成一块块巨大的物质，后经收缩而变得炽热而明亮。
在第十一章我们还会回到恒星的诞生和生命问题，现在我们要考虑一下各个星系在广阔宇宙中的大致分布。
首先要说的是，基于脉动星的测距法虽然在用于银河系附近的一些星系时给出了很好的结果，但进入空间深处时就不管用了，因为此时我们所到达的距离已经大到无法分辨各个星星的程度，即使透过最强大的望远镜，所看到的星系也像是微小的长条星云。再往深处走，我们就只能凭借可见尺寸来判断距离，因为与恒星不同，所有同类型的星系都大约是同一尺寸。如果所有人都是同一高度，既无侏儒又无巨人，你就总可以通过观察一个人的视大小来说出他的远近。
哈勃用这种方法估算了遥远星系的距离，他表明，就我们目之所及（辅以最强大的望远镜），星系在空间中或多或少是均匀分布的。之所以说“或多或少”，是因为在许多情况下，星系成群地聚集在一起，有时竟包含数千个成员，就像众多恒星聚集成星系一样。
我们的银河系似乎属于一个较小的星系群，其成员包括三个螺旋星系（包括银河系和仙女座星云）、六个椭球状星系及四个不规则星云（其中两个是大小麦哲伦星云）。
不过，除了这种偶尔的聚集，从帕洛马山天文台口径200英寸的望远镜看过去，各个星系其实是非常均匀地散布在10亿光年以内的整个空间中。两个相邻星系的平均距离约为500万光年，可见的宇宙视野包含有数十亿个恒星世界！
如果还用我们之前的比喻，认为帝国大厦是颗细菌，地球是颗豌豆，太阳是个南瓜，那么银河系就是大致分布在木星轨道之内的数十亿个南瓜的聚集体，而许许多多这样的南瓜堆又散布在半径略小于地球与最近恒星之间距离的一个球形体积内。不错，我们的确难以找到一种表示宇宙距离的恰当尺度。即使把地球比做一颗豌豆，已知宇宙的尺寸仍然是个天文数字！图116试图表明天文学家是如何一步步勘测宇宙距离的：从地球开始，到月亮，再到太阳、恒星，然后到遥远的星系，一直到未知事物的边界。
图116 宇宙勘测的里程碑，用光年表示的距离
现在，我们准备回答宇宙尺寸这个基本问题。宇宙是无限扩展的，还是占据着某个极为巨大但仍然有限的体积？随着望远镜制造得越来越强大、越来越精良，天文学家是否总能发现一些尚未勘测的新空间区域呢？抑或与此相反，宇宙至少原则上是可以勘测到最后一颗星的？
当我们说宇宙可能“尺寸有限”时，当然并不是指在几十亿光年以外的某个地方，空间探险家会碰到一堵墙，上面写着“严禁擅自进入”字样。
事实上，我们在第三章已经看到，空间可以是有限而无界的。它可以径直弯曲，“自我封闭”起来。这样一来，一位假想的空间探险家虽然试图尽可能笔直地驾驶飞船，却会在空间中沿测地线回到其出发点。
当然，这就像一位古希腊探险家从家乡雅典出发一路西行，许久之后却发现又从东门进入了这座城市。
正如我们无需环游世界，只通过研究一小块地方的几何学就可以确定地面的曲率一样，我们在现有望远镜的视程内做出类似的测量，就可以回答三维宇宙空间的曲率问题。在第五章我们看到，必须区分两种曲率：对应于有限闭空间的正曲率，以及对应于马鞍形无限开空间的负曲率（参见图42）。这两种空间的区别在于：在闭空间中，均匀散布在与观测者的某一距离之内的物体，其数目的增长慢于该距离的立方；而开空间中的情况则恰恰相反。
在我们的宇宙中，“均匀散布的物体”就是各个星系，因此要想解决宇宙曲率的问题，我们只需数出不同距离处的各个星系的数目。
哈勃实际做过这种计数，他发现星系的数目似乎比距离的立方增长得慢一些，因此空间可能是正曲率和有限的。但要注意，哈勃观测到这种效应非常小，几乎已达威尔逊山那架口径100英寸望远镜的观测极限。最近用帕洛马山那架口径200英寸的新反射式望远镜所作的观测尚未对这个重大问题给出更进一步的答案。
现在之所以还不能对宇宙是否有限这个问题给出最终的确切回答，还因为遥远星系的距离只能基于它们的视亮度（平方反比律）来判断。这种方法需要假设所有星系都有同样的亮度，但若星系的亮度随时间而变化，从而暗示亮度与年代有关，就会导出错误的结论。别忘了，透过帕洛马山望远镜可以看到的最遥远的星系在10亿光年以外，因此我们看到的是它们在10亿年以前的状态。如果各个星系随着衰老而逐渐变暗（也许是因为活动恒星的数量越来越少），哈勃的结论就必须加以修正。事实上，只要星系的亮度在10亿年里（约为其整个寿命的1/7）改变一点点，就能把目前关于宇宙有限的结论颠倒过来。
于是我们看到，要想确定我们的宇宙是有限还是无限，还有许多工作要做呢。