1920年，就在哈伯以造父变星的量测星系距离之前，有一场天文学的「世纪大辩论」隆重登场。 两位重量级的天文学家激烈争辩仙女座星云等「螺旋星云」的地位，其中哈洛．沙普利（Harlow Shapley，1885-1972）主张银河系就是整个宇宙，所以螺旋星云是银河系内的天体；希伯．柯蒂斯（Heber Doust Curtis，1872-1942）则主张螺旋星云是银河之外的「岛宇宙」，亦即银河系不是宇宙中唯一的星系。 两位科学家都提出有力的观测证据，辩论难分轩轾。 1923年，哈伯利用造父变星测距，终于为这场辩论公平裁判。

哈伯的观测证实，仙女座大星云其实是银河系外的另一个星系，所以我们的银河系并不等同于整个宇宙，只是宇宙中的其中一个星系而已。 虽然当时哈伯的测量数据有不小的误差，但是至少正确判断出仙女座星系与银河系的相对距离。 这项测量结果证实银河系只是宇宙中其中一个星系，彻底改变人类的宇宙观。 而后，哈伯继续在威尔逊山天文台，利用造父变星测距。 1929年，哈伯发表了一篇非常重要的论文，名称是〈银河系外星云之距离与径向速度关系〉（A Relation between Distance and RadialVelocity among Extra-Galactic Nebulae）。

在这项研究中，哈伯利用多颗造父变星，测定所属星系（当时称为银河系外星云）的距离，并且与径向速度的观测数据相比较（图1.5）。 在此之前，美国天文学家维斯托．斯莱弗（Vesto Slipher，1875-1969）以光谱测量星系的径向速度，而这些数据在哈伯的研究中派上用场。 哈伯将自己测得的距离与斯莱弗测得的速度比较，发现一个美妙的关系：星系距离与远离我们的速度竟然呈现正比关系！ 这个关系后来称为哈伯定律（Hubble's law），而距离与速度之间的比例常数称为哈伯常数（Hubble constant）。 哈伯定律的意思是说，距离我们越远的星系，以越快的速度远离我们。 要理解哈伯定律，我们可以用气球来做一个简易的演示（图1.6）。

请你在气球表面粘贴一些小珠子代表星系，接着把气球吹开。 气球在膨胀的过程中，你会发觉星系之间创造出新的空间，把各星系彼此拉开。 气球上不论是哪个星系，都会看到所有星系正在远离它。 而且，若以任意一个星系上观察者为基准，距离他越远的星系，远离他的速度就会越快。 宇宙中的星系就是如此，当宇宙持续膨胀，每个星系都会看到其他所有星系都在远离它，而且距离越远的星系远离得越快。 近年来，有些学者留意到，比利时科学家乔治．勒梅特（Georges Lemaître，1894-1966）的贡献可能被哈伯的锋芒给掩盖了。 早在哈伯提出正比关系的分析结果前，勒梅特在1927年发表一篇论文，从广义相对论推导出的宇宙学方程序推论，宇宙膨胀下会看到星系远离。

他也初步运用斯莱弗与哈伯的观测数据，算出了哈伯常数。 不过，这篇文章只发表在比利时的法文期刊上，触及率非常低。 2018年，国际天文联合会在维也纳召开大会中投票表决，建议改用「哈伯－勒梅特定律」（Hubble–Lemaître law）取代「哈伯定律」一词，并以78%的同意票数通过决议。 国际天文联合会最著名的投票决议大概是2006年冥王星除名，而2018年再度以投票方式做出决定。 大爆炸学说 如今人们普遍接受，大爆炸（big bang）学说是宇宙膨胀的最佳解释。 大爆炸学说认为，宇宙的演化具有时间上起源，最初是极小的高温、高密度状态，由于不断膨胀而演变成今天的状态。 宇宙膨胀的过程中持续创造新的时空，使得宇宙内的星系逐渐远离。

我们需要注意，发现宇宙膨胀不等于证实大爆炸学说。 除了大爆炸学说以外，曾有其他宇宙模型尝试解释宇宙膨胀。 大爆炸学说在科学界成为共识，是在哈伯－勒梅特定律发现三十几年后的1960年代，宇宙微波背景辐射的观测证据出炉以后才形成。 从「大爆炸」这个词汇的发明，就可知道在上个世纪中叶，这个学说曾被认为是多么荒谬。 事实上，「大爆炸」一词并不是由提倡这个理论的学者创造，反而是由反对派发明。 1949年，英国天文学家弗雷德．霍伊尔（Fred Hoyle，1915-2001）在BBC广播节目上描述，某一套理论假设宇宙中的所有物质是在远古的一次「大爆炸」中创造出来。

事实上，霍伊尔是大爆炸理论的反对派，所以当他在节目上创造了「大爆炸」这个词汇，被认为带有嘲讽贬抑的意思。 事后霍伊尔澄清，他仅是以夸张手法向听众比喻，目的只是解释两个理论的差别，并非贬抑对手。 无论如何解读这件事，霍伊尔创造出的词语，后来演变成为敌对学说的通用名词。 霍伊尔主张的理论，是与大爆炸竞争的另一种宇宙模型—稳态理论（steady-state theory）。 稳态理论同意宇宙正在膨胀，但是不认为宇宙演化有个起点，宇宙更不是由高温、高密度的极小空间膨胀开来。 简单来说，稳态理论认为宇宙膨胀不会改变整体的温度、密度等物理性质，而是不断创造新的物质，来保持宇宙中相同的物理状态（图1.7）。

具体而言，这套理论认为，当星系随着宇宙膨胀而远离，中间就会创造出新的星系来填充空隙，使得宇宙中的星系密度保持不变。 稳态理论的主张者认为，大爆炸理论隐含着宇宙从一个奇点诞生，是不合理的推论。 的确，宇宙若从密度无限大的奇点诞生，这个想法违反一般物理直觉。 其实，当今创建在大爆炸模型的主流宇宙学理论，通常已不再假定宇宙的起源是个奇点，而是运用量子力学修正宇宙诞生最初期的物理，不过这是后话了。 在上个世纪中叶，大爆炸与稳态理论都能解释宇宙膨胀，所以两套宇宙论一度激烈竞争。 下一章我们会说明，宇宙微波背景辐射发现后，两个学说终于分出胜负，至今大爆炸成为宇宙学的普遍共识。

不过，向读者公布关键证据之前，现在我们暂且相信大爆炸是正确的，一起来重新解析夜空悖论。 ​《宇宙黎明》书封。 ＊作者欧柏升，国立台湾大学物理学系博士、历史学系学士。 现为中央研究院天文及天文物理研究所博士后研究学者、德国海德堡理论研究所访问科学家，《科学月刊》编辑委员。 本文选自作者新着《宇宙黎明》（允晨文化）