著名的「哈勃定律」要被更名了?

2021-01-13 博科園

博科園-科學科普-天文學類

前幾天，在維也納舉行的國際天文學聯合會（IAU）第三十屆會議上，天文學家進行了一場激烈的辯論。其辯論的主題是，是否要重新命名一個重要的物理學定律——哈勃定律。該定律是近100年來，天文學發展的一個重要裡程碑，也是現代宇宙學的基石之一。為了紀念另一位比利時天文學家喬治·勒梅特（Georges Lematre）所做出的貢獻，IAU大會成員提出了一項決議，將「哈勃定律」的名稱修改為「哈勃-勒梅特定律」。

會議上的多數（但並非全部）成員贊成該決議，但隨後，投票被降級為非正式投票，這項決議將在晚些時候以電子投票的形式正式付諸表決。通過電子投票給所有成員以發言權是從2006年IAU大會受到批評之後引入的，那次大會通過了一項定義行星的決議——將冥王星降級為矮行星。但是更改哈勃定律的名字產生了如下的問題：誰應該被獲得命名物理學定律的榮譽？IAU是否應該參與任何決定？

膨脹的宇宙

我們可以把膨脹的宇宙想像成一塊膨脹的麵包。在烘烤過程中，麵包會不斷膨脹，因此麵包中的葡萄乾之間的距離也會彼此遠離，就好比宇宙中的星系彼此遠離一樣。圖片：Hyperphysics

1929年，愛德溫·哈勃發表了一篇劃時代的論文。在這篇只有短短幾頁的論文中，哈勃給出了一個顛覆性的發現：宇宙並不是靜止不變的，而是正在膨脹！這裡的膨脹意味著，星系之間的距離會隨時間增加，並且這種增加是均勻的。無論你身在何處，或者朝哪個方向看，都會看到一個膨脹的宇宙。

哈勃得到的速度-距離關係。

在上圖中，我們可以看到哈勃得到的重要結果。圖中的點代表了銀河系之外的星系，縱軸代表了 星系遠離地球的速度（v），橫軸則表示了星系的距離（D）。我們可以清楚地看到，這些星系遠離地球的速度正比於星系的距離，這邊是哈勃發現的速度-距離關係。為了紀念哈勃的貢獻，人們將這個關係稱作」哈勃定律「，數學表達式為：v=HD，其中H是比例係數，即描述宇宙膨脹速率的哈勃常數。

哈勃並非第一個

但哈勃真的是第一個發現宇宙膨脹的科學家嗎？事實上，在1927年的時候，勒梅特就已經在比利時的一個期刊上發表了一篇關於宇宙膨脹的文章，論文標題是「Un Univers homog`ene de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des n ebuleuses extra-galactiques」 。顯然，文章是用法文寫的。

勒梅特為宇宙膨脹提供了一個理論基礎，他利用天文學數據（與哈勃在1929年的文章中使用的相同數據）來推測宇宙膨脹的速率。1928年，美國數學家和物理學家霍華德·羅伯遜（Howard Robertson）在期刊上發表了一篇文章，推導出了宇宙膨脹的公式，並從與勒梅特一年前使用、哈勃在一年後使用的相同數據推斷出了宇宙膨脹的速率。

羅伯遜並不知道勒梅特的工作。鑑於發表勒梅特論文的比利時期刊有限的流通量，以及他使用的是法語，人們認為他的非凡發現在當時很大程度上不為天文學界知曉。但是哈勃在1929年發表的發現很可能受到了勒梅特的影響。1928年7月，勒梅特和哈勃在萊頓舉辦的IAU第三界會議上會面，會議期間，他們討論了表明宇宙膨脹的天文學證據。

勒梅特和哈勃發現了宇宙膨脹。圖片：NASA / ESA / A. Feild (STScI)

遺失在翻譯中的宇宙膨脹速率

1930年1月，在倫敦皇家天文學學會的會議上，英國天文學家、物理學家和數學家愛丁頓（Arthur Eddington）提出了宇宙膨脹的問題，並且強調了目前並沒有滿意的理論能夠解釋這一現象。當勒梅特發現這一點時，他即刻寫信提醒愛丁頓，在1927年的時候，他就已經發表了奠定宇宙膨脹的理論基礎的論文。愛丁頓邀請勒梅特將這篇論文的翻譯重新發表在皇家天文學會月刊中。

與此同時，哈勃和美國天文學家Milton Humason在ApJ上發表了關於宇宙膨脹的新結果。這一次樣本更大了，並且被廣泛傳播。這些新的測量結果使得之前關於宇宙膨脹的測量都變得過時了。因此，勒梅特在翻譯過程中刪除了文章中他估算宇宙膨脹速度的段落。由於這一變化，對於那些不熟悉勒梅特或羅伯遜之前論文的人來說，一切看起來就像是哈勃是發現宇宙膨脹的第一人。

勒梅特顯然不關心為他最初的發現確立優先權。因此，現在描述宇宙膨脹速率的公式以哈勃的名字命名。為了表彰勒梅特的貢獻，IAU執行委員會的決議想把名字改成哈勃-勒梅特定律，並承認他在這一發現中的角色。

喬治·勒梅特（1894-1966）在比利時的紀念雕像。勒梅特認為宇宙始於一個原初的「超級原子」或者說「宇宙蛋」的災難性爆炸，這個理論經過喬治·伽莫夫的修改而成為現代的大爆炸理論。除了宇宙膨脹的工作，勒梅特還研究過宇宙射線和三體問題。圖片：Wikimedia/EmDee

能否改變遊戲規則？

IAU成立於1919年，其活動之一是標準化天體的命名及其定義：從小行星到行星再到星座。IAU由個別成員（來自101個國家的1.2萬多人）和國家成員（79 個不同的科學研究機構或國家天文學協會）組成。有理由期待，如果決議通過，那麼隨著時間的推移，新的名稱將更加廣泛地使用。

這項決議具有重要的影響。它尋求認可勒梅特的貢獻，因為他參與了關於宇宙行為的最基本發現之一。同時，該決議可能為今後的行動開創先例。這項倡議會否產生更深遠的影響？其他學科會遵循天文學家設定的例子嗎？

科學充滿了定律、效應、方程和常量，在許多情況下，它們並不以其合法發現者的名字命名。一些人擔心，對於所有這樣的情況都給予應得的榮譽會花費大量的時間和精力。另一些人歡迎這個先例，並熱切盼望，比如說，什麼時候勒維特（Henrietta Swan Leavitt ）最終會因為發現周期-光度關係而獲得適當的承認。

博科園-科學科普｜文：Krzysztof/原理/principia1687

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