通过首次提供在我们星系之外还存在着其他星系的广泛的令人信服的证据，他使我们注意到宇宙起源的概念。

在本世纪前30年里，现代宇宙学从广义相对论、新的观测方法和仪器中诞生了。尤其是坐落在加利福尼亚和亚利桑那、海拔在几千英尺以上的大型光学望远镜起到了推动作用。理论和观测工具的革新带来了宇宙学自身的革命性的变化。与世纪之交的宇宙论相比较，新宇宙学包含了两个关键性的显著特征：其一，在地球上的望远镜可以看到，在我们的星系之外还存在着其他的星系；其二，这些星系表明了宇宙的膨胀。

在宇宙学历史的文献之中，哈勃（Edwin P. Hubble）是与这些宇宙新观念最密切相关的天文学家之一。正因为哈勃是一位主要从事观测的天文学家，人们为了纪念他而把一架太空望远镜命名为“哈勃太空望远镜”，并利用它来进一步探测河外星系的距离以及宇宙的膨胀。

术语和宇宙学

本世纪前30年里宇宙学术语的变化既反映又有助于构造宇宙的新问题和对天文学观测的解释。我们现在所指的宇宙学，在本世纪前W年左右是不存在的。相应来说，当天文学家在谈论宇宙的演化时，往往会起用“天体演化学”这一术语。然而，天体演化学只关心天空中可见的结构和天体的演化——例如星云和恒星，而“宇宙论”只与宇宙如何分布有关。按克拉克（Agnes A. Clerke）的话来讲，这层意义上的宇宙论是天体演化学的老大姐。

20世纪初期，甚至“宇宙”也获得了一个新含义。对于当时的天文学家来说，这个词常常是暗指银河系。例如，著名的英国天文学家、物理学家爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）于1914年在他的名著《恒星运动和宇宙结构》中，讨论的正是银河系中恒星的动力学问题，并把“宇宙的结构”意指为银河系的结构。“宇宙”的这种含义实际是以一种普遍持有的观点作后盾的，即银河系是唯一的一个用望远镜能够看到的恒星系统。

偶尔，天文学家们也猜测，在我们星系之外是否还有其他星系的存在？根据历史学家捷基（Stanley L. Jaki）的观点：直到本世纪的20年代初期，“人们习惯把宇宙的图像按两个部分来划分。其一是可见的且确实存在的银河；其二是无限遥远并相信是永远无法预测到的东西。”

在当时，几乎每个人都认为，可见的部分包含着大量的恒星和星云。绝大多数星云被天文学家看作是“旋涡星云”——拥有一种旋涡结构并且包含有许多类似太阳系的恒星系统。首个旋涡星云是由罗斯（William Parsons Rosse）爵士和他的同事们于1845年发现的，他们使用的是著名的“列维亚森”72英寸的反射望远镜。在随后的几十年里，被发现的星云在数量上相对要减少一些。到了1898年，克勒（James E. Keeler）在加利福尼亚里克天文台，通过36英寸的Crossley反射望远镜开始给亮星云和恒星团照相，克勒认为，尽管大多数星云具有旋涡结构，但这些“旋涡”天文学家并没有用星系观点加以解释。克勒没有来得及着手完成他的计划——“在于检验星系理论或特征的计划”于1900年去世。

向西方的转移

20世纪初期，作为经济强国的美国在制造和使用巨型反射望远镜方面异军突起。这突起的高潮出现在100英寸胡克望远镜在威尔逊山建成之时，那时正是1917年。除了光学部件外，胡克望远镜大部分是美国大型企业的产品。由于美国的天文学家成功地获得研究资金（主要是从新出现的、富有的企业家手中获得的）；成功地将昂贵而又强胜的望远镜安置在最理想的地点；成功地培训出本国杰出的天文学家，因而，美国就作为观测宇宙学领域里的主宰力量而出现了。

美国的天体物理学家和天文学家并没有在本世纪宇宙学紧迫的攻坚战中过早地开快车。当宇宙学的问题——特别是旋涡星云的探讨——快要真相大白时，美国天文学家就乐于去抓住它们。1936年哈勃写道：“征服星云王国，是巨型望远镜的一大成就”。这时，他的确过分地强调了仪器的重要性，而忽略了其操纵者。不过，他也的确抓住了一个关键，因为在20世纪20年代时，对旋涡星云的观测研究已成为一小批天文学家的工作中心。这些天文学家分别在里克、洛韦尔和威尔逊山天文台研究星云问题，这些天文台都处在美国西部最佳的地点且拥有强大的望远镜。此时，无论是什么天才，从事观测的天文学家最需要的是取得大型望远镜的自由使用权，以便列入旋涡星云研究的前列。但是，这种使用权只属有特权的少数人，哈勃列在其中。

转折点性的观测

科学通常被认为是由理论所驱动的，但是，理论和有待证实的假设又是取得更好的观测的动力，这动力给20世纪的宇宙学以能量。当天文学家努力发挥望远镜和其他仪器的潜力时，观测有时就呈现出一种独立于理论的职业活动。在本世纪初期，两个带有某种偶然性的观测——斯利弗对旋涡星云谱线迁移的测量和哈勃对旋涡星云边缘造父变量的辨认——对理论宇宙学产生了深远的影响。

为了了解斯利弗（Vesto Melvin Slipher）的观测，我们必须返回到1909年前后，那时他开始了对旋涡星云的研究。和其他人一样，斯利弗依然认为它们是准太阳系。实际上，当他首次把摄谱仪——装配在洛韦尔天文台24英寸反射望远镜上——瞄准仙女座星云时，他本希望这个星云有助于提供关于太阳系起源的一些线索。到1912年年底，斯利弗得到了4张照片，并得出结论：星云谱线移动是明显的。如果谱线的移动是多普勒移动，那么这可以使他测算出，星云的速度是每秒300公里，这对于天体运动的速度来说是很高的了。

1914年8月，在美国天文学会召开的一次会议上，斯利弗宣布了他对15颗旋涡星云视向速度的测量结果，其中大多数星云是处在退行当中。退行最快的星云速度——基于多普勒对红移的解释——大约是1100公里/秒，比最快的恒星速度每秒要高几百公里。年仅24岁的哈勃，作为芝加哥大学叶凯士天文台的一名研究生参加了这次会议。一位著名的天文学家坎贝尔（William Wallace Campbell）告诉斯利弗，旋涡星云视向速度的测定结果，最近在天文学家中间造成了一次巨大的震动。然而，这结果意味着什么呢？对于那些把谱线移动看作是多普勒移动的人来说，旋涡星云的速度似乎太快，以致不能把它们看作是引力束缚着的星系。但是，另有一些人认为，这些旋涡星云说不定是在银河系之外。显然，斯利弗的结果有助于把注意力引到旋涡星云以及空间充满着星系的理论之上。

如果说斯利弗对视向速度的测量，激发起人们对把旋涡星云作为星系的理论的新兴趣，那么哈勃在1923年~1924年对仙女座星云中造父变星的观测，有效地结束了一场关于在银河系外是否存在可见星系的争论。

从哈勃1923年前后撰写的论著中可以十分明显地看到，哈勃自作为研究生以来就清醒地注意到——星云是存在于外面的星系。例如，当他是威尔逊山天文台的一名成员时，哈勃就花费大量的时间来研究M₈₇。现在知道，M₈₇是一个巨型的椭球形星系。但在20年代初它却被划分到旋涡星云之列。当时，哈勃深受英国数学家金斯（James Jeans）的演化方案的影响。因此，当哈勃观测到一些天体，而当他又认为这些天体无法与M₈₇外层区的星象相区别时，他打算更进一步，把这些“凝聚块”用恒星来解释。

给出这些表观星像的亮度，并把它们同银河系中的亮星相比较，人们就可以估计到M₈₇的距离。这个距离使它远远地处在我们的恒星系统之外。在这估计当中，假设了M₈₇没有银河系那么大。但是，如果哈勃果真能证明这些天体的确是恒星（现在是球状星团），那么他本就会很容易地测量到较大旋涡星云的距离。他通过给旋涡星云外层区域照相，以研究这些“凝聚块”。这种方法避免了他望远镜的离轴像差。在1936年出版的经典著作《星云的世界》中，哈勃回忆道，他的确能在照片上辨认出貌似恒星的凝聚块。但是，这决不意味着哈勃已经完全确信，他能看到单个的恒星，与之相反 · 他把这些图像判断为与星象不可区分。除非这些图像能够展示一些恒星的特征从而确实呈现出恒星，否则，把旋涡星云作为河外星系的事例就没有任何说服力。

在从事这项工作的几个月之后，哈勃作出一项极其重大的发现。他对哈佛天文台台长沙普利（Harlow Shapley）说：“你会乐意听到，我已在仙女座星云中发现了一颗造父变星……我一直紧紧地抓住这个星云，……在天气允许的情况下和在最近的5个月里，我已捕捉到9颗新星和2颗变星……那两颗变星是在上周发现的。”首颗造父变星是在1923年10月拍摄的一张照片上显现的。哈勃的观测目标旨在发现新星，因而他当初把这颗变星看作是一颗新星。但是，在检查以前的照片并画出一条光度曲线——亮度是时间的函数——之后，他认识到这个天体显示出一颗造父变星的特征。他很快就计算出这颗恒星的光度变化的近似周期。

在整个宇宙中，周期相同的造父变星则具有相同的绝对亮度（这里用到了自然界均匀性原理），通过比较观测到的造父变星的视亮度和实际亮度，他得到了一个对仙女座星云中这颗造父变星距离的估计——大约是一百万光年，在观测到首颗造父变星之后，他又很快地发现了其他的造父变星。在大约一年左右的时间里，哈勃从造父变星和其他距离指示器那里积累了充足的证据，几乎使所有的天文学家都相信，仙女座星云的外层区域是由恒星群组成的：这颗星云的确是一个河外星系。随着这些发现以及对其他的、较大的、附近的旋涡星云的类似发现，一场关于是否存在可见星系的争论只好收场了。

膨胀的宇宙

在宇宙学中，一个受美学影响的、特别有趣的例子是与宇宙膨胀的概念有关。一个膨胀宇宙的设想通常可以追溯到两篇论文，至少在数学意义上来说是如此。这两篇论文是俄国数学家、气象学家弗里德曼（Alexander Friedmann）于1922年和1924年发表的。弗里德曼的出发点是广义相对论的场方程，而它是爱因斯坦于1917年提出来的。这些方程具有如下形式

R_mn-1/2g_mnR-λg_mn=-kT_mn

其中T_mn是能量——动量张量，R_mn是里奇张量。弗里德曼简化性的假设导致他得到度规

ds²=dt²-[R²（t）/c²]dσ²

其中dσ²是三维空间的度规。弗里德曼接着审查R究竟是一个常量还是一个随时间变化的变量，并得出结论：对于正或负曲率的空间，非稳态解都是可能存在的。然而，弗里德曼把对应于广义相对论场方程的非静态解只是看作为数学上的解，而不赋予它们以任何特别的物理意义，也不试图把它们同天文学观测挂上钩。与此相反，有一个人首次把理论和观测结合起来，他的这种方法在膨胀宇宙的设想中被广泛认为是很有实际意义的方法。正如克拉（Helge Kragh）所指，这个人就是年仅33岁的、比利时卢万大学的牧师兼教授列梅特（Georges Lemaitre）。

1927年，列梅特发表了一篇论文，后来才被认识到是关于膨胀宇宙的一篇重要论文。在短期之内，列梅特的著作未能引起人们的兴趣。在1927年的第五届索尔维会议上，爱因斯坦甚至对列梅特说，他不能接受这个膨胀宇宙的概念和那篇论文的物理基础。列梅特后来记述道，依然固执坚持静态宇宙概念的爱因斯坦曾对他说：“你的演算是正确的，但你的物理学洞察力是差劲的。”

显然，那时证实宇宙是膨胀的观测证据还是很含糊的，到1927年，关于河外星系红移——距离关系的合理猜测，已经有10种之多。但很少有人试图以观测基础出发，确定这个关系（假设是存在的话）的实际形式。而那时已经提出的证据也还没有说服力，这是因为已发表的视向速度——距离曲线像是零散的图形。

哈勃扭转了这种局面。利用威尔逊山休马逊（Milton Humason）测得的视向速度和斯利弗早期获得的许多视向速度，加上自己对星系距离的估计，哈勃最先说服他的同行们，的确存在一个红移——距离关系，而且至少在一级近似下它是线性的。他关于红移——距离关系的最早的论文发表于1929年。接着，他又与休马逊合作，发表了一篇更为广泛的论文，其中提供了由休马逊测量到的更多的红移。

在出版物中，哈勃总是小心地避免把红移明确地用多勒移动来解释。但是，爱丁顿和其他人的著作很快就把哈勃对红移——距离关系观测性的研究，与列梅特和其他理论家的计算结合起来。膨胀的宇宙的观念很快为许多人所接受，红移和距离间的线性关系后来被广泛地承认为哈勃定律。

即使人们接收了膨胀宇宙的观念，但马上又会出现令人困惑的、最根本的问题，即是什么原因导致了宇宙的膨胀？这个问题的提出者之一就是爱丁顿。他可能是那时世界最有影响的天体物理学家。对于爱丁顿来说，最令人赏心悦目或者“最迷人的”情况是，宇宙的质量与爱因斯坦宇宙的质量相等。这个质量是根据爱因斯坦10年前提出的广义相对论的场方程的静态解求出的。根据爱丁顿的方案，现在的宇宙是从爱因斯坦的宇宙演化而来的，且是从“一个处于非稳定平衡的原始均匀分布无限缓慢地”发展而成的。对爱因斯坦宇宙无限小的微扰将导致并开始了宇宙的膨胀过程。尽管如此，爱丁顿明确地拒绝接受宇宙创生的概念，因为这概念似乎暗示宇宙质量比爱因斯坦宇宙的质量要大，“它似乎需要一个突然且特别的开始”。爱丁顿申辩道：“作为一名科学家，我完全不相信事物现在的秩序由来于一次大爆炸；我的直觉告诉我，不能接受神圣自然中的不连续性。”

在30年代初期，少数几个人，包括哈勃和他的合作者加州理工学院数学物理学家托尔曼（Richard C. Tolman），试验性地用物理机制去解释宇宙膨胀。当然，宇宙膨胀的另一个解释是：它的确开始于宇宙创生的那一刻。这正是列梅特引入到宇宙学中的玩意。在1931年，他提出了首个详细的蓝本，即后来广为人知的大爆炸理论。但是，不同于现代的大爆炸理论，列梅特的宇宙不是从一个真正的奇点开始演化的，而是从一个原始宇宙开始演化的。列梅特称原始宇宙为“原始原子”，并认为它是一个“唯一的原子”，其质量等于整个宇宙的质量。这个高度不稳定的原子由于一种超级放射性过程，而分裂成越来越小的原子。对于列梅特来说，一种宇宙奇异性是一个非物理学概念，因为其中的时空均不存在。他坚持认为，宇宙学能够且应当在物理学术语中得以阐明。因此，列梅特于1931年写道：“最后20亿年是演化缓慢的。宇宙是光的灰烬和烟雾，不过是快速的烟火罢了。”这种陈述是这阶段宇宙学术语转化的另一个例子，它是作为科学演说的一个正式标题引入的，甚至一些人——例如爱丁顿——发现它令人讨厌。

在30年代，理论性的宇宙学倾向于分成两派：正如历史学家诺斯（John North）写道，它开始于44爱因斯坦宇宙的稳定性，这类问题被认为是弄清宇宙的开始——或者可以说是弄清宇宙的‘原因’。这些问题只求助于天体物理学感兴趣的东西——星际气体的凝聚、宇宙辐射和化学元素的合成，也求助于列梅特引入的所谓原始原子的猜测。另一派，以几何学和运动学前提作为辩论基础，他们倾向于一个理想化条件（例如对称性的要求），这一派常常只稍稍考虑一点天文学的实际。”然而，到了1930年，至少在第一派人中存在着理论和数据间的交流，这种交流主要归功于哈勃的研究。哈勃的研究有助于树立他那个时代天文学家和数学家的信心，使他们讨论并最终解释宇宙的整个历史。

[Physics Today，1990年第4期]