銀河系有多大？太陽在銀河系哪里？這些問題的答案如今可在隨意一本天文科普書中找到，但對于1920年的人們來說，這是一個關(guān)乎于人類在宇宙秩序中位置的關(guān)鍵問題。因為在當(dāng)時，銀河系就等同于全部宇宙。另一方面，當(dāng)時天文學(xué)家通過傳統(tǒng)的恒星統(tǒng)計方法和新發(fā)現(xiàn)的造父變星方法得到了兩個不同的答案，對螺旋狀星云的組成也沒有統(tǒng)一解釋，由此兩方代表展開了一場載入史冊的天文學(xué)“大辯論”。這場辯論并沒有勝者，但卻是科學(xué)史上的經(jīng)典案例。
銀河系在夜空中是一襲輕淺的光帶，中國古人把那想成天上的河流，因此而有“銀河”“天河”“河漢”等稱呼，歐洲人則用神話想象稱呼那為“牛奶路”（Milky Way）。
根據(jù)現(xiàn)在的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，銀河系是由上千億顆恒星所組成的扁平漩渦狀星系，外型像個荷包蛋，直徑長達(dá)10萬光年，厚度則約3000光年。太陽是銀河系中的一顆普通的恒星，帶著包括地球在內(nèi)的八大行星一起繞著銀河中心旋轉(zhuǎn)。
銀河系結(jié)構(gòu)示意圖丨來源：歐洲航天局
我們在許多場合都能看到銀河系的類似圖像，想必大家都很熟悉。但問題是，既然我們身處其中，那如何獲得這樣的圖像呢？畢竟銀河系的空間維度這么大，一定要有足夠長的“自拍神器”伸出去，或者是離足夠遠(yuǎn)的宇宙飛船，才能夠捕捉到完整的樣貌。但人類的探測器至今連最近的恒星比鄰星（距離地球4.3光年）都還無法前往，更不用說飛越銀河系這種動輒以萬光年計的空間距離！
能夠繪制出這樣的銀河系結(jié)構(gòu)圖，需要科學(xué)家對銀河系中的天體進(jìn)行測量，這是一項浩繁的工程。今天我們就回顧一下人類是如何從平面到立體地去認(rèn)識銀河系的。
針對銀河系尺度的估計，科學(xué)家曾經(jīng)有過精彩的辯論。在雙方看似都有理的情況下，真相最終是介于不同的估計值之間。這一點(diǎn)很有啟發(fā)性，留給后人一個理性爭辯的典范。
發(fā)現(xiàn)天王星后，他開始數(shù)星星
威廉?赫歇爾丨來源：英國國家肖像館
他在天文觀察上確定了幾個目標(biāo)，其中之一是想要了解銀河系的結(jié)構(gòu)。當(dāng)時有其他人憑直覺猜測銀河系的結(jié)構(gòu)，但他是唯一采取行動來實際進(jìn)行系統(tǒng)性觀測的人。赫歇爾采取恒星計數(shù)（star gaging）的方式來計算銀河在各個面向的恒星數(shù)量與分布情況。進(jìn)行觀測時，他基于以下兩項基礎(chǔ)假設(shè)：
1. 恒星在銀河系中大致是均勻的，而在銀河系的邊界外則沒有。
2. 用來做恒星計數(shù)的望遠(yuǎn)鏡能夠觀測到銀河系當(dāng)中的所有恒星。
他把天空分成683個區(qū)域，經(jīng)過仔細(xì)觀察和測量，在1785年描繪出一個橢圓形的結(jié)構(gòu)，中心在人馬座方向。在這個過程中，他還了解到太陽雖然是銀河中的一員，但并非位于中心的位置。但是在他的模型中，太陽距離銀河中心還不算太遠(yuǎn)。
老方法與新方法的矛盾
然而此時有人提出了不同的方法。有的天文學(xué)家分析太陽附近的造父變星的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其周期與亮度呈線性關(guān)系，這可以反過來讓我們研究遙遠(yuǎn)的、原本不確定距離的造父變星，從其周期得到亮度，進(jìn)而反推出它到地球的距離。用這樣的方法去觀測銀河系盤面的球狀星團(tuán)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)有的距離達(dá)到30萬光年。支持這一方法的學(xué)者認(rèn)為數(shù)據(jù)很可靠。
雙方都覺得自己的方法和結(jié)論無懈可擊，因此對這10倍的差距，都認(rèn)定是對方錯了。真的是這樣嗎？
美國國家科學(xué)院就在1920年4月舉辦了一場辯論，請雙方各自派出一位代表來進(jìn)行演講，談?wù)劯髯缘牧鲆约皩Ψ浇Y(jié)果的分析。這就是后來被稱為 “大辯論”（Great Debate）的沙普利-柯蒂斯之爭。
“大辯論”的新聞稿丨圖源：nasonline.org
“大辯論”的時代與學(xué)術(shù)背景
1920年，第一次世界大戰(zhàn)剛結(jié)束2年，狹義相對論已推出15年，廣義相對論面世也有5年，當(dāng)時也剛通過對日食的觀測確認(rèn)了廣義相對論的預(yù)測更勝牛頓力學(xué)。有學(xué)者對愛因斯坦的創(chuàng)新理論很感興趣，建議將相關(guān)內(nèi)容作為此次辯論的主題，但主辦單位卻對這很厭煩，不認(rèn)為這能吸引太多人注意，因此后來選了銀河尺度來作為辯論的主題。
這時候的天文學(xué)受到近代物理的影響還不大，天文學(xué)家甚至還不知道恒星的發(fā)光機(jī)制。雖然有人猜測相對論的質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式E=mc2也許有機(jī)會解釋恒星的能量來源，但細(xì)節(jié)還沒被勾勒出來。當(dāng)時恒星光譜類型已經(jīng)廣為學(xué)者所熟悉，赫羅圖（H-R Diagram）對恒星亮度與溫度（顏色）的分析也已確立，但當(dāng)時還沒領(lǐng)悟到這在恒星演化上的意義。天文學(xué)家使用的距離單位除了光年之外，還有“秒差距”（parsec, 簡寫成pc，1pc=3.26光年）這樣的概念。
天文學(xué)家此時除了可以測量恒星的位置、亮度和光譜之外，還能利用譜線的多普勒效應(yīng)測量出恒星的徑向速度。相較之下，與之垂直的自行（proper motion）則只能針對較近的恒星測量出些微的差異。
雖然處在一個動蕩的年代里，但天文學(xué)界在第一次世界大戰(zhàn)后還是樂于支持成立一個國際性的組織，于是在1919年成立了國際天文學(xué)聯(lián)合會（International Astronomical Union，IAU）。許多天文學(xué)界的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則等都是由這個機(jī)構(gòu)發(fā)布，跟我們這個主題相關(guān)的就是銀河系的大小。
銀河系究竟有多大呢？
不同學(xué)者估算的的數(shù)值會有些差異，但多落在某個范圍內(nèi)，最大的問題在于兩種迥異的方法帶來的差距高達(dá)10倍。雖然在天文學(xué)當(dāng)中，某個范圍內(nèi)的誤差可以容忍，但在這個議題上相差一個數(shù)量級讓學(xué)者們無法接受。就在這樣的背景下，美國國家科學(xué)委員會決定來場討論。
雖然事后許多學(xué)者會用“大辯論”（Great Debate）來稱呼這件事，但其實這次并非采取辯論的方式，而是舉辦了兩場演講，由雙方代表闡述各自的觀點(diǎn)。
把太陽從中心移走的沙普利
哈羅·沙普利丨來源：supernova.eso.org
對沙普利而言，把宇宙（當(dāng)時的宇宙跟銀河系同義）的中心從太陽這里移開，是一項巨大的成就。因此他開宗明義，人類知識的發(fā)展導(dǎo)致從以人為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘厍驗橹行?，以太陽為中心更是人類科學(xué)的一大飛越，那說不定現(xiàn)在就是要從以太陽為中心的觀點(diǎn)再進(jìn)一步的時刻。接下來他開始介紹幾位學(xué)者所采用的方法，然后再講自己的不同看法。
他表示銀河系是個龐大的系統(tǒng)，過去已知內(nèi)部有許多恒星、星云和星團(tuán)等，不過現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)看似不在盤面上的球狀星團(tuán)，其實也屬于這個系統(tǒng)。
沙普利的方法基礎(chǔ)是測量恒星距離的新進(jìn)展。測量恒星的距離，最可靠的是視差法（parallax）。這種方法利用地球在公轉(zhuǎn)軌道上半年的空間差距，去觀察較近的恒星，可以看到它們在更遠(yuǎn)的背景恒星前有位置改變，用幾何的方式可以推得其距離。不過當(dāng)天體太遠(yuǎn)時，地球公轉(zhuǎn)軌道所造成的視差角度太小，以至于無法測量。這個方法的極限是只能測量數(shù)百光年的距離，再遠(yuǎn)就要換用別的方法。
天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)相同光譜的恒星亮度會落在某個范圍，因此接下來反過來用恒星光譜與所應(yīng)有的亮度，與實際測量到的亮度進(jìn)行比較，就可換算出天體的距離。打個比方，當(dāng)你知道一支蠟燭的真實亮度后，發(fā)現(xiàn)距離越遠(yuǎn)，蠟燭的亮度越暗，這時就可以根據(jù)變暗的情況來推算同遠(yuǎn)處蠟燭的距離。在這里，沙普利建議可以用星團(tuán)與光譜類型B的亮星或者紅巨星來當(dāng)作參照，因此也被稱為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。他認(rèn)為這些天體在太陽附近呈現(xiàn)出規(guī)律性，那物理定律自然可以推廣到宇宙的其他地方。
此外還可利用造父變星（Cepheid variables）的周期與亮度的固定關(guān)系，先測量周期，推測應(yīng)有的亮度，再推導(dǎo)出到地球的距離。造父變星的這種特性在當(dāng)時是新的發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)者對其信心不足，但沙普利認(rèn)為借助造父變星測量的星團(tuán)距離，與使用紅巨星和B型星的結(jié)果一致，因此沒必要懷疑。
在論證自己測量距離的方法有堅實的基礎(chǔ)后，沙普利得出銀河系的直徑至少為30萬光年，太陽距離銀河中心最少有5萬光年。
至于當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的“螺旋狀星云”（spiral nebulae），有許多人猜測那些可能是堪與銀河系相比的恒星系統(tǒng)。但是，沙普利覺得在我們自己銀河系都已經(jīng)這么大、恒星這么多的情況下，要去把那么多的螺旋狀星云視為相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)是有困難的。
換句話說，他認(rèn)為這個宇宙已經(jīng)容納了一個這么龐大的銀河系，恐怕無法再容納其他那么多的相同系統(tǒng)。但沙普利并不排除在銀河系外面還會有別的恒星系統(tǒng)，但他認(rèn)為當(dāng)時還沒觀察到；而“螺旋狀星云”應(yīng)該就是一般星云，并不是在尺度上同銀河系一樣巨大的恒星系統(tǒng)。
堅持傳統(tǒng)方法的柯蒂斯
希伯·柯蒂斯丨來源：Wikicommons
他引用不同學(xué)者對銀河系直徑的估計，都在1.4萬到6萬光年之間，其中包括了沙普利在1915年得出的2萬光年的結(jié)果。
銀河系中的成員有什么呢？恒星、星云、行星狀星云和星團(tuán)，但當(dāng)時也發(fā)現(xiàn)有一種螺旋狀星云，這似乎跟銀河系的結(jié)構(gòu)沒有關(guān)系，因此柯蒂斯認(rèn)為那有可能不是銀河系的成員，而是在銀河系外，說不定是跟我們的銀河系類似的天體系統(tǒng)。如果真是那樣的話，說不定可以把我們的銀河系模擬成那樣的結(jié)構(gòu)，也有漩渦臂。雖然當(dāng)時這方面的證據(jù)還不多，但并非不可能。
柯提斯還稱呼這些為島宇宙（island universe），認(rèn)為如果宇宙中還要容納這么多同銀河系相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，那我們的銀河系自然不可能太大，否則整個宇宙會龐大到令人難以想象的地步。因此他認(rèn)為銀河系的直徑不會超過3萬光年，厚度大約5000光年。我們當(dāng)時所看到的天體，除了螺旋狀星云之外，都是銀河系的成員。而各式各樣的島宇宙到我們的距離，從50萬光年到1000萬光年，甚至?xí)h(yuǎn)。
至于如果把星團(tuán)視為銀河系成員，為什么沙普利估計的距離會那么大？柯蒂斯認(rèn)為那是因為它的基礎(chǔ)假設(shè)有問題——把星團(tuán)的大小視為相同、利用造父變星的變化周期與亮度關(guān)系、選用最亮的恒星來估計，這在當(dāng)時其實是新的理論，觀測證據(jù)還不充足（僅有11個樣本）。另有一些不符合沙普利預(yù)期的觀測結(jié)果就被刪除，沒被納入討論范圍。因此柯蒂斯認(rèn)為沙普利的方法存在問題，難以信賴，這方面還需要更多的數(shù)據(jù)才能夠被拿來作為標(biāo)準(zhǔn)。
漩渦狀星系丨來源：NASA
柯蒂斯還引用當(dāng)時利用多普勒效應(yīng)觀察到這些螺旋狀星云都在高速遠(yuǎn)離我們的情況，除了銀河盤面之外，任何方向都有，平均徑向遠(yuǎn)離的速度高達(dá)1200 km/s。他認(rèn)為這樣的速度與空間分布，沒辦法用銀河系內(nèi)的動力來維持，或者根本也沒辦法為銀河系的空間所容納，因此更強(qiáng)化那是發(fā)生在銀河系外的結(jié)論。
而從光譜上來看，也顯示這些螺旋狀星云跟銀河系在整體上相當(dāng)。另外柯蒂斯猜測銀河系要維持自身類似的漩渦狀結(jié)構(gòu)，可能還要有許多不發(fā)光的物質(zhì)存在。
辯論的意義更在勝負(fù)之外
雙方交鋒各有論點(diǎn)，到底誰對呢？
十多年后，天文學(xué)界才知道，其實雙方各有對錯。但針對這次辯論的主題——銀河系的大小——而言，目前接受的結(jié)果恰恰介于雙方的估計值之間?，F(xiàn)在，我們一般認(rèn)為銀河系的直徑為10萬光年。
造成雙方估計會有誤差的原因在于星際介質(zhì)的消光效應(yīng)。雖然宇宙中許多地方看起來是真空，所含物質(zhì)非常稀少，但是經(jīng)過長距離的累積，星光被遮蔽的效應(yīng)并非如沙普利假設(shè)的那樣可以忽略。這會讓銀河盤面之外的球狀星團(tuán)看起來更暗些，因此距離會被高估，沙普利于是得到一個較大的銀河系尺寸。銀河盤面的消光現(xiàn)象更嚴(yán)重，不容易看清楚位于更遠(yuǎn)的恒星，因此采用恒星計數(shù)方法估計出的距離會被低估，所以采用此法的人都會得到一個比較小的銀河系直徑。
這個“辯論”還有個有趣之處，雙方關(guān)心的重點(diǎn)大不相同：沙普利的重心在于用標(biāo)準(zhǔn)燭光來估計天體距離，此螺旋狀天體不是他討論的重點(diǎn)；柯蒂斯的重心在于建立島宇宙的模型，他不認(rèn)為能夠拿亮星或造父變星來當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)燭光。
雙方各有思考脈絡(luò)，也有其信念的堅持，在當(dāng)時無法論斷對錯，幸好雙方都很禮貌地給予對手尊重，期待能有更多的證據(jù)。
這樣的辯論，讓持不同觀點(diǎn)的人能在一起討論、交鋒，又相互尊重，是科學(xué)史上的經(jīng)典案例。因此多年以來常被天文學(xué)界拿出來探討、懷念，或者自我提醒不要太早下定論。
今年是這次辯論的100周年，謹(jǐn)以此文加以回顧。今人不該只以一個歷史事件來看待，而該如華裔天文學(xué)家徐遐生（Frank Shu）所述：“這段辯論最精彩之處在于雙方科學(xué)家都是在證據(jù)不完整的情況下從自身立場去進(jìn)行推理，因此得出部分對又有部分錯的理論?！?/span>這樣的辯論恰可以說明在科學(xué)前沿的研究中，想要成功選擇正確的道路是有多么不容易。當(dāng)我國科學(xué)越發(fā)進(jìn)步之時，此類辯論的意義也就越發(fā)值得重視。
