纪念哈勃服役30年，宇宙学有它没它真的不一样

　　服役将满30年的哈勃老了，之前已经5次传出其即将退役的消息，由于继任者（韦伯望远镜）迟迟无法升空，导致哈勃在经历几次大手术之后，仍旧坚守在自己的岗位上。这几天为了纪念哈勃升空30年，好多科学领域的作者写了大量关于哈勃的文章。
　　我想我不会比他们写得更好了，所以决定另辟蹊径，写写哈勃太空望远镜对宇宙学研究的影响。也从另外一个角度来反映一下哈勃太空望远镜的重大意义，谨以此文纪念哈勃30年来带给宇宙学的伟大贡献。
　　什么是宇宙学？
　　说起宇宙学，可能大部分小伙伴都很陌生，因为这是现代物理与天文学联姻形成的一个全新的学科，它的正式名称叫做物理宇宙学或者现代宇宙学。其主要的研究手段是借助现代物理理论、数学方法和现代天文学观测研究宇宙的成分、结构和演化。
　　换句话说，现代宇宙学认为宇宙本身可以在物理学的思维框架内用物理学的语言来描述，这是人类将物理学理论应用到最大尺度上所得到的产物。提出这个思想的人，就是爱因斯坦。他在发表了自己的广义相对论之后，希望把这一理论用于其他科学领域的研究中。
　　有人曾经想把广义相对论用于量子力学的研究中，但是由于量子力学研究的主要是电子、原子核之间的相互作用，引力的强度只是两个电子之间电磁力的10^37分之一，因此爱因斯坦认为广义相对论不会对量子力学有什么影响。
　　但宇宙是电中性的，星体之间的电磁相互作用可以忽略，引力作用则是主要的，他认为把广义相对论应用于宇宙学的研究上可以大有可为。如今的广义相对论宇宙学几乎成了宇宙学的代名词。
　　哈勃望远镜让宇宙学原理更坚实
　　天文望远镜被伽利略发明出来之后就用于天文观测，他发现了月球的高地和环形山投下的阴影，接着又发现了太阳黑子，此外还发现了木星的4个最大的卫星。 自那以后，科学技术已经获得了长足进步，光学技术的腾飞促使科学仪器不断更新。
　　当今最先进的地面望远镜具有庞大的结构，直径达10米的灵活转动镜片。然而，现代高级的天文望远镜都是在前 人基础上发展起来的。随着望远镜技术的发展，人类的目光逐渐从地球附近伸向远方。这时候望远镜中的物质分布都是成团的结构。
　　卫星绕着行星转，行星绕着恒星转，众多的恒星形成星团和星系，围绕着它们的质心转。地球所在的银河系大约由1000亿~2000亿颗恒星组成，形成直径达到10万光年的旋转的盘状结构。银河系与其他几十个河外星系组成星系群。
　　望远镜进一步观察发现，星系都聚集成星系团（包含成百上千个星系）或星系群（包含不到100个星系）。星系团或群中的星系都围绕该团或群的质心转动。星系团或星系群的直径大约在1000万光年（10^7光年）左右。
　　当望远镜伸向更远的空间时，人们发现在10^8光年以上，物质分布不再是成团的，众多的星系团或群均匀各向同性地分布在宇宙空间。在哈勃没有升空的日子里，人类望远镜观测的距离达到100亿光年（10^10光年）以上。在这样辽阔的宇宙空间中，物质分布大体上是均匀各向同性的。
　　观测事实表明，光是以有限速度传播，望远镜看到的天体都是它们过去的样子。比如，太阳发出的光到达地球需要8分钟，所以我们看到的是8分钟之前的太阳。比邻星距离我们4.2光年，所以我们看到的比邻星是4.2年前的样子。所以天文望远镜看到的不仅是远方，而且还是宇宙的历史。
　　爱因斯坦根据前面所述的天文观测结果总结出一条原理：在宇观尺度上（10^8光年以上），宇宙中的物质始终均匀各向同性地分布着，这条原理被称为宇宙学原理。
　　在哈勃望远镜没有升空之前，天文学家观测宇宙各种数据的误差估计值为50%，而哈勃太空望远镜升空之后把误差值降低到了10%，从而在更高的精度上，进一步确认了宇宙学原理中所描述的宇宙均匀各向同性的性质，使得宇宙学原理具有更坚实的观测基础。
　　哈勃望远镜是怎么做到提高测量精度的
　　如果我们提问：哈勃望远镜是如何提高测量精度的？这与我们提问：为什么要将望远镜送入太空？是同一个问题。如果仅从望远镜的参数上看，哈勃太空望远镜与地面上一些大型天文望远镜有较大的差异，在很多参数上都有如不，但哈勃升空之后，这些短板不仅得到了补足，某些方面还有提高。
　　首先，布置在太空中的哈勃望远镜避开了大气湍流和吸收，虽然湍流使人们在地面上感到高兴，导致星星闪烁，但这会让天文学家感到沮丧，细节在混乱中消失。大气吸收则可以把波长0.3微米以下的紫外线统统阻挡在地球外面。这两种效应使得再好的大型望远镜的分辨率也难以接近光学上的所谓的衍射极限。而把同样的大型望远镜放到处在真空环境的太空，分辨率可提高10倍。
　　其次，布置在太空中的哈勃望远镜避开了地球引力的影响。大型望远镜需要巨大的光学透镜，地球的引力会使大透镜制造时产生微小的形变，而微小形变会使望远镜分辨率大大降低。哈勃太空望远镜刚刚升空时，就因为望远镜的主镜的边缘在地面加工时多磨去了2微米（大约只有头发丝的1/50），而无法使用。结果，＂奋进号＂航天飞机只能上天，派出航天员给哈勃太空望远镜＂戴上＂称为＂光学矫正替换箱＂的＂眼镜＂，才使＂哈勃＂的＂视力正常＂。
　　再次，布置在太空中的哈勃望远镜避开了地面震动的影响。无论是人类活动产生的震动还是地球内部产生的震动，都会影响望远镜对宇宙深空的观测。这个道理就与我们用一个不稳定的三脚架去拍照是一样的。
　　在太空中运行的哈勃望远镜就拥有这样一个没有任何干扰、＂与世隔绝＂的环境。需要说明的是，把望远镜从地面部署到太空这样的思路，与其他物理实验中采用隔离法的思路是一致的。
　　结束语
　　哈勃在冷寂的太空中孤独而又顽强地服役了30年了，我无法确定它究竟什么时候退休，但哈勃在这30年里不仅给我们送上了无数精美的宇宙深空照片、更是促进了宇宙学的发展、为宇宙学添加了更多的观测证据。这些观测结果深刻地改变了人类对于宇宙的认识，也代表着人类对未知宇宙的强烈好奇心。即使有一天它真的离开了，我们也不会忘记这位曾经的＂英雄＂。