哈勃发现宇宙不是静态的,而是发展着的东西。这个发现肯定是本世纪河外天文学中最重要的发现。能与宇宙普遍稳步膨胀的观点抗衡的天文学家不多。但是,最近J. F. Nicoll,D. Johnson,I. E. Segal与W. Segal关于中度靠近的星系之红移及其表观亮度之间关系的挑战性统计研究,威胁到这个简单而又意味深长的图景。
在普遍膨胀中,星系的后退速度(在经验上就是它的多普勒红移)应该与这个星系的距离成正比。Nicoll等人声称,他们可以否定这种关系,而他们的发现却暗示,对于中度接近(后退速度小于5000 km · s-1)的星系样本,红移与距离之间有二次方关系。这个发现与I. E. Segal的另一种世界模型——时计宇宙论——倒是相符的,而与爱因斯坦广义相对论的预测对不上号。最低限度,这些统计结果需要用未知的选择效应、精密有偏的样本,或者局部各向异性或不均匀性来解释;而且,如果没有具有说服力的解释,就可能暗示,通常的宇宙论对宇宙的描述是不适当的。
哈勃原来的数据表示在星系的速度(由红移推出)与距离(由表观亮度推出)之间有线性关系。这种关系的简单性有吸引力,因为在一个我们并不居于特殊地位而且没有特殊方向的宇宙之中,就是说,在宇宙论原理成立的宇宙中,可以表明这种均匀膨胀(或收缩)是唯一允许的大尺度运动。宇宙论原理在哲学方面与经验方面都证明为正确的。在哲学方面,在新哥白尼主义的意义上,我们没有理由突出而作为宇宙的特殊观察者。在经验方面,星系计数和宇宙背景辐射的各向同性表明宇宙在充分大的尺度上是均匀而各向同性的。天文学家们对膨胀假设的信念还有别的缘故:膨胀关系到一个特征时间(可以朴素设想为自宇宙在无限密度状态以来的时间)。这个时间与已知最古老的星体的年龄是可比的;而所预测的宇宙微波背景的发现确凿地表示宇宙是从较热的致密状态发展而来的。此外,哈勃膨胀有一个天然的理论框架,即爱因斯坦的广义相对论。而事实上,广义相对论在发现膨胀之前就提出了,而且在迄今所能做的有限的试验中得到了广泛的证实。
由于这些原因,除了有确定无疑的试验,天文学家们对于采纳别种描述宇宙的方法是无动于衷的。Segal的时计宇宙学就不同于膨胀理论的描述。它的特点是“受重力拖累的光”的理论;就是说,根据这个理论,所观测到的远方星云红移是由于光子在传播中的能量损耗而不是由于任何系统性的运动。在Segal的系统中,时计理论复制出宇宙的许多观测特征,例如宇宙的背景辐射;而推测的膨胀年代与星体年龄之间的巧合也不成问题,尽管任何年龄的星系都可能很多。天文学家们(实际上是所有的科学家们)都不太愿意采纳纯专用的理论。这种理论跟在基本发现后面,而不是预测这些发现,而且为了解释其后的观测结果再把理论加以精心修改。这种批评意见的矛头曾经指向现在声望大减的稳态宇宙论。然而Segal的时计宇宙论还是对中等红移(推断速度≤5000 km · s-1)系统作了有关红移行为与表现大小关系的关键性预测:观测到的关系应该是二次方的。
这种对近邻系统的统计研究受到各种重要选择效应的折磨。只有几百个最亮的星系才受到过全面的红移测定。在较暗的水平上,有特殊意义的星系(密集的或与亮星系关联的星团)可能另外提供一些数据。星系发光度函数是粗略的,红移经测定而表观很亮的星系可能是远处很亮的目标,而近处较暗的星系却不曾研究过,因而不希望用受限制的样本量。最重要的或许是:局部的动态渗入到所有的分析。对太阳绕银河中心的运动,单人星系的特有运动,与速度因星系团中相互作用的离差的校正与近处系统的哈勃膨胀速率相比,都比较大:我们所在的星系组(看来是属于密集的室女座星系团的)可能引入系统性误差;而且还可能有其他的各向异性。
对于简单哈勃定律的偏差,事实上过去已经注意到了。哈勃本人已觉察到他的数据中有某种程度的非线性,并下结论说原因在于膨胀因重力而减速。Vancouleurs对相似的结果用存在着本超星系团所引起的对哈勃定律的局部偏离来解释。在流动中另外的各向异性特点,所谓Rubin-Ford效应,也提出各种说明。从中应得到的教训是,对这类效应的纯天文学解释根本不是确定不移的,即使对普遍而潜在的膨胀的简化描述也不例外。
必须仔细确定不受精细选择效应影响的完全无偏样本使统计性试验消除上述的问题。这样做的困难可以由下面的事实反映出来。R-M,Soneira在仔细地以统计方法重新进行Segal的早期分析时,发现与膨胀假设没有不合,而且可以以高于99.999%的形式置信水平排除时计预测的正确性。但是Soneira的分析又受到E. segal以及Nicoll与W. Segal的批评,他们的结论相反而置信水平相仿。他们最近的文章代表迄今为止最详尽的统计分析,作者在文中下结论说:“……哈勃定律缺乏客观的统计基础。进一步的统计分析会肯定或否定各种解决方案,这样可能决定这个结论是否有效,并解决与我们对宇宙大尺度结构的理解有关的问题。多得多的观测数据与对局部各向异性效应的仔细描绘可能是必不可少的。如果发现了所预示的非线性的话,多数天文学家会设法用对哈勃流动的局部偏离来解释,而不是把目前公认的对宇宙的描述,连同其成功的预测与鼓舞人心的试验,一股脑儿一脚踢开。非哈勃理论的辩护士们的责任在于证明任何这类说明是绝对不充分的。”
[Nature,1981年2月26日]