漫步科学:威尔逊山天文台的前世今生
2022年4月3日的洛杉矶阴云密布,不似通常阳光灿烂。那是一个星期天,平坦宽广的高速公路上也没有往常的交通堵塞。伴随着GPS导航的指点,车子在不知不觉中来到市郊的山脚下,几乎毫无思想准备地开始爬山。
登山所用的是加州2号公路,也叫做“天使波峰公路”1。这是一条中间无隔离带的双向单车道,顺着山势蜿蜒盘旋。在这个周末的日子,公路上来来往往的车辆很多,其中不乏形态各异的豪华跑车,间或还有摩托车。看得出来,它们不是奔向某个目的地,而是在享受着旅途的乐趣。偶尔,三两成群的跑车也会一连串地呼啸而过,将公路的限速和弯道置之度外。
公路两边不时会出现停车的空地,可以看到山中有很多供人消闲健身的徒步小径。开始时,路边人来人往在忙于拍摄山景。渐次爬高之后,山下的城市消失在云雾之中。观景点形同虚设,只是在为速度慢的车辆让道提供方便。
大约20英里(32千米)之后,车子离开2号公路转向右边的一条岔道,继续蜿蜒向上。岔路的尽头是威尔逊山的顶峰。在那个制高点上,洛杉矶市的全景本可以一览无余。但在这一天,所能见到的只是一望无际的洁白云海。我们已经在云层之上。
在这条公路上飙车、拍照的游人们也许并不一定都知道早在150多年前,洛杉矶的先民就已经在这条路、这座山上寻欢作乐流连忘返。那时当然没有平整的公路,没有强劲的跑车。他们或以自己的双腿,或借助骡子、马车,但以同样的激情攀登顶峰,领略大自然。
他们开拓的道路、建造的设施也为科学家和人类理解大自然增添不可多得的便利。就在那座山峰上坐落着青史留名的威尔逊山天文台。
威尔逊(Benjamin Wilson)不是科学家或探险家。他来自美国的东部,随同一个移民团伙在1841年来到洛杉矶。他的意图只是寻找机会到太平洋彼岸的中国去混世界讨生活。但他喜爱上这个西海岸的环境和机会,留了下来。那时的加利福尼亚还属于刚从西班牙殖民者手中赢得独立不久的墨西哥。威尔逊的运气不错,在这里娶得显赫家庭的千金,一跃而成牧场主。
几年后,美国军队在与墨西哥的战争中获胜。加利福尼亚脱离墨西哥,在1850年正式成为美国的一个州。那时,洛杉矶只是一个1600人口,四周遍布牧场和果园的小镇。威尔逊在这里得心应手。他位居市长,还有了新的葡萄园。为制造酿酒所需的木桶,他不惜成本雇人在庄园背后的大山上修栈道以伐木。这次投资却失败了。那漫山遍野的松木并不适合制作酒桶。
虽然没能收获经济效益,那条已经修达山顶的栈道却没有完全被废弃。当地人将之作为登山娱乐的捷径,也把那座山称作“威尔逊山”。这个名字也不是威尔逊在历史上留下的唯一痕迹。他还有一个后来在第二次世界大战中赫赫有名的外孙:巴顿(George S. Patton)将军。
新加入美利坚的加利福尼亚不仅有阳光海滩,还发现了金子。在美墨战争结束后的1849年,史无前例的淘金热带来汹涌的移民大潮。洛杉矶的人口在1880年时即超过一万,在1900年达到10万,1930年超过100万。
这样的大都市自然少不了有钱有闲阶层。他们在19世纪末带动起远足登山的时尚2。近在眼前又有现成栈道的威尔逊山首当其冲。那条狭窄的步道被逐步拓宽,可以通行骡马乃至骡车。山顶上出现了越来越高档的度假营地和旅馆,甚至修建其游泳池和动物园。游客们远离城市的喧嚣,在宛如仙境的巅峰白天俯瞰洛杉矶,夜晚仰望星空。冬天的山上还有南加州稀罕的积雪,令太太小姐们不亦乐乎。
1889年,哈佛天文台的台长皮克林(Edward Pickering)3也在那场热潮中走上威尔逊开辟的小径。当然他的目的不在休闲。
地处东北部闹市边缘的哈佛天文台那时饱受城市灯光污染之苦。皮克林正游历美国西部荒野,寻求更合适的天文观测地点。他发现威尔逊山得天独厚。
威尔逊山属于洛杉矶东部一条将海岸与内陆沙漠隔断的高耸山脉。从太平洋刮来的热风在这里遭遇第一道障碍而被迫在半山腰处停留,形成一个笼罩整个洛杉矶盆地的大盖子。洛杉矶市区被盖得严严实实,是这座城市在工业化后空气污染举世闻名的主要原因。但在海拔1740米的威尔逊山峰顶的大气也因此不受地面热空气的干扰,既清澈又平静,具备天文学家梦寐以求的绝佳“视宁度”(seeing)。就连洛杉矶市区的灯火也被这个盖子部分遮掩。
因为已有的旅游业,这座山峰上有现成的生活设施,还有久经考验的骡马运输队。皮克林在他们的协助下将天文望远镜运送上山,在一个邻近山头上建立临时观测点。
可惜,山上的天时地利没能克服山下的人不和。洛杉矶成立不久的南加州大学不愿意看到外来的老牌大学在自己门前趾高气扬。强龙不压地头蛇,皮克林在试运行一年半后就以山上有时会下雪、响尾蛇泛滥等不利因素为借口铩羽而归。
尽管如此,当地人依然对哈佛恋恋不舍,将皮克林选中的山头命名为“哈佛山”。一位富豪还许诺重金捐助,促使哈佛校长定制新的天文望远镜准备运往哈佛山东山再起。万事俱备之际,那位富豪却撒手人寰。因为他没有留下遗嘱,哈佛再度竹篮打水一场空。
除了一条登山的小路和后来架设的一些通讯天线,哈佛山至今空空如也。
哈佛已经打磨好的望远镜片后来被“废物利用”,成为芝加哥大学在威斯康星州新建的耶克斯天文台的主力武器。那个天文台是24岁海尔(George Ellery Hale)的处女作。
海尔出生于富豪之家,从小就喜欢缠着父亲为他购买越来越大的望远镜。慈祥的父亲从不拒绝,但每次也会要求海尔写出具体的资助提案。父亲是在有意识地培养儿子一个独特的能力:让有钱人拿出钱来支持自己的事业。
在父亲面前磨练多年的海尔大学毕业后就开始他四处“化缘”建造大型天文台的生涯。为芝加哥大学建造天文台的资金便来自他成功说服当地富豪耶克斯(Charles Yerkes)慷慨解囊。他还顺带说服一位名叫斯诺(Helen Snow)的千金捐献一座太阳望远镜,纪念她的富豪父亲。但那座望远镜却没有按计划装置在耶克斯天文台。海尔将它千里迢迢运到洛杉矶,由骡子驮上威尔逊山。那时,他也已经发现了这个天文观测的宝地。
威尔逊山天文台在1904年开始修建。“斯诺太阳望远镜”成为这个山顶上第一座永久性科学仪器,也是世界上第一座固定的太阳望远镜。在那之前,观测太阳的望远镜都属小巧型,便于满世界追踪日全食。毕竟与微弱的星光相比,太阳光极为强烈,不需要大动干戈。但海尔观测的不是太阳本身,而是太阳表面经常出现的“黑子”(sunspot)。斯诺太阳望远镜出自他亲手设计,却并不理想。他再接再厉,又在山上建造了两座更大的太阳望远镜。通过它们的测量,海尔发现太阳黑子伴随着强烈的磁场。那也是人类第一次证实电磁场在地球之外的存在。
海尔的父亲也没有停止支持已成年儿子的事业,早早捐献了一个1.5米(60英寸)口径的大型天文望远镜。为了将这个庞然大物运上威尔逊山,海尔又求助于世界首富卡内基(Andrew Carnegie),得到其基金会的大笔资助拓宽山中小径。
1908年12月8日,这座1.5米口径望远镜正式投入使用,威尔逊山天文台从此进入白天看太阳晚上看星星的夜以继日模式。夜晚的观测由海尔聘请的天文学家沙普利(Harlow Shapley)负责。他利用这座望远镜第一次观察到银河的边界和一个比想象更大得多的银河4。
还在这座望远镜成功之前,海尔已经在游说富豪胡克(John Hooker)出钱建造更大的望远镜。1917年,口径达2.5米(100英寸)的胡克望远镜在威尔逊山落成。1923年底,海尔新聘来的年轻人哈勃(Edwin Hubble)用它证实更多的星系在银河之外。人类的目光终于突破“家园”,第一次真正认识“宇宙”5。
随后,哈勃又与从小就在威尔逊山上旅馆中打小工、赶骡子,连高中学历都不具备的胡马森(Milton Humason)合作发现宇宙处于膨胀之中。他们一举摧毁爱因斯坦(Albert Einstein)有限无边、大小恒定不变的宇宙模型,颠覆人类的“世界观”6。
科学意义的威尔逊山天文台在1985年后不复存在。它的使命被世界各地更现代、观测条件更优越的天文台——包括海尔后来创建的帕洛玛山天文台7——取代。今天的威尔逊山天文台是一个以教育为中心的历史“古迹”,开放公众参观。那些历史性的望远镜依然在运行中,定期为中小学生提供实际的天文观测机会。
天文台开门期间,游客可以在各个望远镜馆室之间的山中小径中随意徜徉,也可以进入某些建筑近距离观看。但在1.5米口径和2.5口径胡克望远镜的馆中,平时的游客只能远距离隔着玻璃一睹其风采。要真正看到这两个历史性的望远镜,唯有参加天文台义务讲解员带队的游览活动。这个活动以及山上小卖部的收费均用于维护天文台的教育使命。美中不足的是这样的活动只在周末举行,机会有限。
胡克望远镜,或其它天文望远镜,对天文爱好者来说不会陌生。但虽然曾在照片中多次见面,也只有亲临现场才能真正体会其雄伟硕大。由此想象哈勃和胡马森,还有兹威基(Fritz Zwicky)、巴德(Walter Baade)等天文学家曾在这里操纵着它一步步地揭示宇宙奥秘,那又是另一种体验。
在这里,还可以看到他们曾经使用过的电话。胡克望远镜的外形一如当初8,电话却已经更新了好几代。
胡克望远镜单独坐落在一个小山包上,去那里需要经过一段长长的步行桥。当年,哈勃和胡马森几乎在每个夜晚、每个凌晨在这座“通往星星的桥”9上走过。1931年,爱因斯坦也曾在这里驻足,与彻底否定他宇宙模型的天文学家们合影。
遗憾的是,天文台开放参观的只是这些望远镜。当年天文学家就寝的宿舍、按地位高低依次就座进餐的餐厅、沙普利在烈日下研究蚂蚁的小道、哈勃和胡马森冲洗照相底片的暗室等等,虽然基本保存至今却不对外开放。山上的博物馆非常小,只有为数不多的展品。
其实,威尔逊山天文台也没有完全停止科学研究。个别的天文学家还在那里坚守岗位,每天在太阳望远镜下手绘太阳黑子的图样和磁场测量数据。他们没有资金支持,只是自己在持之以恒。
在那个山顶上还有乔治亚州立大学与另外几个学校合作的“高角分辨率天文中心”(Center for High Angular Resolution Astronomy)。他们用分布在不同地点的六个小型望远镜同步合作,模拟出330米口径的天文望远镜功能。或者说,他们将几乎整个山头转变为一个天文望远镜的镜头。这个新项目并不属于威尔逊山天文台,却为威尔逊山增添了人类有史以来——至少在象征意义上——口径最大的望远镜。
在那座山头上,我们行走在科学的“镜头”之中,漫步于历史和未来之间。
Angeles Crest Highway
当地史家称之为“大远足时代”(The Great Hiking Era)。
关于皮克林和他在哈佛天文台的故事,参阅《宇宙膨胀背后的故事(之六):在哈佛“后宫”中丈量宇宙》
详见《宇宙膨胀背后的故事(之七):二十世纪初的宇宙大辩论》。
详见《宇宙膨胀背后的故事(之八):哈勃打开的宇宙新视界》。
当然,其观测尤其成像系统也一直在更新换代。
Bridge to the Stars