如果在一個(gè)清澈無月的夜晚仰望星空，人們能看到的最亮的星體最可能是金星、火星、木星和土星這幾顆行星，還有巨大數(shù)目的正像我們太陽但離開我們遠(yuǎn)得多的恒星。事實(shí)上，隨著地球圍繞著太陽公轉(zhuǎn)，某些固定的恒星相互之間的位置看起來確實(shí)起了非常微小的變化——它們不是完全固定不動(dòng)的！這是因?yàn)樗鼈兙嚯x我們較近一些。
當(dāng)?shù)厍驀@著太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，相對于更遠(yuǎn)處的恒星背景，我們從不同的位置觀測它們。這是幸運(yùn)的，因?yàn)樗刮覀兡苤苯訙y量這些恒星離開我們的距離，它們離我們越近，就顯得移動(dòng)得越多。最近的恒星叫做比鄰星，它離我們大約4光年那么遠(yuǎn)（從它發(fā)出的光大約花費(fèi)4年才能到達(dá)地球），也就是大約23萬億英里的距離。其他大部分肉眼可見的恒星離開我們的距離均在幾百光年之內(nèi)。與之相比，太陽僅僅在8光分那么遠(yuǎn)！可見的恒星散布在整個(gè)夜空，但是特別集中在一條稱為銀河的帶上。遠(yuǎn)在公元1750年，有些天文學(xué)家就提出，如果大部分可見的恒星處在一個(gè)單獨(dú)的碟狀的結(jié)構(gòu)中，則銀河的外觀可以得到解釋。這個(gè)結(jié)構(gòu)便是今天我們稱為螺旋星系的一個(gè)例子。之后不過幾十年，天文學(xué)家威廉·赫歇爾爵士通過對大量恒星的位置和距離進(jìn)行過細(xì)的編目分類，就證實(shí)了這個(gè)觀念。即便如此，這個(gè)思想在本世紀(jì)初才完全被人們接受。
1924年，我們現(xiàn)代的宇宙圖象才被奠定。那一年，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃證明了，我們的星系不是惟一的星系。事實(shí)上，還存在其他許多星系，在它們之間是巨大的空虛的太空。為了證明這些，他必須確定這些星系的距離。這些星系是如此之遙遠(yuǎn)，不像鄰近的恒星那樣，它們確實(shí)顯得是固定不動(dòng)的。所以哈勃被迫用間接的手段去測量這些距離。由于恒星的視亮度取決于兩個(gè)因素：它輻射出來多少光（它的光度）以及它離我們多遠(yuǎn)。對于近處的恒星，我們可以測量其視亮度和距離，這樣我們可以算出它的光度。相反，如果我們知道其他星系中恒星的光度，我們可用測量它們的視亮度來算出它們的距離。哈勃注意到，當(dāng)某些類型的恒星近到足以被我們測量時(shí)，它們有相同的光度；所以他提出，如果我們在其他星系找出這樣的恒星，我們可以假定它們有同樣的光度——這樣就可計(jì)算出那個(gè)星系的距離。如果我們能對同一星系中的許多恒星這樣做，并且計(jì)算結(jié)果總是給出相同的距離，則我們就會(huì)相當(dāng)?shù)匦刨囎约旱墓烙?jì)。
埃德溫·哈勃用上述方法算出了9個(gè)不同星系的距離。現(xiàn)在我們知道，我們的星系只是用現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡可以看到的幾千億個(gè)星系中的一個(gè)，每個(gè)星系本身都包含有幾千億顆恒星。從生活在其他星系中的人來看我們的星系，想必也類似這個(gè)樣子。我們生活在一個(gè)寬約為10萬光年并慢慢旋轉(zhuǎn)著的星系中；在它的螺旋臂上的恒星圍繞著它的中心公轉(zhuǎn)一圈大約花費(fèi)幾億年。我們的太陽只不過是一顆平常的、平均大小的、黃色的恒星，它位于一個(gè)螺旋臂的內(nèi)邊緣附近。我們離開亞里士多德和托勒密的觀念肯定相當(dāng)遠(yuǎn)了，那時(shí)人們認(rèn)為地球是宇宙的中心！
恒星離開我們是如此之遙遠(yuǎn)，使我們只能看到極小的光點(diǎn)，而看不到它們的大小和形狀。這樣怎么能區(qū)分不同的恒星種類呢？對于絕大多數(shù)的恒星而言，只有一個(gè)特征可供觀測——光的顏色。牛頓發(fā)現(xiàn)，如果太陽光通過一個(gè)稱為棱鏡的三角形狀的玻璃塊，就會(huì)被分解成像在彩虹中一樣的分顏色（它的光譜）。將一臺望遠(yuǎn)鏡聚焦在一個(gè)單獨(dú)的恒星或星系上，人們就可類似地觀察到從這恒星或星系來的光譜。不同的恒星具有不同的光譜，但是不同顏色的相對亮度總是和人們期望從一個(gè)紅熱的物體發(fā)出的光的光譜完全一致。（實(shí)際上，從任何不透明的灼熱的物體發(fā)出的光，有一個(gè)只依賴于它的溫度的特征光譜——熱譜。
這意味著可以從恒星的光譜得知它的溫度。）此外，我們發(fā)現(xiàn)，某些非常特定的顏色在恒星光譜里丟失，這些失去的顏色可依不同的恒星而異。由于我們知道，每一化學(xué)元素吸收非常獨(dú)特的顏色族系，將它們和恒星光譜中失去的顏色相比較，我們就可以準(zhǔn)確地確定恒星大氣中存在哪種元素。
在20年代，當(dāng)天文學(xué)家開始觀察其他星系中的恒星光譜時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了某些最奇異的現(xiàn)象：它們和我們的銀河系一樣具有吸收的特征線族，只是所有這些線族都向光譜的紅端移動(dòng)了同樣的相對量。為了理解其含意，我們必須首先理解多普勒效應(yīng)。正如我們已經(jīng)看到的，可見光由電磁場的起伏或波動(dòng)構(gòu)成。光的波長（或者相鄰波峰之間的距離）極其微小，約為0.0000004至0.0000008米。光的不同波長正是人眼看成不同顏色的東西，最長的波長出現(xiàn)在光譜的紅端，而最短的波長在光譜的藍(lán)端?，F(xiàn)在想像在離開我們固定的距離處有一個(gè)光源——例如一顆恒星——以固定的波長發(fā)出光波。顯然，我們接收到的波長和發(fā)射時(shí)的波長一樣（星系的引力場沒有強(qiáng)到足以對它產(chǎn)生明顯的效應(yīng)）。現(xiàn)在假定這恒星光源開始向我們運(yùn)動(dòng)。當(dāng)光源發(fā)出第二個(gè)波峰時(shí)，它離開我們較近一些，這樣兩個(gè)波峰之間的距離比恒星靜止時(shí)較小。這意味著，我們接收到的波的波長比恒星靜止時(shí)較短。相應(yīng)地，如果光源離開我們運(yùn)動(dòng)，我們接收的波的波長將較長。這意味著，當(dāng)恒星離開我們而去時(shí)，它們的光譜向紅端移動(dòng)（紅移），而當(dāng)恒星趨近我們而來時(shí)，光譜則被藍(lán)移。這個(gè)稱作多普勒效應(yīng)的頻率和速度的關(guān)系是我們?nèi)粘Ｊ煜さ摹＠缏犚惠v小汽車在路上駛過：當(dāng)它趨近時(shí)，它的發(fā)動(dòng)機(jī)的音調(diào)變高（對應(yīng)于聲波的短波長和高頻率）；當(dāng)它經(jīng)過我們身邊而離開時(shí)，它的音調(diào)變低。光波或射電波的行為與之類似。
警察就是利用多普勒效應(yīng)的原理，靠測量射電波脈沖從車上反射回來的波長來測定車速。
在哈勃證明了其他星系存在之后的幾年里，他花時(shí)間為它們的距離編目以及觀察它們的光譜。那時(shí)候大部分人都以為，這些星系完全隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，所以預(yù)料會(huì)發(fā)現(xiàn)和紅移光譜一樣多的藍(lán)移光譜。因此，當(dāng)他發(fā)現(xiàn)大部分星系是紅移的：幾乎所有都遠(yuǎn)離我們而去時(shí)，確實(shí)令人十分驚異！
1929年哈勃發(fā)表的結(jié)果更令人驚異：甚至星系紅移的大小也不是隨機(jī)的，而是和星系離開我們的距離成正比。或換句話講，星系越遠(yuǎn)，它離開我們運(yùn)動(dòng)得越快！這表明宇宙不能像人們原先所想像的那樣處于靜態(tài)，而實(shí)際上是在膨脹；不同星系之間的距離一直在增加著。
宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)最偉大的智力革命之一。
事后想起來，何以過去從來沒有人想到這一點(diǎn)？！牛頓或其他人早就應(yīng)該意識到，靜態(tài)的宇宙在引力的影響下會(huì)很快開始收縮。然而現(xiàn)在假定宇宙正在膨脹，如果它膨脹得相當(dāng)慢，引力就會(huì)使之最終停止膨脹，然后開始收縮。但是，如果它以比某一臨界率更大的速度膨脹，引力則永遠(yuǎn)不足夠強(qiáng)到使它停止膨脹，宇宙就永遠(yuǎn)繼續(xù)膨脹下去。這有點(diǎn)像當(dāng)一個(gè)人在地球表面引燃火箭上天時(shí)發(fā)生的情形，如果火箭的速度相當(dāng)小，引力將最終使火箭停止并折回地面；另一方面，如果火箭具有比某一臨界值（大約每秒7英里）更大的速度，引力的強(qiáng)度就不足以將其拉回，這樣它將繼續(xù)永遠(yuǎn)飛離地球。19世紀(jì)、18世紀(jì)甚至17世紀(jì)晚期的任何時(shí)候，人們都可以從牛頓的引力論預(yù)言出宇宙的這個(gè)行為。然而，靜態(tài)宇宙的信念是如此之強(qiáng)，以至于一直維持到了20世紀(jì)的早期。甚至愛因斯坦于1915年發(fā)表其廣義相對論時(shí)，還是這么肯定宇宙必須是靜態(tài)的，以至于他在其方程中引進(jìn)一個(gè)所謂的宇宙常數(shù)來修正自己的理論，使靜態(tài)的宇宙成為可能。愛因斯坦引入一個(gè)新的“反引力”，這力不像其他力那樣，不由任何特別的源引起，而恰恰是時(shí)空結(jié)構(gòu)固有的。他宣稱，時(shí)空有一內(nèi)在的膨脹的趨向，這可以用來剛好去平衡宇宙間所有物質(zhì)的相互吸引，由此導(dǎo)致一個(gè)靜態(tài)的宇宙。當(dāng)愛因斯坦和其他物理學(xué)家正在想方設(shè)法避免廣義相對論的非靜態(tài)宇宙的預(yù)言時(shí)，看來只有一個(gè)人，即俄國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家亞歷山大·弗里德曼愿意只用廣義相對論著手解釋它。
弗里德曼對于宇宙作了兩個(gè)非常簡單的假定：我們不論往哪個(gè)方向看，也不論在任何地方進(jìn)行觀察，宇宙看起來都是一樣的。弗里德曼指出，僅僅從這兩個(gè)觀念出發(fā)，我們就應(yīng)該預(yù)料宇宙不是靜態(tài)的。事實(shí)上，弗里德曼在1922年所做的預(yù)言，正是幾年之后埃德溫·哈勃觀察到的結(jié)果。
很清楚，關(guān)于宇宙在任何方向上都顯得一樣的假設(shè)，實(shí)際上是不對的。例如，正如我們看到的，我們星系中的其他恒星形成了橫貫夜空的叫做銀河系的光帶。但是如果看得更遠(yuǎn)，星系數(shù)目則或多或少顯得是相同的。所以假定我們在比星系間距離更大的尺度下來觀察，而不管在小尺度下的差異，則宇宙確實(shí)在所有的方向看起來是大致一樣的。在很長的時(shí)間里，這為弗里德曼的假設(shè)——作為實(shí)際宇宙的粗糙近似提供了充分的理由。但是，近世出現(xiàn)的一樁幸運(yùn)事件揭示了以下事實(shí)，弗里德曼假設(shè)實(shí)際上異常準(zhǔn)確地描述了我們的宇宙。
1965年，美國新澤西州貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的兩位美國物理學(xué)家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜正在檢測一個(gè)非常靈敏的微波探測器。（微波正如光波，但是它的波長大約為1厘米。）他們的探測器收到了比預(yù)想的還要大的噪聲。彭齊亞斯和威爾遜為此而憂慮，這噪聲不像是從任何特別的方向來的。首先他們在探測器上發(fā)現(xiàn)了鳥糞并檢查了其他可能的故障，但很快就排除了這些可能性。他們知道，當(dāng)探測器傾斜地指向天空時(shí)，從大氣層里來的任何噪聲都應(yīng)該比原先垂直指向時(shí)更強(qiáng)，因?yàn)閺慕咏仄骄€方向接收比起直接從頭頂方向接收，光線要穿過多得多的大氣。然而，不管探測器朝什么方向，這額外的噪聲都是一樣的，所以它一定是從大氣層以外來的。并且，它在白天、夜晚、整年都是一樣，盡管地球圍繞著自己的軸自轉(zhuǎn)或圍繞太陽公轉(zhuǎn)。這表明，這輻射必須來自太陽系以外，甚至星系之外，否則，當(dāng)?shù)厍虻倪\(yùn)動(dòng)使探測器指向不同方向時(shí)，噪聲就會(huì)變化。
事實(shí)上，我們知道這輻射必須穿過我們可觀察到的宇宙的大部分才行進(jìn)至此，并且由于它在不同方向上都一樣，如果只在大尺度下，這宇宙也必須是各向同性的?，F(xiàn)在我們知道，不管我們朝什么方向看，這噪聲的變化總是非常微?。哼@樣，彭齊亞斯和威爾遜無意中非常精確地證實(shí)了弗里德曼的第一個(gè)假設(shè)。然而，由于宇宙并非在每一個(gè)方向上，而是在大尺度的平均上完全相同，所以微波也不可能在每一個(gè)方向上完全相同。在不同的方向之間必須有一些小變化。1992年宇宙背景探險(xiǎn)者，或稱為COBE，首次把它們檢測到，其幅度大約為十萬分之一。盡管這些變化很小，但是正如我們將在第八章解釋的，它們非常重要。
大約與彭齊亞斯和威爾遜在研究探測器中的噪聲的同時(shí)，在附近的普林斯頓大學(xué)的兩位美國物理學(xué)家，羅伯特·狄克和詹姆斯·皮帕爾斯也對微波感興趣。他們正在研究喬治·伽莫夫（曾為亞歷山大·弗里德曼的學(xué)生）的一個(gè)見解：早期的宇宙一定是非常密集的白熱的。狄克和皮帕爾斯認(rèn)為，我們應(yīng)該仍然能看到早期宇宙的白熱，這是因?yàn)閺乃姆浅＿h(yuǎn)的部分來的光，剛好現(xiàn)在才到達(dá)我們這里。然而，宇宙的膨脹把光紅移得如此厲害，現(xiàn)在只能作為微波輻射被我們觀察到。正當(dāng)?shù)铱撕推づ翣査箿?zhǔn)備尋找這輻射時(shí)，彭齊亞斯和威爾遜聽到了他們的工作，并且意識到，他們自己已經(jīng)找到了它。為此，彭齊亞斯和威爾遜被授予1978年的諾貝爾獎(jiǎng)（狄克和皮帕爾斯看來有點(diǎn)難過，更別提伽莫夫了）。
現(xiàn)在初看起來，關(guān)于宇宙在任何方向看起來都一樣的所有證據(jù)似乎暗示，我們在宇宙中的位置有點(diǎn)特殊。特別是，如果我們看到所有其他的星系都遠(yuǎn)離我們而去，那似乎我們必須在宇宙的中心。然而，還存在另外的解釋：從任何其他星系上看宇宙，在任何方向上也都一樣。正如我們已經(jīng)看到的，這是弗里德曼的第二個(gè)假設(shè)。我們沒有任何科學(xué)的證據(jù)去相信或反駁這個(gè)假設(shè)。我們之所以相信它只是基于謙虛：因?yàn)槿绻钪嬷辉趪@我們的所有方向顯得相同，而在圍繞宇宙的其他點(diǎn)卻并非如此，則是非常令人驚奇的！在弗里德曼模型中，所有的星系都相互直接離開。這種情形很像一個(gè)畫上好多斑點(diǎn)的氣球被逐漸吹脹。
當(dāng)氣球膨脹時(shí)，任何兩個(gè)斑點(diǎn)之間的距離加大，但是沒有一個(gè)斑點(diǎn)可認(rèn)為是膨脹的中心。此外，斑點(diǎn)相離得越遠(yuǎn)，則它們相互離開得越快。類似地，在弗里德曼的模型中，任何兩個(gè)星系相互離開的速度和它們之間的距離成正比。
所以人們預(yù)言，星系的紅移應(yīng)與離開我們的距離成正比，這正是哈勃發(fā)現(xiàn)的。盡管他的模型取得了成功并預(yù)言了哈勃的觀測，但是直到1935年，為了響應(yīng)哈勃的宇宙均勻膨脹的發(fā)現(xiàn)，美國物理學(xué)家霍瓦德·羅伯遜和英國數(shù)學(xué)家阿瑟·瓦爾克發(fā)現(xiàn)了類似的模型后，弗里德曼的工作才在西方被普遍知道。