宇宙概说_宇宙起源
“‘很有趣，但是很简单’，他在回到长沙发上他所喜欢的那一角时说”。
引自《巴斯克维尔的猎犬》①
我们的宇宙是如何、为何、以及何时肇始的？它有多大？其形若何？又由何物构成？任何一个有好奇心的孩子都有可能会问这些问题；它们已使现代宇宙学家为作出回答而奋斗了好几十年。对于科普作家来说，宇宙学的一个诱人之处乃是其前沿领域中有那么多的问题都很容易表述。试看量子电子学、脱氧核糖核酸定序、神经生理学或者纯数学的前沿论题，你将会发现，要把专家们的问题翻译成大众化的日常语言那真是谈何容易。
直至 20 世纪早期，无论是哲学家还是天文学家都没有对下述想法提出过疑问：存在着一个固定的空间背景舞台，恒星、行星以及所有其他的天体都在这个舞台上表演它们的动作。虽然也可以看到一些变化，但是它们都被想象成相对于固定的空间而发生，犹如在桌面上滚动的台球一般。然而，在 20 世纪 20 年代，这种简单的图景发生了变化，造成这种变化的首先是一些物理学家，当时他们正在探究爱因斯坦对于引力的新解释会导致什么样的后果；然后则是美国著名天文学家爱德温·哈勃（Edwin Hubble）对遥远星系中星光颜色的新观测结果。
哈勃利用了波的某种简单性质，即如果波源离开接收者而远去，那么被接收到的波的频率就会降低。为了阐明这一点，可以将你的手指在一泓静水中上下颤动，并注视波峰远去而抵达水面上的另外某一点。现在，在你制造波的时候，将你的手指往远离刚才那个接收点的方向移动。这时，由于各个波峰被接收到的时候，彼此间要比产生它们时离得更远，所以它们被接收到的频率就降低了。现在，你再在制造波的时候将手指朝向接收点移动，波的频率就会增加。所有的波都具有这种性质。在声波的情况下，这种性质导致从你身旁驶过的火车的笛音变化；警车从你身旁经过时，报警器的音高变化也是出于同样的道理。光也是一种波；当光源离开观测者远去时，光波频率降低，这意味着观测到的可见光颜色稍稍变红。因此，这一效应被称为“红移”。当光源迎着观测者而来时，接收频率增高，可见光变得较蓝，这称为“蓝移”。
哈勃发现，他看见的来自星系的光呈现某种系统性的红移。将星系中特定原子发射的光的颜色与地球上实验室内同种原子发射的光进行比较，哈勃就可以确定光源正在以多快的速度退行。比较同一类型恒星（它们具有相同的固有亮度）的视亮度①，他又能推算出它们与我们之间的相对距离。哈勃发现，光源越远，它离我们而去的速度也越快。这种趋势称为“哈勃定津”。图 2·1 是利用现今的数据给出的哈勃定律的示意图。图 2·2 给出了一个实例，以表明与实验室中同类原子发射的光相比，来自遥远星系的光信号所呈
① 参见第一章章首引语译注。此处引文中“他”是指福尔摩斯，叙述者是福尔摩斯的挚友兼助手华生医生。“有趣”和“简单”指福尔摩斯刚从一位客人遗忘的手杖上发现了有助于推理的线索——译者
① “视亮度”（apparent brightness），天文学术语，意为表现亮度。固有亮度相同的天体，距离观测者越近的，视亮度就越大；距离观测者越远，视亮度就越小。因此，在一个天体的视亮度、固有亮度和距离三者之中，已知两个量即可求出第三个的数值——译者 现的光谱朝红端的移动。
哈勃发现的乃是宇宙的膨胀。取某种一成不变的背景——我们可以在这种背景上循踪行星与恒星在小范围内的“游荡”——而代之的是，哈勃发现遥远的恒星系统正在“逃离”我们而去：一切都处于某种动态的变化之中。这是 20 世纪最伟大的科学发现。这项发现证实了爱因斯坦的广义相对论对于宇宙所作的预言：宇宙不可能是静态的。众多的恒星和星系之间的引力作用将它们互相往一起拉，除非它们彼此分道扬镳、四散分离。在这两种情况下，宇宙都不可能静止不动。
如果宇宙正在膨胀，那么我们很快就能觉察到它正在发生变化；在某种意义上，它正在“变大”。倘若我们倒转历史的方向，即朝着回顾往昔的方向前进，那么我们就应该发现宇宙从某个更小、更密的状态——其尺度似曾一度为零——变化而来的证据。这种表观上的开端，已被人们称为“大爆炸”。不过，我们走得太快了一些。在我们开始钻研过去之前，关于宇宙现时的膨胀，还有一些重要的事情应该先弄清楚。
首先，究竟是什么正在膨胀？在电影《安妮·霍尔（AnnieHall）》中，伍迪·艾伦坐在其精神病医师的躺椅上，述说他对宇宙膨胀的焦虑：“毫无疑问，这意味着布鲁克林① 正在膨胀，我正在膨胀，你正在膨胀，我们全都在膨胀 ”。谢天谢地，他错了。我们并不在膨胀。布鲁克林并不在膨胀。地球并不在膨胀。太阳系也不在膨胀。事实上，银河系也不在膨胀。甚至我们称之为“星系团”的那些由成千上万个星系组成的集团也不膨胀。这些物质集合体都由化学力或引力束缚在一起，它们各个组成部分之间的这些力要比膨胀的力量更强大。只有当我们超出由成百上千个星系组成的巨大星系团的尺度时，我们才会看到这种压倒局部引力拉曳的膨胀。巨大的星系团是宇宙膨胀的标记。我们也许可以借助于一个正在胀大的气球表面上的尘粒，来简单想象一下这种膨胀的图景。这个气球将会越胀越大，那些尘埃将会互相远离，但每个尘粒本身却并不会以同样的方式膨胀。它们所起的作用有如橡皮拉伸程度的标记。与此相似，我们最好将宇宙的膨胀想象成星系团之间的空间在膨胀，如图 2·3 所示。
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