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这是央视《探索.发现》栏目 宇宙大爆炸的最后一集：宇宙的模样

狄基没有能够与彭齐亚斯和威尔逊一起获得诺贝尔奖，这让很多人感到遗憾，但他却并没有停留。对于狄基来说，微波背景辐射的发现，并不意味着宇宙大爆炸理论就没有问题了。1978年11月13日，狄基教授到康奈尔大学做关于宇宙学的学术报告，他提出了一个关于宇宙学的问题，这个问题跟宇宙空间的几何形状有关：

根据广义相对论，充满物质的四维时空（长，宽，高，时间）是弯曲的，但其中三维空间的几何形状，则有几种不同的可能性。爱因斯坦曾认为宇宙空间是球型的，弗里德曼则提出过双曲型的宇宙，介于两者之间的是平直空间。我们生活的宇宙究竟是哪一种几何形状呢？

根据爱因斯坦的广义相对论方程，定义出了临界密度的概念。如果宇宙空间中物质的平均密度等于临界密度，那么宇宙空间就是我们所熟悉的平直空间，如果大于临界密度，宇宙空间就是封闭的球形，如果小于临界密度，宇宙空间就应该是开放的双曲形。临界密度的数值是非常小的，它就相当于一个立方米里只有一个最轻的原子，比如说是质子或氢原子的这样一个密度。
而当时人们还不能精确测量宇宙的密度，但是知道它与临界密度属于同一个数量级，也就是说相差不会超过几倍。狄基认为，这里有个奇怪之处，这意味着在大爆炸后的一秒钟，宇宙物质密度与临界密度相差不超过一百万亿分之一，否则今天的宇宙密度就会远远偏离临界密度。

这个奇怪的现象怎样解释呢？狄基提出了问题，但他自己也无法回答。这个问题像一颗种子，在当时的听众一位在粒子物理学研究组做博士后 阿伦·古思心里，埋下了一颗种子。

在听了狄基的报告后不久，古思开始和华裔物理学家戴自海合作，研究宇宙大爆炸中磁单极产生的问题。（注：磁单极子是理论物理学弦理论中指一些仅带有北极或南极单一磁极的磁性物质，它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分布）

1979年，古思等人在研究中发现，在宇宙大爆炸中有可能产生非常多的磁单极，并且会一直存留到现在。但是，尽管人们曾用实验去寻找，却一直没有找到。古思提出，解释这种结果的一种办法是：磁单极产生后，宇宙发生了一次极迅速的指数式膨胀。已经产生的磁单极个数不变，而宇宙空间的体积在指数膨胀中却迅速增大，于是磁单极变得很稀少，不会再与实验结果相冲突。 古思为这种发生在宇宙早期的指数膨胀起了个名字，叫做”暴胀“。

这时古思回忆起一年前狄基的报告，他意识到，为了解决磁单极问题而提出的暴胀理论，其实也可以解决狄基的宇宙几何问题：如此剧烈的膨胀会把原来弯曲的空间拉直，这就好像我们用力拉一块褶皱的橡皮膜可以把它拉平一样。因此，如果在宇宙的极早期发生过一次暴胀，那么我们可观测的这部分宇宙几何就非常接近平直空间了。

暴胀理论不仅解释了为什么可观测的宇宙基本上是均匀了，而且还说明了为什么在这个均匀中还有些小的不均匀性。

原来，我们今天看到的尺度达几百万光年的空间，在暴胀发生以前都曾经挤在比原子核还要小的空间里。在这样小的空间里，量子力学的测不准效应非常明显。由于测不准效应在宇宙暴胀前很明显才产生了现在一些不均匀性。

尽管暴胀理论可以解释一些理论上的重大疑难，但它究竟是否正确，还需要用观测加以检验。按照暴胀理论，我们可观测的这部分宇宙的几何非常接近平直，所以物质的密度应该等于临界密度，这是否符合我们的观测呢？

我们用望远镜能直接看到星系中恒星发出的光，根据这些星光我们可以推断宇宙中恒星贡献的物质密度。这个密度只有临界密度的百分之一左右。当然，我们知道恒星之间以及星系之间都分布着一些气体。但即使把这些星际物质或是气体与尘埃贡献的密度加添进来，把所有这些加在一起，总密度也不超过临界密度的百分之五。

当古思提出他的暴胀理论的时候，科学家们早已发现，宇宙中还存在着一种神秘的不发光的物质，即：暗物质。

1934年，加州理工学院的第一位从事天体物理研究的学者瑞士籍的弗里兹·兹威基教授，研究了星系团内星系的运动，首次提出了暗物质存在的可能性：
星系团中有成百上千的星系被星系团自身的引力束缚着，它们的运动速度与引力必须达成平衡，引力越强，运动速度越快。兹威基发现，星系团内的星系远远不够产生这么大的引力。一定还存在着其他我们看不见的物质，兹威基把它称之为暗物质。暗物质存在的直观证据是引力透镜现象。当遥远星系发出的光经过一个星系团附近的时候，光线会被星系团的引力所偏折，星系团就好像是一个透镜。当我们朝这个方向望去，就会看到光弧、甚至同一个星系的几个不同的像。

虽然没有人直接探测到暗物质，也不知道暗物质是什么，但是通过引力人们可以测出它的总量。测量的结果是：普通物质加上暗物质，总量只占临界密度的百分之二十到三十，并不像暴胀理论预言的那样达到临界密度。

问题出在哪儿了？是观测结果有徧差，还是在现有理论里遗漏了什么？

这时还面临着别的矛盾，其中一个就是宇宙的年龄问题。按照大爆炸理论，宇宙的年龄首先取决于哈勃常数，也与宇宙的密度有关。所谓”哈勃常数”，是指按照”多普勒原理”，用光谱位移，表示宇宙中星系退行速度与距离成正比关系的比例常数。
按照恒星演化理论，最古老球状星团的年龄可达120亿年。那么宇宙的年龄呢？

1990年，美国太空总署的航天飞机把一台望远镜送上了太空，并命名为哈勃望远镜。哈勃望远镜拍出了许多美丽的星空图景，一下子拉近了我们和这些星系的距离。

上个世纪90年代初，由劳伦斯·伯克利实验室的索尔·珀尔米特领导的超新星宇宙学研究组，开始在茫茫太空中，寻找远处的超新星。不久，由霍普金斯大学的亚当·瑞斯等人组成的，高红移超新星研究组，也加入了竞争的行列。他们对选定天区进行曝光，然后再仔细比较和上次图像的异同。一旦发现超新星，就拍下它们的光谱。这两个小组的天文学家吃惊地发现，遥远超新星的亮度比预期的暗。这意味着这些超新星的距离比预期的要远。按照过去的理论，由于引力的作用，宇宙的膨胀速度会越来越低，这样，无论如何也不可能达到如此远的距离。要想解释观测结果，唯一的可能是宇宙膨胀速度越来越快。普通的物质，甚至暗物质都只产生引力使宇宙的膨胀减速，但有一些非常特别的物质能产生斥力，使宇宙的膨胀加速，这个物质是什么呢？？
不知道，但我们先叫它暗能量。

当年爱因斯坦引入的宇宙学常数就是一种暗能量。但是并没有一种物理理论能够解释为什么会有宇宙学常数，或者宇宙学常数应该是我们观测到的这么大。迄今为止，天文学家也不敢肯定，暗能量就是宇宙学常数。有许多关于暗能量的假说，但是都不能很好的解释它的性质。暗能量的发现，如此出乎人们的预料，1998年，它被评为当年度的世界十大科学发现之首。

尽管人们不了解暗能量是什么，但是由于它的存在，宇宙的膨胀并没有减速而是在加速，因此宇宙的年龄比原来根据减速的假定估计出的数值要长。人们又开始对暴胀理论预言的平直宇宙充满信心，也许宇宙的总密度确实等于临界密度，其中30％是物质，而余下的70％则由暗能量提供。

1998年12月29日，一批来自美国、意大利等国家的科学家，在南极放飞了一个高灵敏度的氦气球,气球升入35公里的高空，在大气环流的作用下，围绕南极点飞行了11天后，在离放飞点不足50公里的地方成功降落，气球上携带着最新研制的微波背景辐射探测装置，科学家们对这次飞行观测收集的数据进行了近两年的分析，观测的结果表明，宇宙的几何正如暴胀理论预言的那样，完全是平直的。

2001年6月30日，美国航空航天局的MAP卫星发射升空。卫星被送到距离地球一百多万公里的拉格朗日点上，在这里，太阳、地球、卫星始终在一条线上。卫星背向太阳和地球缓缓扫描着天空，收集着来自宇宙深处的数据。2002年9月，威尔金森因病不幸去世，未能亲眼看到卫星数据的发表。美国航空航天局将卫星改名为WMAP，以纪念威尔金森的贡献。

2003年，WMAP第一年观测的数据发表了，观测结果的精度大大提高，与气球的实验结果也非常一致。我们终于知道，宇宙空间是平直的，暴胀理论得到了初步的证实。同时，宇宙的年龄和大尺度结构问题在这个理论框架内也得到了完满的解决。《科学》杂志把这评价为2003年度最重大的科学进展。

我们终于了解到，宇宙是在大约140亿年前由一次大爆炸所产生，宇宙中30%是物质，70%是我们还不知道究竟是什么的暗能量所构成，而在宇宙中由闪烁星星所组成的明亮星系它们的分布并不均匀，此外的我们还知道宇宙的究竟是平直，它还在加膨胀… …

1946年的时候，移居美国的前苏联科学家乔治·伽莫夫，在勒梅特”原始原子”的基础上另辟蹊径，提出，宇宙中的氦，主要是在大爆炸后不久的高温条件下合成的理论。这个观点，给了大爆炸理论有力的支持。

在霍依尔提出”如果大爆炸真的发生过，请问爆炸所遗留下来的痕迹在哪里”的质疑以后，伽莫夫和他的学生就在研究这个问题。伽莫夫和他的学生们坚信，高热爆炸产生的辐射，即使是在100多亿年后的今天，也不会完全消失。伽莫夫依据什么，得出这样的结论呢？

如果我们烧一堆篝火，或者我们进行一次爆炸，这个当中会产一些光，这个光子呢就会向各个方向飞去，以后我们就再也没有机会看到这些光子。但是假如宇宙深处的外星人，他们正好朝这个方向看，他们是有机会能够看到这些光的。由于宇宙大爆炸是处处都在进行，所以我们朝任何一个方向看去，都应该能看到大爆炸产生的这个光；但由于宇宙的膨胀，这些光的能量降低了，波长也变长了，现在处于微波波段，温度是这个绝对温度的几K，但是我们用仪器应该是能探测到。

正是由于知道了这一点，伽莫夫才对找到大爆炸遗留的辐射充满信心。在铁幕的另一边，前苏联核武器设计的负责人泽尔多维奇和他领导的科研小组，在完成氢弹的设计研究工作后，也开始研究宇宙大爆炸理论，他们也注意到，大爆炸过后会有余光残留下来。
由于长期从事国防研究，他们一直关注着美国在电子技术方面的最新进展。不久以后，美国贝尔实验室建立了一座用于卫星通信试验的，高灵敏度微波天线。苏联人注意到，这座天线的灵敏度应该足以探测到大爆炸的遗迹。然而阅读美国人关于这座天线的实验论文，似乎并没有提及这样的热辐射，这使苏联人一度认为，宇宙大爆炸理论也许并不成立。

实际上，贝尔实验室对这座天线性能的测试并不彻底，对卫星通信来说这也不是必要的。卫星通信实验结束以后，贝尔实验室的两位科学家 阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊希望用它做一些射电天文研究，在正式开始研究以前，他们决定先进行严格的测试和校准，但在测试和校准的过程中发现老有一种多余的噪声。他们把天线对向纽约，结果没发现任何特别的状况，这意味着纽约并没有发出那种频率的噪声。不管把天线对着哪个方向，烦人的噪声总是挥之不去，即使把天线指向太空，噪声依然存在。

他们在检查以后发现，天线里面住了一对鸽子。在他们接管这里之前，天线闲置了很长时间。鸽子住在里面，弄得到处都是鸽粪，威尔逊和彭齐亚斯觉得，这下总算找到根源了。鸽子事件以后，奇怪的无线电噪声仍然不断，威尔逊和彭齐亚斯用了一年的时间，彻底检查他们的天线。到第二年，他们快要绝望的时候，彭齐亚斯偶然和同行伯克聊起此事，伯克说：他的一位朋友，曾听过普林斯顿大学一位叫皮伯斯的学者作过的一个报告，谈到他们也在进行类似的工作。伯克告诉彭齐亚斯，他们发现的奇怪噪声，可能正是普林斯顿大学狄基小组正在寻找的东西。于是彭齐亚斯赶紧给狄基打去电话。

普林斯顿大学的狄基教授，是一位很有思想的科学家，他认为宇宙既不像霍伊尔他们认为的是一个永恒不变的处在稳恒态的宇宙，也不像勒梅特和伽莫夫他们所认为的是由惟一的一次大爆炸而产生的，他认为宇宙是处在一种膨胀收缩再膨胀的过程中，同时他也认为当宇宙收缩到一个很小的体积的时候，根据热力学原理，这时它的温度肯定是非常高的，而且当宇宙膨胀到今天的这种程度的时候，肯定还有某种留存下来的温度存在，于是他就想来测量这个剩余的热量。

狄基教授在第二次世界大战时，曾从事雷达研究，并发明了计量微波辐射的仪器。这个仪器正好在此次实验当中用上。他让助手之一的皮伯斯从事理论计算，而另一位助手威尔金森则设计实验仪器。他们将天线安装到了普林斯顿大学的屋顶上。就在他们自信把探测仪器调试得完美无缺的时候，接到了罗伯特·威尔逊的电话。

当时去接电话的是狄基教授，他就意识到贝尔实验室有可能得到了类似的结果；狄基教授在放下电话以后，很失望的说了一句：哎呀，我们被别人抢先了。狄基教授和他的同事们，立刻带上自己的资料来到贝尔实验室，他们要亲身体会这个无线电波的噪声。当罗伯特·威尔逊和彭齐亚斯看到狄基教授带去的仪器和记录时，他们终于明白，那个推论中的宇宙大爆炸的痕迹，被他们无意中发现了。

”宇宙微波背景辐射”也就是大爆炸痕迹的发现，以确凿的证据证明了，宇宙的确曾经处于与今天完全不同的高温高密状态，这是继哈勃发现宇宙膨胀之后，宇宙学研究上的又一个重大突破。

认为宇宙起源于原始原子，并以此说服爱因斯坦的勒梅特，在他临终前几天听到了这个消息，他的宇宙创生于”没有昨天的那一天”的猜想，终于被科学所证明。而建立了完整的大爆炸理论，并对遗迹辐射温度做出科学预言的伽莫夫，则以他特有的幽默来回应人们的祝贺：”我也许确实丢过一分钱。但当有人在街上捡到一分钱时，我也不能说那一定就是我丢的。”这位谦逊的物理学家于1968年去世，而彭齐亚斯和威尔逊，也因为自己的发现，在13年后的1978年，获得了诺贝尔物理学奖。

宇宙微波背景辐射被发现的时候，斯蒂芬·霍金正在剑桥攻读博士学位，很可能是这件事情促成了他选择大爆炸和爱因斯坦的相对论作为博士论文的研究主题。

博士论文必须要包含大量的原创知识，这是一个很大的负担。因为你必须要在3年的时间内，作出这样一篇论文，里面一定得要有成果，霍金当时还没找到合适的论文题目，在剩下不到一年的时候，斯蒂芬·霍金受牛津大学数学教授罗杰·彭洛斯的启发，决定从爱因斯坦的相对论入手，看看它对宇宙还能预示些什么。霍金的导师希尔玛是彭洛斯的好朋友，希尔玛就决定到牛津去，听听彭洛斯的意见。

彭洛斯正在研究爱因斯坦方程可能导致的另一种结果，即由于引力的驱使，大量的物质，坠入一个密度极大的区域中，以致光都无法从中发出来，这个区域就是”黑洞”。黑洞中存在着一个密度无限大的点，在这里，一切已知的物理学定律，都要失效，这就是所谓时空的”奇点”。比如大质量的恒星，在它的演化过程中必然要发生坍塌，坍塌到一个奇点上。霍金就从彭洛斯教授的数学方面的研究结果得到启发，他想如果这个坍塌过程反过来，实际上就是一个大爆炸的过程，由于就形成了霍金从数学角度来研究爱因斯坦方程所得到的结果，并且非常有力的支持了大爆炸理论。

1970年，霍金和彭洛斯在论文中证明，如果广义相对论和经典物理学是正确的，那么，时空中一定存在着 “奇点”。因此黑洞和宇宙大爆炸都不是奇怪的事，而且是不可避免的。

彭齐亚斯和威尔逊的观测只是在一个波长处进行的，虽然与绝对温度3度的黑体辐射在该波长的强度相符，但要进一步证实它是不是大爆炸的遗迹，是否具有完美的黑体辐射谱，还需要在其他各个波长，特别是毫米波段进行精确测量。 1975年，美国航空航天局决定，采纳本局戈达德航天中心物理学家约翰·马瑟等人的意见，专门研制一颗卫星，用以对宇宙微波背景辐射，进行精确测量。这颗卫星被命名为COBE。马瑟负责辐射谱仪的研制，还担任了COBE卫星的总负责人。1989年一个多风的早晨，美国航空航天局将COBE卫星送上了太空。COBE 最初9分钟的观测结果就表明，宇宙微波背景辐射确实具有完美的黑体辐射谱，大爆炸理论得到了进一步的证实。

此时大爆炸理论已接近完整。但是仍然有一个重要的问题，如果要形成星系，最初的宇宙必须不是完全均匀的。彭齐亚斯和威尔逊发现的辐射应该能够反映这一点。但它却似乎与方向无关，如果大爆炸理论正确，那么各方向上的辐射必定有所不同，这一定要有观察的证明。

星系结构的不均匀分布，导致宇宙空间呈现一种大尺度的结构状态。这一点，尤其在河外星系表现得非常明显。河外星系的空间尺度之大，经常要以10亿光年来计算。那么，这些大尺度结构又是怎样形成的呢？美国的皮伯斯和前苏联的泽尔多维奇等人认为，早期宇宙中，物质密度可能存在一些非常微小的不均匀性，它们在引力的作用下逐渐成长为星系、星系团、以及更大尺度的结构。如果是这样，宇宙早期的背景辐射必须在各方向上有一些微小的起伏，天文学家称之为各向异性。而探测宇宙微波背景辐射中的各向异性，是COBE卫星的另一个重要任务。

美国伯克利大学教授乔治·斯穆特用一个类似普林斯顿大学使用过的定向号角天线，开始了一系列试验。他希望做出一张详细的地图，来标出大爆炸残留的遗迹，并勾画出银河及宇宙的结构。随后，斯穆特和他的小组，研制出了一套能消除包括地球大气层干扰在内的具备高灵敏度的仪器，并利用COBE卫星送上太空。

COBE卫星升空不久，就发回来了准确的观测数据。在第一天快要结束的时候，斯穆特教授得到了一张清晰度前所未见的宇宙照片。他和他的小组花了一整年的时间，收集了3亿个观测数据，用计算机绘制出了一张宇宙微波背景辐射的图像，斯穆特将它称之为宇宙蛋。

这个宇宙蛋所显示的，是大爆炸结束时宇宙的图像，粉红和蓝色的区域分别表示温度的变化。宇宙微波背景辐射是非常均匀的，但是如果我们去掉均匀的背景，就可以看到各向异性。红色代表温度较高的区域，蓝色代表温度较低的区域。
COBE的探测结果，使大爆炸的理论再次得到观测的证实，大爆炸也终于被大多数人所接受。COBE的成功也有约翰·马瑟的功劳。由于约翰·马瑟和乔治·斯穆特在宇宙微波背景辐射研究中的贡献，他们在2006年获得了诺贝尔物理学奖。然而，大爆炸的理论并非就此完美无缺，它仍然还有一些问题需要解决。

第二集：给我证据

1905年，在瑞士伯尔尼专利局工作的小职员，德国犹太人阿尔伯特·爱因斯坦，发表了一篇关于运动物质中电磁现象的论文，提出了狭义相对论；10年之后，他又提出了广义相对论。相对论同量子论一起推动了20世纪物理学的革命，也为从整体上研究哈勃发现的星系宇宙奠定了理论基础。

20世纪以前的物理学建立在牛顿绝对时空观的基础上：时间永恒地均匀流逝，空间是不动的舞台，两者相互独立并且不受物质的影响。爱因斯坦的革命性发现是：时间和空间是不可分割的统一体，时空告诉物质如何运动，而物质告诉时空如何弯曲。

在爱因斯坦的理论中，两个物体间的相互作用并不像牛顿所描述的那样，直接产生引力，而是由每个物体对周围的时空产生影响，它们在时空中造成凹陷或扭曲，一个物体经过另一个物体的旁边，路径就会受到扭曲而偏向，这就好像是物质互相吸引一样。

广义相对论就好像是描述了一个表面上由网格标记的橡胶膜，放在橡胶膜上的重物看成是恒星或整个星系，网格代表时间和空间，重物的质量越大，空间和时间凹陷的程度也越深，那些从附近经过的东西，也就越难逃脱坠落在这个大质量物体上的命运。可为什么时间和空间会是弯曲的呢？

古希腊的时候，数学家欧几里德，发展了一套几何学理论，就是欧式几何，我们在初中学的几何就是这个，其中的第五公设，可以推出三角形的三个内角之和为180度，于是我们就把符合欧几里德这套几何学的空间叫做平直空间。
19世纪初，德国数学家高斯、匈牙利数学家鲍耶、俄国数学家罗巴切夫斯基等人认识到，除了平直空间以外，没有第5公设的非平直空间在逻辑上是可能的。在这样的空间中，三角形的内角之和未必是180度，描述这种空间的几何学叫做非欧几何，如在球面上画一个三角形，其内角和是大于180度的。

非欧几何虽然被发现了，但在爱因斯坦之前，它仅仅是理论上可能。而爱因斯坦的相对论说明，在大质量物体附近的时空真的就需要非欧几何来描述了，这就是所谓的弯曲时空。爱因斯坦并且预言，由于时空弯曲，从太阳表面附近经过的星光会偏折1.75角秒，这是牛顿预言值的两倍。
1919年5月发生了日全食，英国天文学家爱丁顿领导的两个远征队，分赴巴西东北海岸的索布拉尔和西非几内亚湾的普林西比岛进行观测。半年以后，英国皇家学会正式宣布，他们的观测结果符合爱因斯坦的预言，这个消息立刻轰动了世界，广义相对论从此得到科学界公认。

通过牛顿的理论所描绘出的宇宙在时间上和空间上都是无限的，其中有无限多的基本静止的物质，那么这里就有一个矛盾，因为按照这样推算就会有无限大的万有引力，并最终将宇宙形成一个唯一的大物质。
爱因斯坦利用非欧几何里在1917年提出了一个宇宙模型。这个模型的空间部分是一个球面，弯曲的空间使得宇宙看起来是有限的，因此可以避免引力变成无限大的问题。但是爱因斯坦发现，和牛顿的宇宙一样，这个模型里的物质也很难保持静止不动，于是爱因斯坦就在他的广义相对论方程当中加入一个表示斥力的一项：宇宙学常数。

但很快有人反对爱因斯坦的这个静态宇宙模型，第一个提出质疑的，是俄国学者阿列克谢·弗里德曼。在1922年发表的一篇论文中，弗里德曼求解了不包括宇宙学常数的广义相对论方程，发现宇宙不会静止不动，而是要么膨胀要么收缩。爱因斯坦看到弗里德曼的论文后，给发表它的杂志去信，说弗里德曼可能算错了。弗里德曼并没有屈服于爱因斯坦的权威，他详细写出了自己的计算过程给爱因斯坦寄去。后来，爱因斯坦在同一个杂志上发表声明，承认自己错了而弗里德曼是对的，伟人都很谦虚的说。

弗里德曼还认识到，如果假定空间有最大的对称性，那么三维空间的几何只有三种可能：一种是我们熟悉的欧几里德空间，即平直空间；一种是爱因斯坦模型中类似球面的空间，即闭合空间；还有一种是类似马鞍形的双曲面空间，即开放空间。在此后几十年的时间里，探索宇宙空间的几何形状一直是宇宙学家们最重要的课题。

1927年，比利时神甫，洛文天主教大学的物理学教授乔治·勒梅特指出：爱因斯坦的静态宇宙模型是不稳定的，如果宇宙学常数的斥力稍稍超过物质的引力，宇宙就会开始膨胀，而且越膨胀越快。

1912年的时候，哈佛大学天文台的女天文学家赫丽塔·勒维特，在南半球天空的麦哲仑星云中找到了一类特殊的天体，叫做”造父变星”。它们的亮度先是快速上升，随后缓慢下降，呈周期性变化，越亮的造父变星光变周期越长。哈佛天文台台长沙普利立即认识到，通过造父变星，可以推算出星系的距离，并测定出银河系的范围为30万光年，虽然比实际值偏高，但这种方法还是帮助他做出了太阳并不在银河系中心的重大发现。

在威尔逊山天文台的哈勃用同样的方法，在仙女座大星云和三角座星云中发现了一批造父变星，推算出它们的距离都是93万光年，甚至远远超出了沙普利的大银河系的范围。哈勃还发现，大部分星系的光谱都发生了红位移，距离越远的星系红位移越大。根据多普勒效应，这意味着所有的星系都在远离我们，而且离我们越远的星系，退行的速度也越快。哈勃在1929年发表的这个初步结论，后来被更多观测所证实，成为人们公认的”哈勃定律”。 其中速度与距离成正比关系的比例常数被称为”哈勃常数”。
哈勃定律的重要意义在于，它显示出宇宙中的星系，就像一个膨胀气球上的斑点，彼此分散那样运动，从而为弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙模型提供了观测依据。

这时，勒梅特听说了哈勃的发现，他知道这是自己一直等待的结果，他决定找到爱因斯坦，当面向他陈述自己的想法。1931年，爱因斯坦访问威尔逊山天文台，哈勃是主人，勒梅特也赶到加州和他们见面。他们推心置腹的讨论了各自的观点。在一次演讲中，勒梅特以诗意的叙述，向爱因斯坦陈述了他的理论。按他的说法，宇宙是从一个原始原子开始，不断分裂膨胀而成的，就如同一颗小小的橡果，长大成为一棵参天的橡树那样，他并以哈勃的观测为证，说明宇宙是创生于”没有昨天的那一天“。演讲结束的时候，他看到爱因斯坦站起来说：”这是我所看到过的最美丽的结果”。从那时开始，爱因斯坦承认引进”宇宙学常数”是他一生最大的失误。

按照哈勃的的计算，他得到宇宙的年龄是20亿年，但当时的地质学家通过研究地球上最古老的岩石得出地球的年龄不小于40亿年，宇宙的年龄怎么可能比地球的年龄还要小呢，这就出现了一个很大的矛盾。

1948年剑桥大学的数学家弗里德·霍伊尔对宇宙有一个起点的说法，提出了一系列质疑，他特别反对宇宙起源于一次大爆炸的观点，并与同事邦迪和戈尔德一起，提出了与大爆炸理论完全对立的”稳恒态宇宙”理论，他问道：如果说宇宙起源于大爆炸，那么大爆炸之前难道就没有宇宙吗？这从哲学上让人感到困惑，所以他提出了所谓完美宇宙学原理的假设：认为宇宙不仅在空间上均匀，而且面貌不随时间改变。

由于哈勃根据星系退行速度，测算出宇宙年龄只有20亿年，导致霍依尔的”稳恒态”一时占了上风。正当宇宙年龄所造成的疑惑，使大爆炸理论陷入困境的时候，天文学家发现，哈勃将星系的距离全都低估了一倍，因此也就将宇宙的年龄低估了一倍。在改正了这个错误以后，宇宙的年龄就不会比地球的年龄低了。

霍伊尔的另一个质疑是：勒梅特并没有具体说明”原始原子”究竟是什么，它是如何形成，又如何崩解为各种元素的？而霍伊尔的”稳恒态”恰恰能证明这一点。自19世纪中叶，光谱分析应用于天文学以来，人们在天体中发现了几十种元素，最常见的是氢和氦。进入20世纪以后，物理学家又陆续发现，原子核是由质子和中子组成的；在适当条件下，较重的原子核可以裂变为较轻的核；较轻的核也可以聚变成更重的核，在此过程中释放出的能量，可以为恒星提供足够的能源。霍伊尔和他的合作者，阐明了元素在恒星内逐级合成的具体反应过程，直到今天，这仍然是教科书中的标准理论，其实这也是间接支持了后面所发展的大爆炸理论：

霍伊尔关于重元素在恒星内合成的理论实在是太成功了，但却不能解释轻元素氦，在宇宙中含量高达1/4的观测事实。因为假如这么多氦都是在恒星中合成的话，那么夜晚也会比白天还亮了。1946年，移居美国的前苏联科学家伽莫夫另辟蹊径，提出了宇宙中的氦主要是在大爆炸后不久的高温条件下合成的理论。
但是，霍伊尔不愿意承认这一点，他提出了一个尖锐的问题：如果宇宙起始于一次大爆炸，在那种高温高热状态下所产生的辐射，一定会在太空中留下某种痕迹，即使是在大爆炸已经过去了140亿年的今天，也应该能找到哪怕一丁点儿辐射痕迹的残留。可问题是，这个痕迹能找到吗?

昨天第二遍完整的又把央视”探索.发现”的《宇宙大爆炸》四集重新看了一遍，这种不可多得的讲述宇宙起源的记录片，我怎么能放过呢。高三那年，突然对化学，物理产生极大的兴趣，可惜为了应试，也未能多研究，这一次算是安慰一下了，（感兴趣的朋友还可以参考我在06年的日志”霍金北京《宇宙的起源》演讲全文“），以下是我的观片笔记：

第一集：何处是中心
我们在宇宙中处于怎样的位置，宇宙有没有起源，如果有，它怎样起源？

公元前5世纪，爱琴海的萨摩斯岛上，有一位发明了几何学中勾股定理的数学天才毕达哥拉斯，从球型是最完美的几何体的观点出发，认为大地是球型的，而且所有天体都是球型的，它们的运动是匀速圆周运动。并认为地球是宇宙的中心，周围是空气和云，再往外是围绕地球做圆周运动的行星，如月亮、太阳等，再往外是恒星所在之处，最外面是永不熄灭的天火，这就是毕达哥拉斯的宇宙模型。但他并没说明地球有多大，日月星辰离地球有多远。

最早算出地球大小的人是公元前3世纪的希腊天文学家埃拉托西尼。他听说在阿斯旺附件有一口深井，在夏至的时候，太阳光照能射到井底，这表明，夏至时，太阳光在当地是垂直入射的；然后他又在埃及北方的一个城市亚历山大找了一个方尖塔，在夏至那一天，测量了斜入射的太阳光与垂直的方尖塔之间的角度，这个角度其实是从阿斯旺到亚历山大这一段距离弧长的圆心角，于是他算出了地球的周长约是三万九千多千米（现在实测是四万千米，几乎相差无几了）。

月球离地球有多远呢？当时希腊人已经猜测到，月食是因为地球走到太阳与月球之间而引起的。出生于萨莫斯岛的阿利斯塔克提出，测量月食时掠过月面的地影与月球的相对大小，利用几何学方法，可以算出以地球直径为单位的地球至月球的距离。

公元前150年，古希腊又出了一位叫依巴谷的天文学家。依巴谷重复了这项工作，依巴谷得出地球到月球距离是地球直径的三十倍。根据埃拉托西尼求得的地球直径计算，月球到地球的距离约等于三十八万公里，他还同时得出了地球与太阳的距离：弦月的时候，地球、月亮和太阳组成一个近似的直角三角形，于是得出太阳到地球的距离是月亮到地球距离的19倍，当然了这个精度与现测的结果相差有点大，但他的结果显示出太阳比地球要大得多。依巴谷思考，一个很大的天体不可能围绕一个小的天体来运行，这已经隐含了日心说的概念。

公元140年，埃及的亚历山大城的希腊裔天文学家托勒密，提出了一个完整的地心体系，所有能观测到的行星都是围绕着地球做顺时针周周运行，并提出了本轮和均轮的概念来解释所观测到的行星的运动规则。

然而到16世纪的时候，波兰天文学家尼古拉·哥白尼勇敢地站出来表达了相反的观点。他认为，宇宙应该是简单的和谐的，没有托勒密所描述的那么复杂，是地球绕太阳，而不是太阳绕地球旋转，这样根本不需要均轮的概念。这一日心学说改写了托勒密延续千年的宇宙模型，开启了宇宙学革命性的一刻。

哥白尼死后66年，德国天文学家开普勒在1609年《新天文学》一书中宣布，他用丹麦天文学家第谷留下的精密观测资料，发现行星是沿着椭圆轨道围绕太阳运动，从而打破了天体必须做匀速圆周运动的传统观点，并彻底消除了托勒密体系中的本轮和均轮。

1609年底，意大利物理学家伽利略，造出了一台放大率三十二倍的望远镜，并开始观测天体，并被木星所吸引，并有了一个惊人的发现：在木星周围有四个暗弱的星体在围绕着它运转（也就是后来我们称的伽利略卫星），这彻底宣告了托勒密地心体系的终结，因为人类第一次发现了有天体围绕不是地球的行星在运行。

这个时候，牛顿终于出场了。牛顿生于1642年。1661年，他离开家乡伍尔索普，前往剑桥大学三一学院，于1665年毕业。随后的18个月，他回到家乡躲避瘟疫，研习数学，发明了微积分。1667年，牛顿回到剑桥，于次年成为剑桥大学卢卡斯数学教授。不久，他对伽利略的望远镜进行了改良，他在里面加了一片平面的反光镜，这使得镜筒变短，并观察到更清晰的图像。

开普勒的发现和伽利略的观测结果，都支持哥白尼的日心学说，但有一个问题还没解决：究竟是什么原因维持着这些天体的运动？开普勒曾经猜想也许是磁力，而真正解决这个问题的是牛顿，这就是我们高中物理都学过的”万有引力”：一个大质量的物体，才可以把一个较小的物体吸引到自身上来，所以，苹果才会从树上落下来。也是”万有引力”使得人能够站在移动的地球上。”万有引力”让宇宙中所有的行星保持运动，宇宙也因此而永恒不变。

1716年，英国天文学家哈雷提出利用金星凌日的机会来测量太阳到地球的距离，可惜金星凌日十分罕见，直到1772年，法国天文学家潘格雷在分析了1769年金星凌日时各国天文学家的全部观测资料后，得出太阳与地球的距离为1.5亿公里。这时人们开始在想能否测量恒星到地球的距离呢。

伽利略早就提出了测量恒星到地球距离的方法：由于地球围绕着太阳运转，如果把地球围绕着太阳运转的轨道两端作为观测点，看看两点上所观测到的恒星的位移，这就是三角测量，就可计算出来。但由于实测非常困难，直到1836年，三位不同国籍的天文学家才根据伽利略的方法才成功的对恒星距离进行了测算。三位科学家中有一位俄国人斯特鲁维，他测出织女星的视差是0.125角秒（1角秒视差对应的距离是太阳到地球距离的20万倍），恒星的距离就这样算出来了，现在知道织女星离我们有26 光年，也就是说织女星发现的光要过26年后，才能到达地球，恒星真正是远啦。

那三位科学中，有一位定居英国的德国人威廉·赫歇耳，他认为，假如所有恒星的真正亮度与太阳相同，那么看上去亮度越暗的，距离就应该越远。他用这种方法，估计银河系的尺度至少为2600光年，从此，人类的视野从太阳系扩展到了更为广阔的宇宙空间。

1845年，爱尔兰中部的比尔城堡，第3代罗斯伯爵威廉·帕森斯，在这里建造了一架口径1.8288米，重达10吨的望远镜，它是当时世界上最大和倍率最高的望远镜。使用这架望远镜，帕森斯伯爵看到了一个呈旋涡状的美丽星云。这是有史以来人类首次观测到旋涡星系。天文学家们后来了解到，这个旋涡星系的距离为2100万光年，远远超出了银河系10万光年的范围。

1842年，在维也纳，一个名叫多普勒的奥地利物理学家，发表了一篇讨论双星颜色的论文，提出了可以通过恒星的光谱鉴别出谱线的元素构成和恒星的运动趋势，是远离还是朝向我们运动。这是多普勒运用夫琅和费线的一个创造。如果光源在向我们接近，夫琅和费线就会向光谱的蓝端移动，这叫”蓝位移”。如果光源在后退，这些谱线会向光谱的红端移动，这叫”红位移”。

1859年，英国天文学家威廉·哈金斯，用一台装有高色散分光仪的20厘米望远镜，开始观测一些亮星的光谱，并在其中找出了钠、钙、镁等化学元素的谱线。1868年，他利用多普勒效应，首次从谱线的微小位移，测出了天狼星的视向速度。1880年前后，哈金斯对太阳光谱中构成谱线的化学元素进行分析，以了解太阳和恒星都是由何种成分构成的。哈金斯发现，太阳和恒星的光谱线中，都有着清晰的氢和氦的特征线。于是他得出结论：太阳和恒星主要是由氢和氦构成的。这一发现等于宣告太阳只不过是一颗普通的恒星。人类也因此彻底了解到，地球不是宇宙的中心，太阳也同样不是宇宙的中心。