银河系是一个庞大的恒星系统，而我们的太阳以及邻近的恒星全都是银河系的组成部分。长期以来，人们一直以为银河系就是整个宇宙。只是到了1924年，美国天文学家埃德温·哈勃才证实我们的星系并不是独一无二的。事实上，还存在着许许多多其他的星系，而在星系之间则是广袤的虚无空间。为了证明这一点，哈勃必须确定这些河外星系的距离。我们可以确定邻近恒星的距离，办法是观测它们因地球绕太阳运动而引起的位置变化。但是，河外星系实在是太过遥远了，这与近距离恒星的情况不同，它们看上去完全固定不动。因此，哈勃只能通过间接的方法来测量它们的距离。

须知，恒星的视亮度取决于两个因素：光度，以及它离我们有多远。对于近距离恒星来说，我们可以测得它们的视亮度和距离，于是便能确定它们的光度。相反，要是我们知道了其他星系中一些恒星的光度，就可以通过测定它们的视亮度来推算出它们的距离。哈勃论证了存在某些类型的恒星，当它们距离我们近得足以被我们测量时，它们有相同的光度。于是，如在另一个星系中发现了同类恒星，我们就可以设想它们有着同样的光度。这样一来，便可以计算出那个星系的距离。如果可以对同一个星系中的若干颗恒星实施此类计算，并总是得出相同的距离，那么对星系距离的估计就相当可信了。通过这条途径，哈勃得到了九个不同星系的距离。

现在我们知道，利用现代望远镜可以观测到数千亿个星系，银河系只是其中之一，而每个星系又含有数千亿颗恒星。我们生活在一个缓慢自转中的星系之内，尺度约为10万光年；它有若干条旋臂11，旋臂中的恒星绕着星系中心作轨道运动，大约每一亿年转过一周12。我们的太阳只不过是一颗中等大小的普通黄色恒星，它位于其中一条旋臂的外边缘。毫无疑问，自亚里士多德和托勒密以来我们经历了漫长的认识之路，而在他们那个年代地球被认为位于宇宙的中心。

恒星的距离实在是太远了，以至于看上去它们只是一些非常小的光点。我们不可能确定恒星的大小和形状。那么，怎样才能把不同类型的恒星区分开来呢？对于绝大多数恒星来说，唯一可以观测到，且不致发生误判的特征是它们的光的颜色。牛顿发现，如果使太阳光穿过一块棱镜，光线便会分解成构成阳光组成成分的各种颜色——太阳光谱，它看上去就像彩虹一样。类似地，把望远镜瞄准个别恒星或者星系并准确聚焦，就可以观测到恒星或星系的光谱。不同的恒星有不同的光谱，但不同颜色的相对亮度，总是会与某个灼热燃烧物体发出的光线所呈现的情况完全一样。这意味着可以由恒星的光谱来确定恒星的温度。还有，我们发现有一些特定的颜色在恒星光谱中是缺失的，而且这类缺失的颜色可以因恒星的不同而不同。我们知道，每一种化学元素都会吸收掉一组能表征有相应元素存在的特定的颜色。因此，只要把每一组这样的颜色与恒星光谱中缺失了的那些颜色相比对，就可以严格确认在恒星大气中存在有哪些元素。

20世纪20年代，当天文学家开始观察河外星系中恒星的光谱时，异常情况发生了：它们所缺失的特征颜色组与我们的银河系中恒星的情况相同，但它们全都朝着光谱的红端移动，且相对位移量都一样。对此，唯一合理的解释是星系都在远离我们运动，因而星系光波的频率减小了，或者说发生了红移，其原因在于多普勒效应。请倾听一辆汽车在路上急驶而过的声音。当汽车由远方驶近时，汽车引擎声听起来音调比较高，相当于声波的频率比较高；当汽车由近处向远方驶离时，引擎声的音调听起来比较低。光波或辐射波具有类似的变化特性。实际上，警察正是利用多普勒效应，通过测定由汽车反射回来的无线电波脉冲的频率，来测出汽车的速度。

在证实了河外星系的存在之后，哈勃花了好多年时间来逐一记录星系的距离，同时还观测它们的光谱。在那个时候，大多数人都以为星系的运动是完全随机的，所以光谱呈现蓝移的星系应该与呈现红移的星系一样多。因此，当哈勃发现所有的星系都表现为有红移时，人们颇感意外，这说明每一个星系都在远离我们而去。更令人吃惊的是，哈勃在1929年发表的结果表明，甚至星系红移的大小也不是随机的，红移量居然与星系的距离成正比。换言之，星系越远，远离我们的速度就越快。因而，这意味着宇宙不可能如之前众人都猜想的那样是静态的，而是宇宙事实上正处于膨胀之中。在任何时刻，不同星系间的距离一直在不断地增大。

发现宇宙正在膨胀，乃是20世纪一项伟大的理性革命。事后来看，不禁让人惊讶为什么之前没有一个人想到这一点。牛顿等人应该会意识到，在引力的作用下一个静态宇宙很快会开始收缩。但是，请设想一下宇宙并不处于静止状态，而是正在膨胀。如果宇宙膨胀得不太快，那么引力的作用最终会使膨胀停止，并随之开始收缩。然而，要是膨胀速度超过某个确定的临界值，而引力作用不足以使膨胀停止，则宇宙便会一直不断地永远膨胀下去。这有点像我们在地球表面给火箭点火，使其上升时所发生的情况。如果火箭的速度比较慢，那么引力最终会使火箭停止运动，并随之开始向地面回落。要是火箭的速度大于某个临界值（约为每秒7英里13），引力便不足以把它拉回地面，于是火箭便会越飞越远，永远脱离地球。

在19世纪、18世纪，甚至17世纪晚期这段时间内的任何时候，都已经可以做到根据牛顿的引力理论来预言宇宙的上述变化特性。但是，人们关于静态宇宙的信念实在是太强了，这种信念一直延续到20世纪初。即使爱因斯坦在1915年系统地阐明了广义相对论之时，他还是深信宇宙只能处于静止状态。因此，为了使静态宇宙成为可能，爱因斯坦对自己的理论做了修正，具体做法是在他的一些方程中引入了一个所谓的宇宙学常数14。这是一类新的“反引力”之力，与其他作用力的不同之处在于，这种力并非来自任何具体的力源，而是时空结构自身的组成部分。爱因斯坦的宇宙学常数给时空以某种固有的膨胀趋势，而且恰好可以与宇宙中全部物质的吸引力相平衡，这样一来自然会得出静态宇宙的结论。

看来，只有一个人愿意还广义相对论以其本来面目。尽管爱因斯坦和其他一些物理学家在不断探究各种途径，以能回避广义相对论所预言的非静态宇宙，俄国物理学家亚历山大·弗里德曼却与众不同地着手解释非静态宇宙。

弗里德曼模型15

广义相对论方程确定了宇宙如何随时间演化，然而这些方程的详细解算却极为复杂。因此，弗里德曼另辟蹊径，他就宇宙作了两个非常简单的假设：无论从哪一个方向去观察，宇宙看上去都是一样的；还有，要是我们能从任何别的地方观察宇宙，上述结论仍然成立。根据广义相对论和这两个假设，弗里德曼证明了我们不应该期望宇宙是静态的。实际上，在哈勃做出他的发现之前的若干年，弗里德曼于1922年就已精确预言了哈勃所发现的结果。

事实上，关于宇宙从任何方向看来都是相同的假设显然是不成立的。例如，我们银河系中的其他恒星在夜空中构成了一条明显的光带，这就是银河。但是，如果我们的观察对象是遥远的星系，那么从不同方向上看起来星系的数目大体上是相同的。所以，从不同方向去观察，宇宙看上去确实大体上是一样的，但这里有一个前提，即观测视野的范围应远远大于星系间的距离。

在很长的一段时间内，这为弗里德曼的假设——作为真实宇宙的某种粗略近似——提供了充足的理由。然而，后来一次很幸运的偶然事件揭示了真相：实际上弗里德曼的假设是对我们的宇宙的极为精确的描述。1965年，在新泽西州贝尔实验室工作的两位美国物理学家阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊，设计了一台甚高灵敏度的微波探测器，目的是用于与轨道上的卫星进行通讯联系。使两人深感迷惑不解的是，他们发现这台探测器所接收到的噪声比预期来得多，而且多余的噪声似乎并非来自任何特定的方向。开始时，他们寻找探测器上飞鸟的粪便，还检查了其他可能的仪器故障，但这些情况很快被一一排除。他们明白，对任何来自大气层内部的噪声来说，探测器倾斜安置时的噪声要比指向天顶时来得大，因为当探测器的指向与垂直方向成某个交角时，大气层会显得比较厚16。

无论探测器指向哪一方向，多余的噪声始终保持不变，所以它必然来自大气层之外。还有，尽管地球在不断地绕轴自转，同时又绕着太阳运动，但在整个一年中，无论白天还是黑夜，这种噪声始终保持不变。这说明辐射一定来自太阳系之外，甚至来自银河系之外，否则因探测器随地球运动而指向不同的方向，辐射也应当随之发生变化。

事实上，我们知道这类辐射在到达地球之前，必然穿越了可观测宇宙的大部分空间。因为辐射表现为各向同性，那么宇宙一定也是各向同性的，至少在大尺度上应该如此。现在我们知道，无论从哪个方向去看，这类噪声的相对变化绝不会超过万分之一。因此，彭齐亚斯和威尔逊在无意之中，以很高的精确度偶尔证实了弗里德曼的第一个假设。

差不多在同一时间，不远处普林斯顿大学的两位物理学家鲍勃·迪克和吉姆·皮伯尔斯也对微波饶有兴趣。当时他们正在深入研究乔治·伽莫夫的一种设想：早期宇宙应该是非常炽热的，且密度很高，会发出白热的光芒；须知伽莫夫曾经是弗里德曼的学生。迪克和皮伯尔斯认为，这种光芒现在仍然能看到，原因在于从早期宇宙非常遥远部分所发出的光线现在应当刚好到达地球。不过，由于宇宙膨胀，这种光线应该有非常大的红移，因而现在就我们来看便表现为微波辐射。迪克和皮伯尔斯此时正在寻找这类辐射，当彭齐亚斯和威尔逊得知他们的工作时，便意识到自己已经找到了这种辐射。彭齐亚斯和威尔逊因这项工作于1978年获诺贝尔奖，而这对迪克和皮伯尔斯来说似乎有点残酷。

上述观测证据充分说明，无论在哪个方向上，宇宙看起来都是一样的，表面上看这好像暗示了我们在宇宙中所处的位置应该与众不同。说得具体一点，这似乎意味着如果我们观测到的所有河外星系都在远离我们而去，那么我们必然位于宇宙的中心。不过，对此也可以有另一种不同的解释：从任何其他的星系来看，在不同方向上所观测到的宇宙也许还是一样的。我们已经知道，这正是弗里德曼的第二个假设。

目前还没有任何科学证据来支持或者反对这个假设，我们只是谨慎地相信这一点。要是宇宙从我们周围的各个方向去看是各向同性的，而从宇宙中别的位置上去观察却并非如此，那就太不可思议了。在弗里德曼模型中，所有的星系都在彼此远离。这种情况有点像持续不断地吹一个表面上绘有若干斑点的气球。随着气球的膨胀，任何两个斑点之间的距离不断增大，但是任何一个斑点都不能被称为膨胀的中心。不仅如此，斑点间的距离越远，斑点之间互相远离的速度就越快。类似地，在弗里德曼模型中，任何两个星系之间互相远离的速度与星系间的距离成正比。所以，这个模型预言了星系的红移应该与星系的距离成正比，而哈勃所发现的恰恰就是这种情况。

尽管模型取得了成功，且预言了哈勃的观测结果，但弗里德曼的工作在西方一直鲜为人知。1935年，美国物理学家霍华德·罗伯逊和英国数学家亚瑟·沃克为说明哈勃发现宇宙均匀膨胀而提出了类似的模型，只是在这之后，弗里德曼的成就才为人们所知晓。

尽管弗里德曼只是发现了一个模型，事实上满足他的两个基本假设的却有三类不同的模型。在第一类模型，也就是弗里德曼所发现的模型中，宇宙膨胀得极为缓慢，以至于不同星系相互间的吸引力使得这种膨胀渐而减慢，并最终停止。之后，星系开始互相趋近，于是宇宙表现为收缩。相邻星系间的距离从零开始，不断增大到某个极大值，之后便逐渐互相接近，直到再次归复为零。