碟狀結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子，便是今天我們叫做螺旋星系的東西。只有在幾十年之后，天文學(xué)家威廉·赫歇爾爵士才非常精心地對(duì)大量的恒星的位置和距離進(jìn)行編目分類，從而證實(shí)了自己的觀念。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。那是因?yàn)槊绹?guó)天文學(xué)家埃得溫·哈勃證明了，我們的星系不是唯一的星系。事實(shí)上，還存在許多其他的星系，在它們之間是巨大的空虛的太空。為了證明這些|qi-shu-wang|，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(cè)量這些距離。眾所周知，恒星的表觀亮度決定于兩個(gè)因素：多少光被輻射出來(lái)（它的絕對(duì)星等）以及它離我們多遠(yuǎn)。對(duì)于近處的恒星，我們可以測(cè)量其表觀亮度和距離，這樣我們可以算出它的絕對(duì)亮度。相反，如果我們知道其他星系中恒星的絕對(duì)亮度，我們可用測(cè)量它們的表觀亮度的方法來(lái)算出它們的距離。哈勃注意到，當(dāng)某些類型的恒星近到足夠能被我們測(cè)量時(shí)，它們有相同的絕對(duì)光度；所以他提出，如果我們?cè)谄渌窍嫡页鲞@樣的恒星，我們可以假定它們有同樣的絕對(duì)光度——這樣就可計(jì)算出那個(gè)星系的距離。如果我們能對(duì)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，則我們對(duì)自己的估計(jì)就會(huì)有相當(dāng)?shù)男刨嚩取?

埃得溫·哈勃用上述方法算出了九個(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。圖所示的便是一個(gè)螺旋星系的圖，從生活在其他星系中的人來(lái)看我們的星系，想必也是類似這個(gè)樣子。我們生活在一個(gè)寬約為10萬(wàn)光年并慢慢旋轉(zhuǎn)著的星系中；在它的螺旋臂上的恒星繞著它的中心公轉(zhuǎn)一圈大約花幾億年。我們的太陽(yáng)只不過是一個(gè)平常的、平均大小的、黃色的恒星，它靠近在一個(gè)螺旋臂的內(nèi)邊緣。我們離開亞里士多德和托勒密的觀念肯定是相當(dāng)遙遠(yuǎn)了，那時(shí)我們認(rèn)為地球是宇宙的中心！

圖

恒星離開我們是如此之遠(yuǎn)，以致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(duì)于絕大多數(shù)的恒星，只有一個(gè)特征可供觀測(cè)——光的顏色。牛頓發(fā)現(xiàn)，如果太陽(yáng)光通過一個(gè)稱為棱鏡的三角形狀的玻璃塊，就會(huì)被分解成像彩虹一樣的分顏色（它的光譜）。將一個(gè)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(lái)的光譜線。不同的恒星具有不同的光譜，但是不同顏色的相對(duì)亮度總是剛好和一個(gè)紅熱的物體發(fā)出的光譜完全一致。（實(shí)際上，從一個(gè)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。）并且，我們發(fā)現(xiàn)，某些非常特定的顏色在恒星光譜里找不到，這些失去的譜線可以因不同的恒星而異。既然我們知道，每一化學(xué)元素都有非常獨(dú)特的吸收光譜線族，將它們和恒星光譜中失去的譜線相比較，我們就可以準(zhǔn)確地確定恒星大氣中存在什么元素。

在20年代天文學(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)了同樣相對(duì)的量。為了理解這個(gè)含意，我們必須先理解多普勒效應(yīng)。我們已經(jīng)知道，可見光即是電磁場(chǎng)的起伏或波動(dòng)。光的波長(zhǎng)（或者相鄰波峰之間的距離）極其微小，約為至米。

光的不同波長(zhǎng)正是人眼看到的不同顏色，最長(zhǎng)的波長(zhǎng)出現(xiàn)在光譜的紅端，而最短的波長(zhǎng)在光譜的藍(lán)端。想像在離開我們一個(gè)固定的距離處有一光源——例如恒星——以固定的波長(zhǎng)發(fā)出光波。顯然我們接收到的波長(zhǎng)和發(fā)射時(shí)的波長(zhǎng)一樣（星系的引力場(chǎng)沒有強(qiáng)到足以對(duì)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)，它離開我們更近一些，這樣兩個(gè)波峰之間的距離比恒星靜止時(shí)更小。這意味著，我們接收到的波的波長(zhǎng)比恒星靜止時(shí)更短。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(zhǎng)將更長(zhǎng)。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(lái)時(shí)，光譜則藍(lán)移。這個(gè)稱之為多普勒效應(yīng)的頻率和速度的關(guān)系是我們?nèi)粘Ｋ煜さ模缥覀兟犅飞蟻?lái)往小汽車的聲音：當(dāng)它開過來(lái)時(shí)，它的發(fā)動(dòng)機(jī)的音調(diào)變高（對(duì)應(yīng)于聲波的高頻率）；當(dāng)它通過我們身邊而離開時(shí)，它的音調(diào)變低。光波或無(wú)線電波的行為與之類似。警察就是利用多普勒效應(yīng)的原理，以無(wú)線電波脈沖從車上反射回來(lái)的頻率來(lái)測(cè)量車速。

在哈勃證明了其他星系存在之后的幾年里，他花時(shí)間為它們的距離以及觀察到的光譜分類。那時(shí)候大部份人相信，這些星系的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)紊亂，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。但是，十分令人驚異的是，他發(fā)現(xiàn)大部份星系是紅移的——幾乎所有都遠(yuǎn)離我們而去！更驚異的是1929年哈勃發(fā)表的結(jié)果：甚至星系紅移的大小也不是雜亂無(wú)章的，而是和星系離開我們的距離成正比。換句話講，星系越遠(yuǎn)，則它離開我們運(yùn)動(dòng)得越快！這表明宇宙不可能像原先人們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)最偉大的智慧革命之一。事后想起來(lái)，何以過去從來(lái)沒有人想到這一點(diǎn)？！牛頓或其他人應(yīng)該會(huì)意識(shí)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，引力會(huì)使之最終停止膨脹，然后開始收縮。但是，如果它膨脹得比某一臨界速率更快，引力則永遠(yuǎn)不足夠強(qiáng)而使其膨脹停止，宇宙就永遠(yuǎn)繼續(xù)膨脹下去。這有點(diǎn)像一個(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)慢，引力將最終使之停止并折回地面；另一方面，如果火箭具有比某一臨界值（大約每秒7英里）更高的速度，引力的強(qiáng)度不足以將其拉回，所以它將繼續(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(duì)論時(shí)，還是如此之肯定宇宙必須是靜態(tài)的，以使得他在其方程中不得不引進(jìn)一個(gè)所謂的宇宙常數(shù)來(lái)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”，這力不像其他的力那樣，不發(fā)源于任何特別的源，而是空間——時(shí)間結(jié)構(gòu)所固有的。他宣稱，空間——時(shí)間有一內(nèi)在的膨脹的趨向，這可以用來(lái)剛好去平衡宇宙間所有物質(zhì)的相互吸引，結(jié)果使宇宙成為靜態(tài)的。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(duì)論的非靜態(tài)宇宙的預(yù)言時(shí)，看來(lái)只有一個(gè)人，即俄國(guó)物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家亞歷山大·弗利德曼愿意只用廣義相對(duì)論著手解釋它。

弗利德曼對(duì)于宇宙作了兩個(gè)非常簡(jiǎn)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(lái)都是一樣的。弗利德曼指出，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，弗利德曼在1922年所做的預(yù)言，正是幾年之后埃得溫·哈勃所觀察到的結(jié)果。

很清楚，關(guān)于在任何方向上宇宙都顯得是一樣的假設(shè)實(shí)際上是不對(duì)的。例如，正如我們所看到的，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)目就或多或少顯得是同樣的。所以假定我們?cè)诒刃窍甸g距離更大的尺度下來(lái)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(lái)是大致一樣的。在很長(zhǎng)的時(shí)間里，這為弗利德曼的假設(shè)——作為實(shí)際宇宙的粗糙近似提供了充分的證實(shí)。但是，近世出現(xiàn)的一樁幸運(yùn)的事件所揭示的事實(shí)說(shuō)明了，弗利德曼假設(shè)實(shí)際上異常準(zhǔn)確地描述了我們的宇宙。

1965年，美國(guó)新澤西州貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜正在檢測(cè)一個(gè)非常靈敏的微波探測(cè)器時(shí)（微波正如光波，但是它的波長(zhǎng)大約為1英寸），他們的檢測(cè)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方向來(lái)的。首先他們?cè)谔綔y(cè)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(cè)器傾斜地指向天空時(shí)，從大氣層里來(lái)的噪聲應(yīng)該比原先垂直指向時(shí)更強(qiáng)，因?yàn)楣饩€在沿著靠近地平線方向比在頭頂方向要穿過更厚的大氣。然而，不管探測(cè)器朝什么方向，這額外的噪聲都是一樣的，所以它必須是從大氣層以外來(lái)的，并且在白天、夜晚、整年，也就是甚至地球繞著自己的軸自轉(zhuǎn)或繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)也是一樣的。這表明，這輻射必須來(lái)自太陽(yáng)系以外，甚至星系之外，否則當(dāng)?shù)厍虻倪\(yùn)動(dòng)使探測(cè)器指向不同方向時(shí)，噪聲必須變化。

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，并且由于它在不同方向都一樣，至少在大尺度下，這宇宙也必須是各向同性的。