【譯者之言：對于深奧的宇宙大爆炸和宇宙膨脹理論，阿西莫夫先生給出了淺顯易懂的說法：“任何遙遠的天體都是很久以前的天體，距離越遠，時間就越早。如果我們能看到非常遙遠的天體，那么，我們就會看到早期的宇宙?！薄?/p>

幾個月前，我參加了一個宴會，宴會結束出門時，發(fā)現(xiàn)外面正淅淅瀝瀝地下著雨。顯然，這種天氣難得等到出租車，于是我和另外兩位參加宴會朋友，走到最近的地鐵口，上了地鐵，向北而行。

碰巧，我第一個到站。我向朋友們道別，下了火車。第二天我才知道，在我下車后地鐵上發(fā)生了什么。

有三個年輕人走到我朋友們的座位處，直直地站在他們身旁，讓我兩個朋友感到一絲受威脅的恐懼。我的朋友們都很清楚，地鐵里時常會發(fā)生暴力事件，他們自然很擔心。

其中一個年輕人低聲說了些什么，我的一個朋友鼓起勇氣說：“對不起，年輕人，我沒有聽清楚你說什么?？梢哉埬阍僦貜鸵槐閱?？”

于是，這個年輕人提高聲音說道：“我想問一下：剛下火車的那個人是艾薩克·阿西莫夫嗎？”

剎那間，這三個年輕人就從讓人心生恐懼的流氓，變成了三個有很高品味的文化迷，我的朋友們高興地回答說，的確是的，此后一切就成了葡萄美酒加玫瑰般的交談。

我不知道，地鐵上那些聰明的年輕人，是否會去讀我的科學隨筆，如果他們會讀，這篇科學隨筆就獻給他們吧！

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在前一篇科學隨筆中，我談到了多普勒效應。多普勒效應顯示，遙遠的星系，無一例外地都在遠離我們，星系離得越遠，離開就越快。

這似乎給了我們的星系一個特殊的待遇。所有其它的星系都在遠離它，離得越遠，離開就越快。不知怎么的，這似乎又讓人感覺不對勁。為什么在數十億個星系中，只有我們的星系，會有這種區(qū)別呢？

早在1916年，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）（1879-1955年）設計了一套“場方程”來描述整個宇宙的特征。愛因斯坦認為宇宙作為一個整體是靜態(tài)的，沒有明顯地隨著時間發(fā)生任何漸進的變化——畢竟，直到當時，在我們對宇宙的觀察中，沒有發(fā)現(xiàn)有任何東西，表現(xiàn)出任何的不同。也就是說，宇宙中的一些天體可能正在接近我們，而一些可能在遠離我們，一些可能會朝著這個方向前行，一些可能會朝著那個方向前行，但所有這些變化往往都會被相互抵消，宇宙的整體外觀保持不變。

愛因斯坦的方程并沒有完全證明這一點，所以愛因斯坦任性地添加了他所謂的“宇宙常數”，并賦予該常數一個數值，以允許其方程代表靜態(tài)宇宙。（他后來稱，這是他犯下的“最大的錯誤”。）

不過，第二年，荷蘭天文學家威廉姆·德·西特（Wilem de Sitter）（1872-1934年）就指出，沒有宇宙常數的場方程代表了一個膨脹的宇宙，一個以恒定速度變大的宇宙。然而，這種膨脹似乎純粹是理論上的，因為當時并沒有跡象表明宇宙確實在膨脹。

然而，一旦哈勃證實遙遠的星系都在遠離我們，這就有了觀測證據，表明德·西特提出了一個有價值的觀點。宇宙正在膨脹，所有的星系（或星系團）都彼此相對在遠離。這就是為什么所有星系似乎都在遠離我們，而我們也并不是生活在一個特殊的星系中。如果宇宙在膨脹，那么當我們從任何星系上觀察其它的星系時，所有其它星系看上去都會在遠離，離得越遠，離開就越快。

換句話說，愛因斯坦的場方程描述的就是宇宙現(xiàn)狀，而不需要添加什么宇宙常數。

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如果宇宙正在膨脹，我們考慮未來，宇宙很可能會永遠繼續(xù)膨脹下去。它膨脹的空間大概也是沒有限制的。

另一方面，如果我們考慮過去，我們就會看到，隨著我們深入地回到過去，宇宙一定會越來越小。這又意味著宇宙的過去，不會像未來，不可能永遠存在。在有限的過去的某個時候，宇宙一定非常小，它所有的質量和能量都被壓縮成了一個小球。

1927年，比利時天文學家喬治·愛德華·萊邁特雷（Georges Edward Lemaitre）（1894-1966年）首次指出了這一點。他將這一小塊物質稱為“宇宙蛋”。顯然是宇宙蛋爆炸形成了現(xiàn)在的宇宙，而俄裔美籍物理學家喬治·伽莫夫（George Gamow）（1904-1968年）則將這次爆炸稱為“大爆炸（Big Bang）”。

大爆炸理論現(xiàn)在已被天文學家普遍接受。出現(xiàn)的一些爭論是，最初的宇宙蛋起源于哪里，它是如何形成的，它有多大，它從怎樣的最初階段發(fā)展成我們現(xiàn)在的宇宙，等等。不過，這些并不是這篇科學隨筆感興趣的問題。我們只想簡單地問一下：大爆炸是什么時候發(fā)生的？多久以前發(fā)生的？

想要得到答案，方法是確定宇宙現(xiàn)在膨脹的速度。那么，如果膨脹速度不隨時間發(fā)生變化，由此就可能直接確定出原點，這非常簡單。

哈勃在1929年的測量表明，遠離的速度確實是恒定的，而宇宙膨脹得非常之快，回顧過去，宇宙蛋大概在20億年前就已經存在了。

但這明顯是錯誤的，因為地質學家已確認，地球本身就比這更古老，地球不可能比它所在的宇宙的年齡還要大。根據地殼、月球和隕石中放射性物質的衰變，我們現(xiàn)在知道地球和太陽系一般有45億年的歷史，所以宇宙必須至少也有45億歲的年齡，并且可能比這還要大得多。

幸運的是，用來確定較近星系距離的標準，相應又可以作為確定所有更遠星系距離的依據，結果證明，這是一個比人們想象的要復雜得多的事情。當標準被修正后，宇宙明顯比人們想象的要大得多，因此一定已經膨脹了更長時間，它的年齡相應就更大了。

大爆炸的時間一定在過去至少100億年，而且很可能更早。事實上，現(xiàn)在最常用的數字是過去的150億年。

如果宇宙已有上百億年的歷史，那么我們應該在天空中看到上百億光年之外的物體，如果是這樣，我們就應該能看到遙遠的過去。畢竟，如果一顆恒星距離我們10光年，那么這顆恒星發(fā)出的光需要10年才能到達我們，我們看到的是10年前的它。如果一個星系距離我們1000萬光年，光需要1000萬年才能到達我們，我們看到的則是1000萬年前的它。

換句話說，任何遙遠的天體都是很久以前的天體，距離越遠，時間就越早。如果我們能看到非常遙遠的天體，那么，我們就會看到早期的宇宙。如果我們看到150億光年之外的宇宙，我們看到的就是150億年前的宇宙，也就是一開始時的宇宙。

然而，天體越遠，就越暗，也就越難被發(fā)現(xiàn)。1960年的天文學家，在望遠鏡里看到早期的宇宙的機會，不可能比我們現(xiàn)在更多。

1960年，他們能看到的最遙遠的星系是，根據紅移和新的標準來看，可能距離我們8億光年。這意味著，他們只能看到8億年前的過去/而如果宇宙有150億年的歷史，他們看到的只有這一歷程的大約二十分之一。

他們到底應該怎么做，才能做得更好呢？

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到了1960年，天文學家們已經開始使用射電望遠鏡，它探測無線電波，而不是光。起初，人們沒有任何理由相信，無線電波會比光波告訴我們更多的宇宙信息。例如，太陽發(fā)出無線電波，但這些無線電波不像光一樣，能告訴我們有關太陽的，諸如熱量、化學成分和其他特性等等，那么有用的信息。

此外，光可以來自我們自己的星系和其他星系中的無數恒星，但無線電波源的數量就要少得多。遙遠的恒星可以發(fā)出足夠的光，即使人們肉眼看起來也相當明亮，而它們卻不會發(fā)出數量可探測到的無線電波。我們探測來自太陽的無線電波的唯一原因，不是因為它是一顆不尋常的恒星，而是因為它離我們很近。

不過，有些無線電波源似乎來自天空中某一限定的部分，它們在過去被稱為“射電星”。而另一方面，人們也并不一定就會認為，射電星是真正的恒星。它們可能源于非常遙遠的星系，因此在天空中沒有占據太多的視空間。即使沒有探測到有單個恒星發(fā)射無線電波，整個星系也可能會發(fā)射足夠的，可以被探測到的無線電波。

有些射電星非常密集，人們會認為，它們可能是恒星。在這些非常密集的無線電波源中，有幾個被稱為3C48、3C147、3C196、3C273和3C286。[“3C”代表《劍橋射電星目錄第三類》，這是由英國天文學家馬丁·萊爾（Martin Ryle）（1918-1984年）和他的同事們共同編撰的]。

1960年，美國天文學家阿蘭·雷克斯·桑德奇（Allan Rex Sandage）（1926年生）使用200英寸的帕洛瑪望遠鏡，對包含這些密集射電源的區(qū)域進行了梳理。在每一種情況下，它似乎確實是一顆發(fā)射無線電波的恒星，而它們看上去就像是我們自己星系中，不起眼的暗星。

然而，也存在一些令人不安的情況。為什么這些少的恒星，會發(fā)出可探測強度的無線電波，而其他離我們更近，更明亮的恒星，卻不能發(fā)射可探測強度的無線電波呢？后來，當這些射電星被仔細檢查時，發(fā)現(xiàn)其中一些與微弱的星云狀物有關。至于其中最亮的3C273，則有微弱的物質噴出跡象。

這些射電星，雖然看起來像恒星，但似乎又有所不同。它們被稱為“準恒星射電源”，“準恒星（quasi-stellar）”的意思是“類似恒星”。隨著這個詞變得對天文學家們越來越重要，它就變得太不方便了，于是被縮寫為“quasi-stellar”的第一個和最后一個音節(jié)——“quasar（類星體）”。

顯然，這些類星體非常有趣，需要用大量的天文學技術進行研究，這意味著需要獲得它們的光譜。獲得暗天體的光譜并不容易，但美國天文學家杰西·萊昂納德·格林斯坦（Jesse

Leonard Greenstein）（1909年生）和他的荷蘭裔美籍同事馬爾滕·施密特（Bartender Schmidt）（1929年生），努力完成了這項任務，并獲得了光譜。

剛獲得光譜時，似乎并沒有起到什么幫助。他們發(fā)現(xiàn)這些類星體帶有無法識別的奇怪譜線。此外，有一個類星體的譜線與其他所有的都不同，而所有這些譜線都無法識別——這至少增加了人們對這些天體的奇怪感。

1963年，施密特注意到，在3C273光譜中存在的六條線中，有四條的間隔類似于一系列的氫譜線——只是在它們被發(fā)現(xiàn)的位置，不應該存在這樣的譜線。然而，如果這些譜線只是因為被移到了光譜的紅色一端，而出現(xiàn)在它們現(xiàn)在被發(fā)現(xiàn)的地方，又會是什么情況呢？如果是這樣的話，那必須是一個很大的位移，表明它以每秒4萬公里的速度在離開，這個速度超過了光速的八分之一。

這似乎令人難以置信，但如果存在這樣的位移，另外兩條線的識別也就迎刃而解了；一條代表雙電荷的氧，另一條代表雙電荷的鎂。

那么，這些類星體根本就不是我們自己星系中的恒星，而是距離我們很遠的天體，其中離我們最近也至少有10億光年。（如果沒有射電望遠鏡，它們就不會被發(fā)現(xiàn)，而不知道紅移，它們的意義也不會被理解，這就是我在前一篇隨筆中討論過的“音高的重要性”。）

顯然，在這樣的距離上，即便是在我們最好的望遠鏡里，它們也必須非常明亮，才能被看到。事實上，它們的亮度必須是我們星系亮度的一百倍。自然，它們內部一定存在一些非同尋常的東西，才會產生所有這些光和所有這些無線電波。

此外，到了1963年，人們發(fā)現(xiàn)類星體亮度變化的速度，有時令人驚訝，而且光和無線電波會同時變化。這些變化很大，在一年左右的時間內都能被觀察到。

這意味著，類星體在尺寸上一定非常小。小的變化可以是由于天體限定區(qū)域的變亮和變暗引起的，但大的變化一定涉及到整體天體。如果天體作為一個整體參與進來，那么在變化的時間內，我們一定會感覺到某種效應，貫穿了天體的整個寬度。由于沒有什么效應比光更快，一年的空間內顯著的變化，就表明類星體的寬度不會超過一光年。有些類星體似乎甚至比這更小。

這種高亮度和小體積的組合，確實令人費解。

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對于這一點，可能的答案來自于，通過射電天文學對一般星系進行的研究。

如果我們通過普通的光來看星系，它們看起來會非常美麗、安靜。中心比外圍更明亮，因為恒星在中心的分布比在外圍更密集。

然而，射電天文學向我們展示，從許多星系的最核心處開始，有大量的能量穩(wěn)定地外流。在某種程度上，的確是這樣的，甚至我們自己的星系也是如此。我們無法通過光線看到自己星系的核心，因為塵埃云阻擋了我們的視線。然而，無線電波可直接穿過云層，而我們的射電望遠鏡告訴我們，核心的的體積非常小，但卻是真正的無線電波泛濫。

越來越多的天文學家認為，許多（也許是所有）星系的中心都有個大黑洞，能量是由中心的黑洞吞噬物質，甚至是吞噬整個恒星，而產生的。

由于某種原因，有些中央黑洞特別巨大，特別活躍，會產生特別泛濫的無線電波——比起我們自己那安靜而受人尊敬的星系，要多很多。在黑洞吵翻天的地方，我們就有了一個“活動星系”的稱呼。

自然，一個活動星系的核心也應該發(fā)出強度異常高的光，而且這樣的核心會比星系的其他部分明亮得多。

早在1943年，美國天文學家卡爾·塞非（Carl Seyfert）觀察了一個帶有非常小的核，且非常明亮的奇怪星系。從那時起，也發(fā)現(xiàn)了其他此類星系，它們現(xiàn)在被稱為“賽非星系”。一些天文學家認為，這些星系可能占到了所有星系的1%。

那么，類星體就可能是非常大或非常極端的塞非星系，它們非常遙遠，只能看到令人難以置信的明亮中心，這使得整個天體看起來像一顆恒星。事實上，在最近的照片中，類星體周圍的暗星云顯示得更加清晰，我們對付的很可能就是明亮的塞非星系。

類星體距離我們都很遠，沒有一個會少于10億光年的距離。一般來說，它們還要遠得多。人們很容易認為，類星體是我們宇宙中充滿活力的年輕人的產物，它們揮霍能量，很快就會將其耗盡。宇宙變老時，越來越多的類星體變暗，并平靜下來。新誕生的類星體越來越少，直到在過去的十億年里，一個也不存在了，也許未來也不會再出現(xiàn)了。

通過現(xiàn)代的探測技術，我們可以在很遠的距離上看到類星體。但是，一定會存在一個，不再能看到它們的極限。

假設大爆炸發(fā)生在150億年前。在宇宙年輕的時候，可能有一些階段，能量主導著空間。而考慮到存在的光子的密集混合，空間是不透明的。隨著宇宙的膨脹和冷卻，能量凝聚成物質，空間變得透明，最終形成了包括類星體在內的星系。

如果我們透過光學、射電或其他任何形式的望遠鏡凝視太空，我們最終會穿透到非常遙遠的，也就是很久以前地方，除了那些不透明的霧霾（標志著恒星和星系形成之前的宇宙），什么都看不見。我們會看到四面八方的霧霾，這標志著“宇宙的盡頭”。

但超越霧霾之外，一定還有大爆炸本身，而我們應該探測到來自爆炸的輻射。你可能會認為，我們看到的應該一種令人難以置信的，燦爛的輻射爆發(fā)。但它是如此之遙遠，巨大的紅移把它全部都推入了無線電波區(qū)域。

1949年，加莫提出，來自大爆炸的無線電波輻射，應該以同樣強度在太空的各個地方被探測到。美國物理學家羅伯特·亨利·迪克（Robert Henry Dicke）（1916年出生）接受了這個觀念，并將其進一步推進。

1964年，在迪克的幫助下，德裔美籍物理學家阿諾·艾倫·潘齊亞斯（Arno Allan Penzias）（1933年出生）和美國射電天文學家羅伯特·伍德羅·威爾遜（Robert Woodrow Wilson）（1936年出生）實際探測到了太空中的這種無線電波背景。這最有力地顯示出，確實發(fā)生過大爆炸。

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考慮到大爆炸的截止區(qū)域加上它周圍不透明的輻射霧霾，在極限范圍內，我們能看到的最遠的東西是什么呢？

1965年，馬爾滕·施密特（Maarten Schmidt）發(fā)現(xiàn)，類星體3C9有巨大的紅移，它必定距離我們105億光年，并以每秒24萬公里的速度遠離我們。這是光速的80%，似乎不太可能有比這更遠的天體了。

1973年，類星體OQ172的紅移得到了確定，發(fā)現(xiàn)它離我們115億光年。(順便說一下，這意味著宇宙不可能只有100億年的歷史，除非紅移被解釋為，根據哈勃公式計算的距離以外的其他東西——一些天文學家懷疑可能是這樣的。然而，他們只是少數派，即使有時聲音很高，仍然還是少數派。)

1973年之后，發(fā)現(xiàn)了大約1500個以上的類星體，但沒有一個明顯超過OQ172的記錄。

天文學家現(xiàn)在已經養(yǎng)成了一種習慣，在發(fā)射天體靜止時，根據譜線位移與原來位置的百分比來衡量紅移。將百分比除以一百，因此如果一條譜線位移為百分之100，紅移為1；如果有百分之200的位移，紅移為2；以此類推。

OQ172的紅移大約是3，但在1987年，記錄被打破了。天文學家們利用新技術掃描了天空，并選擇靠近南銀極的地方。這些區(qū)域盡可能遠離銀河系，這樣不會被灰塵遮擋，裝置可以穿透到非常深的空間。通過這種方式，又發(fā)現(xiàn)了14個紅移大于3，2個紅移大于4的類星體。事實上，現(xiàn)在已知的紅移高達4.43。

天文學家不知道是否還會發(fā)現(xiàn)更高的紅移，如果能，天文學家會發(fā)現(xiàn)自己處于一個尷尬的境地，因為最新的星系形成理論表明，它們最初形成的時間相當于數值為5的紅移。如果發(fā)現(xiàn)更高的紅移，天文學家將不得不建立星系形成的新理論。（譯者之言：2020年，中國臺灣的天文學家觀察到了紅移高達6.62的類星體。天文學家發(fā)現(xiàn)，類星體有超光速現(xiàn)象，而有人認為這只是一種宇宙假象。如果真有超光速的現(xiàn)象，我們現(xiàn)在的很多理論都會被顛覆。借用阿西莫夫先生在《宇宙的奧秘》中的一段話“宇宙中任何未被了解的部分，和科學研究中任何尚未被解決的部分，與已被了解和已被解決的部分相比，無論多小，它們都包含著原始的復雜性。因此，我們永遠都無法將其窮盡。無論我們走多遠，前方的路還是會和開始的一樣長，這就是宇宙的奧秘”，人類對宇宙的認知過程看來是無窮盡的。）

事實上，由于另一個不涉及類星體的遙遠的發(fā)現(xiàn)，無論在什么情況下，我們都可能會遇到麻煩。畢竟，類星體是一種非常特殊的星系，可能并不能代表整體。我們能看到多遠的普通星系呢？

這里遇到的問題是，普通的星系比類星體要暗得多，因而更難被發(fā)現(xiàn)。不過，現(xiàn)在有了一些新的技術，可以識別出非常暗的天體，可以讓我們看到那些，僅僅幾年前我們還無法看到的東西。

美國天文學家J·安東尼·泰森（J.Anthony Tyson）領導的一個團隊，利用智利的一個大型射電望遠鏡和一種叫做“電荷耦合裝置”的東西，記錄了這些圖像。

他們選擇了天空中的12個區(qū)域，每個區(qū)域的尺寸大約為3弧分乘5弧分，這樣每個區(qū)域大約是滿月尺寸的1/200，所有12個區(qū)域加在一起，是滿月尺寸的1/17。這12個區(qū)域的天空遠離銀河系，其中沒有任何明亮的恒星或星系。它們看上去基本上是空白空間。

然而，新技術在這些“空白空間”的每個樣本中，發(fā)現(xiàn)了多達1000個模糊的天體。在所有12個樣本中，大約有25000個天體。

這些模糊的天體不像恒星那樣是點光源，它們也不夠明亮，不足以成為類星體。給人的感覺是，它們就是普通的星系，或者至少是“原始星系”。由于在所有12個區(qū)域都有這些原始星系的聚集，所以它們也應聚集在各個地方，天空中可能有200億個這樣的原始星系。

這些天體處于“混亂的極限”。也就是說，如果還有更遠的天體（或者我們還能看到更暗的天體）的話，它們就會重疊，根本不會作為單獨的天體被看到。

這些原始星系中較亮的紅移范圍在0.7到3之間，可以得到它們的距離在70到114億光年之間。也許其中有些天體的紅移會達到4以上，這可以追溯到大爆炸后僅10億年左右的時間。

為什么它們如此緊密地聚集在一起呢？如果我們朝任何方向看出去100億光年的距離，我們看到的可能是一個，體積只有當前宇宙4%的宇宙。這個時期的宇宙中，星系的平均距離只有今天的1/25，所以它們自然會緊密地聚集在一起。

當我們在不同的方向向外看時，我們看到的是，巨大的原始星系外殼，圍繞著我們宇宙。而我們實際上是從不同的角度，看到同樣的一個小宇宙。

然而，如果遙遠的原始星系真的存在——如果它們不是儀器或解釋中，出現(xiàn)的一些難以置信的錯誤造成的話——它們就告訴我們，在大爆炸后僅十億年，星系就開始了其形成過程，并在此后大約50億或60億的時間，以漸進的速度最終形成。

由于目前關于早期宇宙發(fā)展的理論，傾向于設想星系稍晚形成，是在一次大爆炸中開始和形成的，所以我們對宇宙的看法似乎必須改變。這可能是非常令人興奮的，因為我們最終應該得到一幅更好、更令人滿意的宇宙畫面，以及一幅更接近真實的畫面。（譯者之言：關于宇宙的年齡，最新的估算為137.7億光年，誤差不超過4000萬年）

（作者：艾薩克.阿西莫夫（Isaac Asimov），譯者：勁松）