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最终让大爆炸理论引起人们注意的不是一个新研究，而是一次新观测。埃德温·哈勃发现系外星系后，人们很自然地想测出它们在空间中的分布和运动情况。我在前面章节里提到过，物体朝我们而来或离我们而去的速度通常很容易测量，因为这种运动会导致它的光谱线发生移动。彩虹中，频率最低的是红光，所以，如果星系正在离我们远去，它的所有光谱线将发生红移，也就是向红色的一端移动。远去的速度越快，红移的程度越高。如果星系正在朝我们而来，它将发生蓝移，光谱线移向蓝色的一端。
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假如漫天的星系只是在随机地乱动，我们会发现，一半星系在红移，另一半在蓝移。但令人吃惊的是，哈勃发现，几乎所有的星系都在红移。为什么它们全都离我们而去呢？难道它们不喜欢我们吗？是我们说了什么不好的话吗？不仅如此，哈勃还发现，星系与我们的距离（d）越远，远离我们的速度（v）就越快，并遵循下面这个公式：
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v=Hd
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这个公式被我们称为“哈勃定律”，其中的H是一个常数，被称为“哈勃常数”。在哈勃1929年发表的学术论文中，这个常数用一个谦逊的字母“K”表示。有趣的是，乔治·勒梅特在那篇被忽视的论文中，也预测过膨胀宇宙会出现类似的现象——如果一切都在膨胀，一切都在相互远离，那越远的星系就远离得越快。
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如果一个星系正在远离我们，它过去一定与我们十分靠近。但那又是多久以前呢？如果银行抢劫犯跳上一辆车，逃离犯罪现场，你只需要用距离除以车的速度，就能判断出抢劫发生的时间。如果我们用同样的方法计算后退的星系，根据哈勃定律，每个星系的“案发时间”都是d/v=1/H！用现代观测方法，我们知道1/H≈140亿年。所以，哈勃的发现意味着在140亿年前的某一刻，发生了一件相当不同凡响的事——大量物质挤成一堆，密度高得不得了。但是，正如车速不是一成不变的一样，宇宙的膨胀也可能有快有慢。考虑到这个，我们需要对结论进行修正。今天，我们用弗里德曼方程和现代观测方法发现，需要修正的幅度非常小，只占一点点比例——原来，大爆炸之后，我们的宇宙用了一半的时间来减速膨胀，又用了一半的时间来加速膨胀，所以误差就被抵消了。
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想要扩张，就得从别处抢
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哈勃的观测结果公布以后，连爱因斯坦都心服口服。现在，宇宙膨胀已是被广泛接受的事实。可是，宇宙膨胀意味着什么呢？现在，我们准备回答第1章开头时提出的其中4个问题。
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首先看问题8：星系是真的在远离我们，还是仅仅只是空间在膨胀？为方便起见，爱因斯坦的广义相对论认为这两个观点是等价的，因为它们描述宇宙时同样有效（见图2-2），所以你可以自由选择更加符合你直觉的那一个[4]。第一种观点（见图2-2左图）认为，空间并没有变化，只是星系相对于空间在运动，就像烤麦芬蛋糕时，由于你在黄油中加入了发酵粉，所以麦芬蛋糕会膨胀，导致上面的巧克力片相互远离。和巧克力片一样，所有的星系也都在相互远离，并且距离越远的星系，相互远离的速度就越快。尤其是，如果你站在其中一颗巧克力片（或星系）上，你就能感受到其他巧克力片（或星系）与你之间的相对运动符合哈勃定律——它们后退着，两倍远的星系的退行速度也翻一倍。值得注意的是，不管你站在哪颗巧克力片（或星系）上，结果都是一样的。所以，如果星系在空间中的分布无穷无尽，那宇宙膨胀就没有一个中心点——因为无论从哪里看，它都是一样的。
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而从第二种观点来看，空间很像麦芬蛋糕的面团——面团会膨胀，但巧克力片与面团之间没有发生相对运动。同样，第二种观点认为星系与空间之间也没有发生相对运动。星系在空间中的位置是稳定的（见图2-2右图），但它们之间的距离却被改写了。这就好像星系间存在一把假想的尺子，空间膨胀后，尺子上的刻度单位必须擦掉重写，如果把刻度由毫米改成厘米，那所有星系之间的距离都是以前的10倍。
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这又回答了第1章开头的问题7：星系的退行速度比光速还快，这不违背相对论吗？哈勃定律v=Hd告诉我们，当星系远在c/H≈140亿光年外时，它的退行速度将超过光速c，而我们没有理由怀疑这些星系的存在。这与爱因斯坦在相对论中所说的“没有物体的速度能超过光速”相违背吗？答案是肯定的，但同时也是否定的——它确实违背了爱因斯坦发表于1905年的狭义相对论，但并不违背他发表于1915年的广义相对论，而后者才是爱因斯坦对这个问题的最后结论。所以，不用太担心。广义相对论解放了速度的上限；狭义相对论认为，无论在什么情况下，两个物体之间的相对速度都不可能超过光速。但在广义相对论中，只有两个物体位于同一地方时，相对速度才不可能超过光速——与之不同的是，那些相对我们做超光速运动的星系都位于非常遥远的地方。所以，如果考虑到空间的膨胀，那我们就需要重新表述一下——任何物体都不能相对空间做超光速运动，但空间本身可以被随意拉伸，不管多快都行。
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说到遥远的星系，我曾在报纸上读到过，有些星系距离我们有300亿光年远。第1章开头的问题6：如果宇宙的年龄只有140亿年，那我们如何能看到300亿光年远的东西？它们的光线是怎么到达我们的？此外，我们刚刚知道它们正以超光速的速度后退，这样一来就更不可能看见它们了。答案是，我们看见的并不是它们现在的样子，而是它们发出这些光线的时候。正如我们看见的太阳是8分钟以前的太阳一样，我们看见的遥远星系也是它在130亿年前的样子，它的位置也是130亿年前的位置——那时它与地球的距离比现在近8倍！所以，这个星系发出的光线根本不需要在空间中旅行130亿光年才到达地球，因为宇宙膨胀造成了这个差别——这就好像你在自动扶梯上只走了一步，但实际上已经移动了20米。
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一切都是演化的造物
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在星系都离我们远去的遥远地方，空间会不会因为膨胀而挤在一起，发生宇宙大撞车？不用担心。如果宇宙的膨胀遵循弗里德曼方程，就不会发生这样的事故。如图2-2所示，不管从哪个方向看过去，空间膨胀都是完全一样的，所以不会出现这种碰撞点。如果你赞同“遥远星系相对一个静止的空间在后退”的观点，那它们就不会和更遥远的星系相撞，因为那些星系比它们后退得更快——福特T型车永远无法追尾飞驰的保时捷。如果你赞同“空间在膨胀”的观点，那答案很简单——体积是不守恒的。读一读中东局势，你就会习惯这样的观点：想要扩张自己的地盘，就得从别人那里抢。然而，广义相对论的结论却与之不同——在星系间的区域中，可以创生出更多的空间，而不用挤占其他空间。新的空间会乖乖地待在原来这些星系之间（见图2-2右图）。
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宇宙大讲堂
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尽管宇宙暴胀理论听起来很疯狂，并且违背直觉，但它不仅符合逻辑，而且与天文观测相吻合。实际上，自埃德温·哈勃的时代以来，我们已经累积了相当多的观测证据，这要感谢现代观测技术和我们接下来要讨论的新发现。最基本的结论是，宇宙本身在不停地改变。当我们回望数十亿年前，你会发现一个膨胀得不是很厉害的宇宙，因此它也相当致密和拥挤。这表明，我们所栖身的空间并不是一成不变、像欧几里得的定理一样那般枯燥。相反，它是一个动态演进的空间，甚至曾经有过“童年时代”——它诞生在大约140亿年前。
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如今，望远镜技术已经非常先进，让我们能直接看到宇宙的演化。
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想象你在一个宽敞的大讲堂里演讲。突然，你注意到观众席上一件很有意思的事——离你最近的观众席上，坐的全是和你差不多岁数的人。但是，第10排以后，观众全变成了青少年。在青少年的后面，是一些年幼的小孩。再往后，是蹒跚学步的幼儿。倒数第二排，竟是一些嗷嗷待哺的婴儿。而礼堂的最后一排，在你看来空空如也，什么也没有。
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当你用最先进的望远镜观察宇宙时，你也会看到类似的情境——附近是一些和银河系类似的大型成熟星系；但在极其遥远的地方，大部分星系都是很小的“婴儿”，看起来还没有完全发育好；再远处，则空空如也，完全没有星系，只是一片黑暗的深渊。由于遥远的光需要很长时间才能到达地球，所以，望向宇宙的远方也就等同于望向过去的时间。那片没有星系的黑暗深渊，就是第一代星系出现之前的纪元。那时候，空间中充满了氢气和氦气，万有引力还没来得及将它们压缩成星系。由于这些气体都是透明的，就像生日派对气球里充满的氦气一样，所以，在望远镜看来，它们是隐形的。
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忽然，你又突然发现了一个秘密：在你演讲时，在空空如也的最后一排，竟然释放出能量。原来，最后的黑墙并不是完全的黑暗，而是在隐隐闪着黯淡的微波！这是为什么？听起来很诡异，但这正是我们凝视宇宙最深处时所能看到的情景！为了理解这件事，我们需要把时间继续往回推进。
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宇宙最深处，一窥微波的神秘
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从牛顿和爱因斯坦身上，我学到了一个非常关键的准则：“要敢于推演！”具体地说，就是把你已知的物理定律，运用在无人涉足过的全新领域，看看是否能推断出什么有趣的结果，并可用观测来验证。牛顿把伽利略在地球上建立的运动定律运用在了月球及更远的物体上；弗里德曼则将爱因斯坦关于太阳系的引力和运动定律推演到了整个宇宙。这个准则是如此成功，你可能会认为它一定是科学界的“模因”（meme），像基因一样代代相传。你也可能会认为，1929年，当弗里德曼的宇宙膨胀理论终于被人们接受后，全世界的科学家一定争先恐后地展开系统性的研究，推演时间的开端。如果你真这么认为，那就大错特错了……不管我们科学家如何强调自己是真相的理性追随者，我们都难以克服人类的小缺点，比如偏见、同侪压力和从众心理。这些缺陷，远不是仅靠数学天赋就可以战胜的。
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我认为，继弗里德曼之后的第二个宇宙学大师，依然是一个俄罗斯人——乔治·伽莫夫。他在列宁格勒时的博士生导师不是别人，正是亚历山大·弗里德曼。尽管弗里德曼只指导了伽莫夫两年就仙逝了，但他的勇气和智慧却被伽莫夫继承了下去。
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宇宙“等离子屏幕”
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由于宇宙正在膨胀，在过去它一定比现在更拥挤和稠密。然而，它一直以来都是在膨胀吗？也许并不是。弗里德曼的研究中包含一种可能性——宇宙可能曾经处在收缩的状态，收缩的速度越来越慢，朝我们飞来的物质缓缓地慢下来，停在那里，然后开始反弹，并加速远离我们。然而，这样的宇宙大反弹只会发生在物质密度远比今天小的情况下。于是，伽莫夫决定对另一种可能性进行系统探索。这种可能性更一般，也更彻底：宇宙从一开始就在膨胀，从来没有收缩过。
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伽莫夫在他1946年写的书中解释说，如果我们把宇宙想象成一部电影，当我们把它逆着时间往回放，会发现密度越来越大，大到简直没有极限。由于星系间的空间充满了氢气，随着我们逆着时间往回放，这些气体会被压缩得越来越厉害，也越来越热。这就好像，如果你加热一块冰块，它会融化。继续加热融化后的冰水，它会蒸发变成气体——水蒸气。与之类似，如果你不停地加热氢气，它会变成第四种状态——等离子体。为什么会这样呢？这是因为，氢原子的结构很简单，只是一个电子围绕着一个质子旋转，氢气就是这样一堆原子相互撞来撞去的结果。如果温度足够高，撞击会变得极其猛烈，以至于原子都被撞碎了，电子和质子分道扬镳、各走各路——氢等离子体就是一锅由自由电子和质子熬成的粥。
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