第八章 愛因斯坦的宇宙
隨著19世紀漸漸遠去，科學家們可以滿意地回想，他們已經(jīng)解開物理學的大部分謎團 。
我們略舉數(shù)例：電學、磁學、氣體學、光學、聲學、動力學及統(tǒng)計力學，都已經(jīng)在他們的面前俯首稱臣。他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了x射線、陰極射線、電子和放射現(xiàn)象，發(fā)明了計量單位歐姆、瓦特、開爾文、焦耳、安培和小小的爾格。
凡是能被振蕩的，能被加速的，能被干擾的，能被蒸餾的，能被化合的，能被稱質(zhì)量的，或能被變成氣體的，他們都做到了；在此過程中，他們提出了一大堆普遍定律。這些定律非常重要，非常神氣，直到今天我們還往往以大寫來書寫："光的電磁場理論"、"里氏互比定律"、"查理氣體定律"、"體積結(jié)合定律"、"第零定律"、"原子價概念"、"質(zhì)量作用定律"等等，多得數(shù)也數(shù)不清。整個世界丁丁當當、喀嚓喀嚓地回響著他們發(fā)明創(chuàng)造出來的機器和儀器的聲音。許多聰明人認為，科學家們已經(jīng)沒有多少事可干了。
1875年，德國基爾有一位名叫馬克斯·普朗克的年輕人猶豫不決，不知道這輩子究竟是該從事數(shù)學還是該從事物理學。人們由衷地勸他不要選擇物理學，因為物理學的重大問題都已得到解決。他們斬釘截鐵地告訴他，下個世紀將是個鞏固和提高的世紀，不是個革命的世紀。普朗克不聽，他鉆研理論物理學，潛心投入了熱力學的核心問題——熵的研究工作。
在一個雄心勃勃的年輕人看來，研究這個問題似乎很有前途。1891年，他做出了成果，卻吃驚地發(fā)現(xiàn)，關(guān)于熵的這項重要工作實際上已經(jīng)有人做過。他是耶魯大學一位離群索居的學者，名叫j.威拉德·吉布斯。
吉布斯是個很杰出的人物，但大多數(shù)人也許沒有聽說過。他行為檢束，很少拋頭露面。
除了去歐洲搞了三年研究以外，他的一輩子差不多都是在一個三個街區(qū)的范圍之內(nèi)度過的：一邊是他的家，一邊是耶魯大學在康涅狄格州紐黑文的校園。在耶魯大學的最初十年里，他連工資都懶得去領(lǐng)。（他有另外的收入。）從1871年起，他成為該大學的一名教授，直到1903年去世。在此期間，每學期選他的課的學生平均只有一名。他寫的東西晦澀難懂，經(jīng)常使用自己發(fā)明的符號，許多人覺得簡直是天書。但是，在那些神秘的公式深處，隱藏著最英明、最深刻的見解。
1875-1878年期間，吉布斯寫出了一系列論文，編成了《論多相物質(zhì)的平衡》的集子。
該書出色地闡述了近乎一切熱力學原理——用威廉·h.庫珀的話來說，包括"氣體、混合物、平面、固體、相移化學反應(yīng)、電化電池、沉淀以及滲透"。歸根結(jié)底，吉布斯想要表明，熱力學不僅適用于蒸汽機這樣的龐大而又嘈雜的范圍里的熱量和能量，而且在化學反應(yīng)的原子層面上也同樣存在，而且影響很大。吉布斯的《平衡》一直被稱為"熱力學原理"，但出于無法猜測的原因，吉布斯情愿將這些具有劃時代意義的見解發(fā)表在《康涅狄格州藝術(shù)與科學院學報》上，那是一份即使在康涅狄格州也毫無名氣的雜志。這就是為什么普朗克直到很晚的時候才聽說他的名字的原因。
普朗克沒有泄氣——哎呀，也許稍稍有點膽怯，開始把注意力轉(zhuǎn)向別的問題。1這方面的事，我們等一會兒再說，先稍稍地（而又恰當?shù)兀Q個方向，前往俄亥俄州的克利夫蘭，去一家當時被稱為凱斯實用科學學校的機構(gòu)。19世紀80年代，那里有一位剛到中年的物理學家，名叫阿爾伯特·邁克爾遜。他在他的朋友化學家愛德華·莫雷的協(xié)助之下，進行了一系列試驗。那些試驗得出了很有意思而又令人吃驚的結(jié)果，將對以后的許多事情產(chǎn)生重大的影響。
邁克爾遜和莫雷所做的——實際上是在無意之中所做的——破壞了長期以來人們對一種所謂光以太的東西的信念。那是一種穩(wěn)定、看不見、沒有重量、沒有摩擦力、不幸又完全是想像出來的媒質(zhì)。據(jù)認為，這種媒質(zhì)充滿宇宙。以太是笛卡兒假設(shè)的，牛頓加以接受，之后差不多人人都對它懷有崇敬之情，在19世紀物理學中占有絕對的中心地位，用來解釋為什么光能夠在空蕩蕩的太空里傳播。它在19世紀初尤其必不可少，因為光和電磁在這時候被看成是波，也就是說某種振動。振動必須在什么東西里面才能發(fā)生，因此，就需要一種以太，并長期認為存在一種以太。直到1909年，偉大的英國物理學家j.j.湯姆森仍堅持說："以太不是哪位愛好思索的哲學家的憑空想像，它對我們來說就像我們呼吸的空氣那樣不可缺少。"——他說這番話4年多以后，就無可爭議地確定以太并不存在?？偠灾?，人們確實離不開以太。
如果你需要說明19世紀的美國是個機會之鄉(xiāng)的理念，那么你很難再找到像阿爾伯特·邁克爾遜這樣的例子。他1852年生于德國和波蘭邊境地區(qū)的一個貧苦的猶太商人家庭，小時候隨家人來到美國，在加利福尼亞州一個淘金熱地區(qū)的礦工村里長大。他的父親在那里做干貨生意。家里太窮，他上不起大學，便來到首都華盛頓，在白宮的正門口游來晃去，希望能在尤利塞斯·s.格蘭特每天出來散步時碰上這位總統(tǒng)。（那顯然是個比較樸實的年代。）在這樣散步的過程中，邁克爾遜深深博得了總統(tǒng)的歡心，格蘭特竟然答應(yīng)免費送他去美國海軍學院學習 。就是在那里，邁克爾遜攻讀了物理學。
10年以后，邁克爾遜已經(jīng)是克利夫蘭凱斯學校的一名教授，開始有興趣測量一種名叫以太漂移的東西——運動物體穿越空間所產(chǎn)生的一種頂頭風。牛頓物理學的預(yù)言之一是，在觀察者看來，光在穿越以太過程中的速度是不一樣的，取決于觀察者是朝著還是逆著光源的方向移動。但誰也想不出對此進行測量的方法。邁克爾遜突然想到，地球有半年時間是朝著太陽的方向運動，有半年時間是逆著太陽的方向運動的。他認為，只要在相對的季節(jié)里進行仔細測量，把兩者之間光的運動速度進行比較，就能找到答案。
邁克爾遜說服電話的發(fā)明者、剛剛發(fā)了財?shù)膩啔v山大·格雷厄姆·貝爾提供資金，制造了一臺邁克爾遜自己設(shè)計的巧妙而靈敏的儀器，名叫干涉儀，用來非常精確地測定光的速度。接著，在和藹而又神秘的莫雷的協(xié)助下，邁克爾遜進行了幾年的精心測量。這是一件非常細致而又很花力氣的活兒，邁克爾遜的精神一下子完全垮了，工作不得不中斷了一段時間。
但是，到1887年，他們有了結(jié)果。而且，這個結(jié)果完全出乎這兩位科學家的意料。
加州理工大學天體物理學家基普·s.索恩寫道："結(jié)果證明，光的速度在各個方向、各個季節(jié)都是一樣的。"這是200年來——實際上恰好是200年——出現(xiàn)的第一個跡象，說明牛頓定律也許不是在任何時候、任何地方都適用的。用威廉·h.克羅珀的話來說，邁克爾遜-莫雷結(jié)果成為"很可能是物理學史上最負面的結(jié)果"。為此，邁克爾遜獲得了諾貝爾物理學獎——從而成為獲此殊榮的第一位美國人——但要過20年之后。與此同時，邁克爾遜-莫雷實驗像一股霉味那樣令人不快地浮動在科學家的腦海深處。
令人注目的是，盡管他有了這項發(fā)現(xiàn)，當20世紀來到的時候，邁克爾遜覺得自己和別人一樣，認為科學工作快要走到盡頭——用一位作者在《自然》雜志上的話來說："只要添上幾個角樓和尖頂，在房頂上刻幾處浮雕就夠了。"
當然，實際上，世界即將進入一個科學的世紀。到時候，誰都會懂得一點，誰都不會什么都懂?？茖W家快要發(fā)現(xiàn)自己在粒子和反粒子的汪洋大海里漂浮，東西瞬間存在，瞬間消失，使毫微秒時間也顯得十分緩慢，平平常常，一切都是那么古怪?？茖W正從宏觀物理學向微觀物理學轉(zhuǎn)變。前者，物體看得見，摸得著，量得出；后者，事情倏忽發(fā)生，快得不可思議，完全超出了想像的范圍。我們快要進入一個量子時代，而推動其大門的第一人就是那位迄今為止一直很倒霉的馬克斯·普朗克。
1900年，普朗克42歲，已是柏林大學的理論物理學家。他揭示了一種新的"量子理論"
，該理論認為，能量不是一種流水般連續(xù)的，而是一包包地傳送的東西，他稱其為量子。這確實是一種新奇的概念，而且是一種很好的概念。從短期來說，它能為邁克爾遜-莫雷實驗之謎提供一種解釋，因為它表明光原來不一定是一種波動。從長遠來說，它將為整個現(xiàn)代物理學奠定基礎(chǔ)。無論如何，它是第一個跡象，表明世界快要發(fā)生變化。
但是，劃時代意義的事件——一個新時代的黎明——要到1905年才發(fā)生。當時，德國的物理學雜志《物理學年鑒》發(fā)表了一系列論文，作者是一位年輕的瑞士職員。他沒有上過大學，沒有用過實驗室，通常跑的也只是伯爾尼國家專利局的小小圖書館。他是專利局的三級技術(shù)審查員。（他申請?zhí)嵘秊槎墝彶閱T，但遭到了拒絕。）
他的名字叫阿爾伯特·愛因斯坦。在那個重要的一年，他向《物理學年鑒》遞交 了五篇論文，用c.p.斯諾的話來說，其中三篇"稱得上是物理學史上最偉大的作品"——一篇使用普朗克剛剛提出的量子理論審視光電效應(yīng)，一篇論述懸浮小粒子的狀況（即現(xiàn)在所謂的布朗運動），一篇概述了狹義相對論。
第一篇解釋了光的性質(zhì)（還促使許多事情成為可能，其中包括電視），為作者贏得了一個諾貝爾獎。第二篇提供了證據(jù)，證明原子確實存在——令人吃驚的是，這個事實過去一直存在一些爭議。第三篇完全改變了世界。
愛因斯坦1879年生于德國南部的烏爾姆，但在慕尼黑長大。他的早年生活幾乎難以說明他將來會成為大人物。大家都知道，他到三歲才學會說話。19世紀90年代，他父親的電器生意破產(chǎn)，舉家遷往米蘭，但這時候已經(jīng)十來歲的阿爾伯特去了瑞士繼續(xù)他的學業(yè)——雖然他一開始就沒有通過大學入學考試。1896年，他放棄了德國籍，以免被征入伍，進入了蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學，攻讀旨在培養(yǎng)中學教師的四年制課程。他是一名聰明而又不突出的學生。
1900年，他從學校畢業(yè)，沒過幾個月就開始把論文投給《物理學年鑒》。他的第一篇論文論述（在那么多可寫的東西中偏偏論述）吸管里流體的物理學，與普朗克的量子理論發(fā)表在同一期上。從1902年到1904年，他寫出了一系列關(guān)于統(tǒng)計力學的論文，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多產(chǎn)的j.威拉德·吉布斯1901年在康涅狄格州已經(jīng)悄悄地發(fā)表了同樣的作品：《統(tǒng)計力學的基本原理》。
阿爾伯特曾愛上一位同學，一位名叫米勒娃·瑪麗奇的匈牙利姑娘。1901年，他們沒有結(jié)婚就生了個孩子，一個女兒。他們很謹慎，把孩子給了人家。愛因斯坦從沒有見過自己的孩子。兩年以后，他和瑪麗奇結(jié)了婚。在此期間，愛因斯坦接受了瑞士專利局的一個職位，在那里待了隨后的7年。他很喜歡這份工作：它很有挑戰(zhàn)性，能使他的腦子忙個不停，但又不至于轉(zhuǎn)移他對物理學的注意力。就是在這種背景下，他于1905年創(chuàng)立了狹義相對論。
《論動體的電動力學》，無論是在表達方式還是在內(nèi)容上，都是發(fā)表過的最優(yōu)秀的科學論文之一。它沒有腳注，也沒有引語，幾乎不用數(shù)學，沒有提及影響過該論文或在該論文之前的任何作品，只是對一個人的幫助致以謝意。他是專利局的一名同事，名叫米歇爾·貝索。c.p.斯諾寫道，愛因斯坦好像"全憑思索，獨自一人，沒有聽取別人的意見就得出了結(jié)論。在很大程度上，情況就是這樣"。
他著名的等式e=mc2在這篇論文中沒有出現(xiàn)，但出現(xiàn)在幾個月以后的一篇短小的補充里。你可以回憶一下學校里學過的東西，等式中的e代表能量，m代表質(zhì)量，c2代表光速的平方。
用最簡單的話來說，這個等式的意思是：質(zhì)量和能量是等價的。它們是同一東西的兩種形式：能量是獲釋的質(zhì)量；質(zhì)量是等待獲釋的能量。由于c2（光速的平方）是個大得不得了的數(shù)字，這個等式意味著，每個物體里都包含著極其大量——真正極其大量——的能量。1你或許覺得自己不大健壯，但是，如果你是個普通個子的成人 ，你那不起眼的軀體里包含著不少于7×1018焦耳的潛能——爆炸的威力足足抵得上30顆氫彈，要是你知道怎么釋放它，而且確實愿意這么做的話。每種物體內(nèi)部都蘊藏著這樣的能量。我們只是不大善于把它釋放出來而已。連一顆鈾彈——我們迄今為止制造出的能量最大的家伙——釋放出的能量還不足它可以釋放出的能量的1％，要是我們更聰明點的話。
其中，愛因斯坦的理論解釋了放射作用是怎么發(fā)生的：一塊鈾怎么源源不斷地釋放出強輻射能量，而又不像冰塊那樣融化。（只要把質(zhì)量極其有效地轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚@是辦得到的：e=mc2。）該理論解釋了恒星為什么可以燃燒幾十億年而又不把燃料用盡。（同上。）愛因斯坦用一個簡單的公式，一下子使地質(zhì)學家和天文學家的視界開闊了幾十億年。該理論尤其表明，光速是不變的，最快的，什么速度也超不過它。因此，這使我們一下子弄清了宇宙性質(zhì)的核心。而且，該理論還解決了光以太的問題，說明它并不存在。愛因斯坦的宇宙不需要以太。
物理學家一般不大重視瑞士專利局職員發(fā)表的東西，因此盡管提供的信息又多又有用，愛因斯坦的論文并沒有引起多少注意。由于剛剛解開宇宙中幾個最難解開的謎團 ，愛因斯坦申請大學講師的職位，但是遭到拒絕，接著又申請中學教師的職位，再次遭到拒絕。于是，他重新干起三級審查員的活兒——不過，他當然沒有停止思索。他離大功告成還遠著呢。
有一次，詩人保羅·瓦萊里問愛因斯坦，他是不是隨身帶著個筆記本記錄自己的思想，愛因斯坦稍稍而又著實吃驚地看了他一眼。"哦，那是沒有必要的，"他回答說，"我極少帶個筆記本。"我無須指出，要是他真的帶個本子的話，倒是很有好處的。愛因斯坦的下一個點子，是一切點子中最偉大的點子——布爾斯、莫茨和韋弗在他們很有創(chuàng)見的原子科學史中說，這確實是最最偉大的點子。"作為一個腦子的獨創(chuàng)，"他們寫道，"這無疑是人類最高的智力成就。"這個評價當然很高。
1907年，反正有時候書上是這么寫的，有個工人從房頂上掉了下來，愛因斯坦就開始考慮引力的問題。天哪，像許多動人的故事一樣，這個故事的真實性似乎存在問題。據(jù)愛因斯坦自己說，他想到引力問題的時候，當時只是坐在椅子上。
實際上，愛因斯坦想到的更像是開始為引力問題找個答案。他從一開頭就清楚地認識到，狹義相對論里缺少一樣東西，那就是引力。狹義相對論之所以"狹義"，是因為它研究的完全是在無障礙的狀態(tài)下運動的東西。但是，要是一個運動中的東西——尤其是光——遇到了比如引力這樣的障礙會怎么樣？在此后10年的大部分時間里，他一直在思索這個問題，最后于1917年初發(fā)表了題為《關(guān)于廣義相對論的宇宙學思考》的論文。當然，1905年的狹義相對論是一項深刻而又重要的成就。但是，正如c.p.斯諾有一次指出的，要是愛因斯坦沒有想到，別人也會想到，很可能在5年之內(nèi)。這是一件在等著要發(fā)生的事。但是，那個廣義相對論完全是另一回事。"沒有它，"斯諾在1979年寫道，"我們今天有可能還在等待那個理論。"
愛因斯坦常手拿煙斗，和藹可親，不愛露面，一頭亂發(fā)，真是個非凡人物。這樣的人物不可能永遠默默無聞。1919年，戰(zhàn)爭結(jié)束了，世界突然發(fā)現(xiàn)了他。幾乎同時，他的相對論以普通人無法搞懂出了名?！都~約時報》決定寫一篇報道——由于永遠令人想不通的原因——派了該報一個名叫亨利·克勞奇的高爾夫運動記者去負責這次采訪，結(jié)果正如戴維·博丹尼斯在他出色的《e=mc2》一書中指出的，根本不解決問題。
這次采訪令克勞奇力不從心，他差不多把什么都搞錯了。他的報道里有許多令人難忘的錯誤，其中之一，他斷言，愛因斯坦找了個膽子很大的出版商，敢于出版一本全世界只有12個人看得懂的書。當然，根本不存在這樣的書，根本不存在這樣的出版商，也根本不存在這么狹小的學術(shù)界，但這種看法已深入了人心。過不多久，在人們的想像中，搞得懂相對論的人數(shù)又少了許多——應(yīng)當指出，科學界對這種神話沒有去加以澄清。
有一位記者問英國天文學家阿瑟·愛丁頓，他是不是真的就是世界上僅有的三個能理解愛因斯坦的相對論的人之一。愛丁頓認真地想了片刻，然后回答說："我正在想誰是第三個人呢。"實際上，相對論的問題并不在于它涉及許多微分方程、洛倫茲變換和其他復雜的數(shù)學（雖然它確實涉及——有的方面連愛因斯坦也需要別人幫忙），而是在于它不是憑直覺所能完全搞懂的。
實質(zhì)上，相對論的內(nèi)容是：空間和時間不是絕對的，而是既相對于觀察者，又相對于被觀察者；一個人移動得越快，這種效果就越明顯。我們永遠也無法將自己加速到光的速度；相對于旁觀者而言，我們越是努力（因此我們走得越快），我們的模樣就越會失真。
幾乎同時，從事科學普及的人想要設(shè)法使廣大群眾弄懂這些概念。數(shù)學家和哲學家羅素寫的《相對論abc》就是一次比較成功的嘗試——至少在商業(yè)上可以這么說。羅素在這本書里使用了至今已經(jīng)多次使用過的比喻。他讓讀者想像一列90米長的火車在以光速的60％行駛。對于立在站臺上望著它駛過的人來說，那列火車看上去會只有70余米長，車上的一切都會同樣縮小。要是我們聽得見車上的人在說話，他們的聲音聽上去會含糊不清，十分緩慢，猶如唱片放得太慢，他們的行動看上去也會變得很笨拙。連車上的鐘也會似乎只在以平常速度的五分之四走動。
然而——問題就在這里——車上的人并不覺得自己變了形。在他們看來，車上的一切似乎都很正常。倒是立在站臺上的我們古怪地變小了，動作變慢了。你看，這一切都和你與移動物體的相對位置有關(guān)系。
實際上，你每次移動都會產(chǎn)生這樣的效果。乘飛機越過美國，你會用大約一百億億分之一秒踏出飛機，比在你后面離開飛機的人要年輕一些。即使從屋子的這頭走到那頭的時候，你自己所經(jīng)歷的時間和空間也會稍有改變。據(jù)計算，一個以每小時160公里的速度拋出去的棒球，在抵達本壘板的過程中會獲得0.000000000002克物質(zhì)。因此，相對論的作用是具體的，可以測定的。問題在于，這種變化太小，我們毫無察覺。但是，對于宇宙中別的東西來說——光、引力、宇宙本身——這些就都是舉足輕重的大事了。
因此，如果說相對論的概念好像有點兒怪，那只是因為我們在正常的生活中沒有經(jīng)歷這類相互作用。不過，又不得不求助于博尼丹斯，我們大家都經(jīng)常遇到其他種類的相對論——比如聲音。要是你在公園里，有人在演奏難聽的音樂，你知道，要是你走得遠一點，音樂好像就會輕一點。當然，那并不是因為音樂真的輕了點，而只是因為你對于音樂的位置發(fā)生了變化。對于體積很小的或行動緩慢的，因此無法有同樣經(jīng)歷的東西來說——比如蝸牛——也許難以置信，一個喇叭似乎同時能對兩個聽眾放出兩種音量的音樂。
在"廣義相對論"的眾多概念中，最具挑戰(zhàn)性的，最直覺不到的，在于時間是空間的組成部分這個概念。我們本能地把時間看做是永恒的，絕對的，不可改變的，相信什么也干擾不了它的堅定步伐。事實上，愛因斯坦認為，時間是可以更改的，不斷變化的。時間甚至還有形狀。一份時間與三份空間結(jié)合在一起——用斯蒂芬·霍金的話來說是"無法解脫地交 織在一起"——不可思議地形成一份"時空"。
通常，時空是這樣解釋的：請你想像一樣平坦而又柔韌的東西——比如一塊地毯或一塊伸直的橡皮墊子——上面放個又重又圓的物體，比如鐵球。鐵球的重量使得下面的底墊稍稍伸展和下陷。這大致類似于太陽這樣的龐然大物（鐵球）對于時空（底墊）的作用：鐵球使底墊伸展、彎曲、翹起?，F(xiàn)在，要是你讓一個較小的球從底墊上滾過去，它試圖做直線運動，就像牛頓運動定律要求的那樣。然而，當它接近大球以及底墊下陷部分的時候，它就滾向低處，不可避免地被大球吸了過去。這就是引力——時空彎曲的一種產(chǎn)物。
凡有質(zhì)量的物體在宇宙的底墊上都能造成一個小小的凹坑。因此，正如丹尼斯·奧弗比說的，宇宙是個"最終的下陷底墊"。從這個觀點來看，引力與其說是一種東西，不如說是一種結(jié)果——用物理學家米奇奧·卡庫的話來說："不是一種力，而是時空彎曲的一件副產(chǎn)品。"卡庫接著又說："在某種意義上，引力并不存在；使行星和恒星運動的是空間和時間的變形。"
當然，以下陷的底墊來作比喻，只能幫助我們理解到這種程度，因為沒有包含時間的作用。話雖這么說，其實我們的大腦也只能想像到這個地步。若要想像空間和時間以3∶1的比例像線織成一塊格子地墊那樣織成一份時空，這幾乎是不可能的。無論如何，我想我們會一致認為，對于一位凝視著瑞士首都專利局窗外的年輕人來說，這確實是個了不起的見解。
愛因斯坦的廣義相對論提出了許多見解。其中，他認為，宇宙心總是或者膨脹或者收縮的。但是，愛因斯坦不是一位宇宙學家，他接受了流行的看法，即宇宙是固定的，永恒的。
多少出于本能，他在自己的等式里加進了他所謂的宇宙常數(shù)。他把它作為一種數(shù)學暫停鍵，武斷地以此來抵消引力的作用?？茖W史書總是原諒愛因斯坦的這個失誤，但這其實是科學上一件很可怕的事。他把它稱之為"我一生中所犯的最大錯誤"。
說來也巧，大約就在愛因斯坦為自己的理論添上一個常數(shù)的時候，在亞利桑那州的洛厄爾天文臺，有一位天文學家在記錄遠方恒星的光譜圖上的讀數(shù)，發(fā)現(xiàn)恒星好像在離我們遠去。該天文學家有個來自星系的動聽名字：維斯托·斯萊弗（他其實是印第安納州人）。原來，宇宙不是靜止的。斯萊弗發(fā)現(xiàn)，這些恒星明確顯示出一種多普勒頻移的跡象——跟賽車場上飛馳而過的汽車發(fā)出的那種連貫而又特有的"嚓——嗖"的聲音屬于同一機制。1這種現(xiàn)象也適用于光；就不停遠去的星系而言，它被稱之為紅移（因為離我們遠去的光是向光譜的紅端移動的，而朝我們射來的光是向藍端移動的）。
斯萊弗第一個注意到光的這種作用，意識到這對將來理解宇宙的運動十分重要。不幸的是，誰也沒有太多注意他。你會記得，珀西瓦爾·洛厄爾在這里潛心研究過火星上的運河，因此洛厄爾天文臺是個比較獨特的地方。到了20世紀的前10年，它在任何意義上都成了研究天文的前哨陣地。斯萊弗不知道愛因斯坦的相對論，世界也同樣不知道斯萊弗，因此，他的發(fā)現(xiàn)沒有影響。
榮譽反而屬于一個非常自負的大人物，他的名字叫埃德溫 ·哈勃。哈勃1889年生于歐扎克高原邊緣的一個密蘇里州小鎮(zhèn)，比愛因斯坦小10歲；他在那里及芝加哥郊區(qū)伊利諾伊的惠頓長大。他的父親是一名成功的保險公司經(jīng)理，因此家里的生活總是很優(yōu)裕。埃德溫 還天生有個好的身體。他是個有實力、有天賦的運動員，魅力十足，時髦瀟灑，相貌堂堂——用威廉·h.克羅珀的話來說，"英俊到了不適當?shù)某潭?；用另一位崇拜者的話來說，"美得像美神阿多尼斯"。用他自己的話來說，他生活中還經(jīng)常干一些見義勇為的事——搶救落水的人；領(lǐng)著嚇壞了的人穿越法國戰(zhàn)場，把他們帶到安全的地方；在表演賽中幾下子就把世界冠軍級的拳擊手打倒在地，弄得他們不勝難堪。這一切都好得簡直令人難以置信，但都是真的。盡管才華出眾，但哈勃也是個頑固不化的說謊大王。
這就很不尋常了，因為哈勃的生活中從小就充滿真正的奇特之處，有時候簡直令人難以置信地出類拔萃。僅在1906年的一次中學田徑運動會上，他就贏得了撐桿跳高、鉛球、鐵餅、鏈球、立定跳高、助跑跳高的冠軍，還是接力賽跑獲勝隊的成員——那就是說，他在一次運動會上獲得了7個第一名。同年，他創(chuàng)造了伊利諾伊州跳高記錄。
作為一名學者，他也是出色得不得了，不費吹灰之力就考上芝加哥大學，攻讀物理學和天文學（說來也巧，系主任就是阿爾伯特·邁克爾遜）。他在那里被選為牛津大學的首批羅茲獎學金獲得者之一。3年的英國生活顯然沖昏了他的頭腦。1913年他返回惠頓的時候，披著長披風，銜著煙斗，說起話來怪腔怪調(diào)，滔滔不絕——不大像英國人，而又有點像英國人——這種模樣他竟保留終生。他后來聲稱，他在20世紀20年代的大部分時間里一直在肯塔基州當律師，但實際上他在印第安納州新奧爾巴尼當中學教師和籃球教練，后來才獲得博士學位，并在陸軍待了很短時間。（他是在簽訂停戰(zhàn)協(xié)定前一個星期抵達法國的，幾乎肯定沒有聽到過憤怒的槍炮聲。）
1919年，他已經(jīng)30歲。他遷到加利福尼亞州，在洛杉磯附近的威爾遜山天文臺找了個職位。非常出人意料的是，他很快成為20世紀最杰出的天文學家。
讓我們稍停片刻，先來考慮一下當時人們對宇宙的了解是如何少得可憐，這是值得的。
今天的天文學家認為，在可見的宇宙里也許有1400億個星系。這是個巨大的數(shù)字，比你聽了這話認為的還要巨大得多。假如把一個星系比做一粒凍豆子，這些豆子就可以塞滿一個大禮堂——比如，老波士頓花園或皇家艾伯特大廳。（有一位名叫布魯斯·格雷戈里的天體物理學家還真的計算過。）1919年，當哈勃第一次把腦袋伸向望遠鏡的時候，我們已知的星系數(shù)只有一個：銀河系。其他的一切要么被認為是銀河系的組成部分，要么被認為是遠方天際眾多氣體中的一團 氣體。哈勃很快證明這種看法是極其錯誤的。
在之后的10年里，哈勃著手研究有關(guān)宇宙的兩個最基本的問題：宇宙已經(jīng)存在多久？宇宙的范圍有多大？為了回答這兩個問題，首先必須知道兩件事——某類星系離我們有多遠，它們在以多快的速度遠離我們而去（即現(xiàn)在所謂的退行速度）。紅移能使我們知道星系后退的速度，但不能使我們知道它們離得有多遠。為此，你需要有所謂的"標準燭光"——即準確測得的某個恒星的亮度，作為測算其他恒星的亮度（并由此計算其相對距離）的基準。
哈勃的好運氣來了。此前不久，有一位名叫亨利埃塔·斯旺·萊維特的才女想出了一種找到這類恒星的方法。萊維特在哈佛大學學院天文臺擔任當時所謂的計算員。計算員終生研究恒星的照片并進行計算——計算員由此得名。計算員不過是個干苦活的代名詞。但是，在那個年代，無論在哈佛大學，還是在任何地方，這是婦女離天文學最近的地方。這種制度雖然不大公平，但也有某個意想不到的好處：這意味著半數(shù)最聰明的腦子會投入本來不大會有人來動腦子的工作，確保婦女最終能覺察到男同事們往往會疏忽的宇宙之細微結(jié)構(gòu)。
有一位名叫安妮·江 普·坎農(nóng)的哈佛大學計算員利用她熟悉恒星的有利條件，發(fā)明了一種恒星分類系統(tǒng)。這種系統(tǒng)如此實用，直到今天還在使用。萊維特的貢獻更加意義深遠。她注意到，有一種名叫造父變星（以仙王星座命名，第一顆造父變星就是在那里發(fā)現(xiàn)的）的恒星在有節(jié)奏地搏動——一種星體的"心跳"。造父變星是極少見的，但至少其中之一是我們大多數(shù)人所熟悉的。北極星就是一顆造父變星。
我們現(xiàn)在知道，造父變星之所以搏動，是因為——用天文學家的行話來說——它們已經(jīng)走過"主序階段"，變成了紅巨星。紅巨星的化學過程有點兒難懂，已經(jīng)超出了本書的宗旨（它要求了解很多東西，其中之一就是單離子化的氦原子的性質(zhì)）。但是，簡而言之，在燃燒剩余的燃料的過程中，它們產(chǎn)生了一種很有節(jié)奏、不停地一亮一暗的現(xiàn)象。萊維特的天才在于，她發(fā)現(xiàn)，通過比較造父變星在天空中不同角度的大小，就可以計算出它們之間的相對位置。它們可以被作為標準燭光——這個名稱也是她創(chuàng)造的，現(xiàn)在依然廣泛使用。用這種方法得到的只是相對距離，不是絕對距離。但是，即使這樣，這也是第一次有人想出了一個計算浩瀚宇宙的實用方法。
（為了合理評價這些深邃的見解，也許值得注意的是，當萊維特和坎農(nóng)在根據(jù)照片上遠方星星的模糊影子推定宇宙的基本特性的時候，哈佛大學的天文學家威廉·h.皮克林——他當然能從一流的天文望遠鏡里想觀察多少次就觀察多少次——卻在建立自己的理論，認為月球上的黑影是由大群大群的、隨著季節(jié)遷徙的昆蟲形成的。）
哈勃把萊維特測量宇宙的標準和維斯托·斯萊弗的紅移結(jié)合起來，開始以煥然一新的目光有選擇地測量空間的點。1923年，他證明，仙女座里一團 代號為m31的薄霧狀的東西根本不是氣云，而是一大堆光華奪目的恒星，其本身就是一個星系，直徑有1萬光年，離我們至少有90萬光年之遠。宇宙比任何人想像的還要大——大得多。1924年，哈勃寫出了一篇具有劃時代意義的論文，題目為《旋渦星云里的造父變星》（"星云"源自拉丁語，意為"云"，哈勃喜歡用這個詞來指星系），證明宇宙不僅僅有銀河系，還有大量獨立的星系——"孤島宇宙"——其中許多比銀河系要大，要遠得多。
僅僅這一項發(fā)現(xiàn)就足以使哈勃名揚天下，但是，他接著把注意力轉(zhuǎn)向另一個問題，想要計算宇宙到底大了多少，于是有了一個更加令人矚目的發(fā)現(xiàn)。哈勃開始測量遠方星系的光譜——斯萊弗已經(jīng)在亞利桑那州開始做的那項工作。他利用威爾遜山天文臺那臺新的254厘米天文望遠鏡，加上一些聰明的推斷，到20世紀30年代初已經(jīng)得出結(jié)論：天空中的所有星系（除我們自己的星系以外）都在離我們遠去。而且，它們的速率和距離完全成正比：星系距離我們越遠，退行速率越快。
這的確是令人吃驚的。宇宙在擴大，速度很快，而且朝著各個方向。你無須有多么豐富的想像力就能從這點往后推測，發(fā)現(xiàn)它必定是從哪個中心點出發(fā)的。宇宙遠不是穩(wěn)定的，固定的，永恒的，就像大家總是以為的那樣，而是有個起點。因此，它或許也有個終點。
正如斯蒂芬·霍金指出的，奇怪的是以前誰也沒有想到要解釋宇宙。一個靜止的宇宙會自行坍縮，這一點牛頓以及之后的每個有頭腦的天文學家都應(yīng)當明白。還有一個問題：要是恒星在一個靜止的宇宙里不停燃燒，就會使整個宇宙酷熱難當——對于我們這樣的生物來說當然是太熱了。一個不斷膨脹的宇宙一下子把這個問題基本解決了。
哈勃擅長觀察，不大擅長動腦子，因此沒有充分認識到自己的發(fā)現(xiàn)的重大意義。在一定程度上，那是因為他可悲地不知道愛因斯坦的廣義相對論。這是很有意思的，因為一方面愛因斯坦和他的理論在這時候已經(jīng)世界聞名，另一方面，1929年，阿爾伯特·邁克爾遜——這時候已經(jīng)進入暮年，但仍是世界上最敏銳、最受人尊敬的科學家之一——接受了威爾遜山天文臺的一個職位，用他可靠的干涉儀來測量光的速度，至少可以肯定已經(jīng)向哈勃提到過，愛因斯坦的理論適用于他的發(fā)現(xiàn)。
無論如何，哈勃沒有抓住機會在理論上有所收獲，而是把機會留給了一位名叫喬治·勒梅特的比利時教士學者（他獲得過麻省理工學院的博士學位）。勒梅特把實踐和理論結(jié)合起來，創(chuàng)造了自己的"煙火理論"。該理論認為，宇宙一開始是個幾何點，一個"原始的原子"；它突然五彩繽紛地爆發(fā)，此后一直向四面八方散開。這種看法極好地預(yù)示了現(xiàn)代的大爆炸理論，但要比那種理論早得多。因此，除了在這里三言兩語提他一下以外，勒梅特幾乎沒有取得別的進展。世界還需要幾十年時間，還要等彭齊亞斯和威爾遜在新澤西州咝咝作響的天線上無意中發(fā)現(xiàn)宇宙背景輻射，大爆炸才會從一種有趣的想法變成一種固定的理論。
無論是哈勃還是愛因斯坦，哪條大新聞里都不會提及多少。然而，盡管當時他們誰也想不到，他們已經(jīng)作出自己所能作出的貢獻。
1936年，哈勃寫出了一本廣受歡迎的書，名叫《星云王國》。他在這本書里以得意的筆調(diào)闡述了自己的重要成就，并終于表明他知道愛因斯坦的理論——反正在某種程度上：在大約200頁的篇幅中，他用了4頁來談?wù)撨@種理論。
1953年，哈勃心臟病發(fā)作去世。然而，還有最后一件小小的怪事在等待著他。出于秘而不宣的原因，他的妻子拒絕舉行葬禮，而且再也沒有說明她怎么處理了他的遺體。半個世紀以后，該世紀最偉大的天文學家的去向仍然無人知道。若要表示紀念，你非得遙望天空，遙望1990年美國發(fā)射的、以他的名字命名的哈勃天文望遠鏡。
