重复一遍：我们对于遥远宇宙的一切了解，都来自我们所见到的光。

要解开它所携带的信息，理解其背后所隐藏的秘密，我们就需要知道光究竟能够携带什么信息，以及它如何与它在太空旅途中遇到的物质及其基本构件——原子——之间的相互作用。

在本书后一部分，你将进入原子，去看看我们所知道的一切物质的基本构件是什么样子的，但是现在，让我们把原子描述成一个球形的原子核被其转动的电子所围绕就行了。这些电子在原子核周围形成分层。

人们很容易把这幅图景想象成行星围绕恒星的旋转运动，但这是错误的——在英语里，电子绕着原子核旋转的轨道的术语是orbital，而非行星轨道的orbit。

只要速度合适，理论上行星可以在任意距离的轨道上围绕其恒星运行，但对于电子来说基本上不是这样。与行星轨道相反，电子轨道被电子禁入区所分隔，在这些区域内电子无法存在。不过，电子可以轻易地——甚至是自发地——跨越这些禁入区，从一个轨道跳跃到另外一个轨道。

然而，电子实现跃迁并不是不付出代价的。

电子从一个轨道转换到另一个轨道，要么必须吸收能量，要么必须释放能量。

电子离原子核越远，其所携带的能量就越高。因此当一个电子从离原子核较近的轨道跳跃到另一个较远的轨道时，它必须吸收一些能量，就像一只热气球必须加足火焰以供应更多热气才能升到天空更高的地方那样。

相反，要移到离原子核更近的轨道，电子需要释放一些能量，就像热气球释放一些热气以便飞得离地面更近一些。

那么，这个能量从何而来呢？

它来自光，电子通过吸收或释放光来实现从一个轨道跳跃到另一个轨道。

但并不是任何光都行。

电子需要吸收或释放特定数量的能量，也就是特定的光射线，才能够跨越电子禁入区，从一个轨道转换到另一个轨道。如果光的能量不够，那么电子就无法实现跃迁，只能待在原来的轨道。如果电子被击中的光能量太强，电子就有可能跨越多个禁入区，甚至逃逸原本它们属于的原子。

人类在二十世纪初终于认识到了这一点。

这个发现看似不具有开创性，其实不然。

爱因斯坦（他真的是无处不在）因为在研究不同金属原子时发现了这一点而获得了一九二一年诺贝尔物理学奖。

通过几十年对于所有能找到的原子种类进行实验（与思考），科学家们精确地了解了某种原子内电子从一个轨道跳跃到另一个轨道所需要的能量值。这对我们来说真的是非常非常幸运，因为不同的能量值对应不同的光源，并且利用望远镜，我们自然能够获得来自任何地方的光。

根据这些知识，科学家们可以不用身临其境就推断出遥远的恒星或气态云甚至行星大气的成分。

他们是如何做到这些的呢？让我们来看看。

想象一个理想的光源，其向各个方向释放的光线中含有从最低能级的微波到最高能级的伽玛射线中所有的波长。这个光源产生了一个球状亮团。

如果在离光源某个距离处存在着一个原子，它的电子笼罩在所有波长的光线之下，会疯狂地吸收它所能吸收的能量，从自己所在的轨道跳跃到一个更高能量的轨道上去。如果这种跳跃发生，这个电子就变得兴奋起来。

兴奋？

是的，在英语里“激发”与“兴奋”是同一个单词：excited。

电子就像是在派对中得到了糖果的小孩。要在事后找出孩子们喜欢哪些糖果并不难（只要看看还剩下些什么），同样的道理，你能找出那个原子都吸收了哪些波长的光，只要看看它的影子里少掉了哪些波长就行。那些没有被吸收的光线都顺利通过，你能够相当容易地检测出它们的特征波长。

另一方面，在由各种颜色和其他光线组成的连续彩虹中有几小块颜色变暗，就对应了被原子吸收的波长。这个图表被称为光谱，暗淡的部分被称为吸收线。

科学家们只需要看一眼光谱中缺少了哪些光的波长，就能够知道位于你与光源之间的是哪种原子。

这样，你就有了一种方法，通过光线来了解远处有什么物质而无需亲临其境。

人类使用的所有望远镜至今为止都告诉我们，宇宙中所有的恒星的成分都与太阳，与地球乃至与我们相同。整个宇宙中，一切物质所含的原子与我们的一样。

如果不是这样，我们的望远镜会告诉我们。

统治大自然的定律因此可被认定在各处都成立。

这就是人人认可宇宙第一原则的原因。

多么令人放心！

事实上，这是一个很好的消息，我们可以再看一眼远处的星系，了解它们由什么构成。漂亮吗？它们那些美丽的光谱，充满了缺失的线条，对应于氢、氦，以及……

现在，等一下。

等等。

有些地方不对……

仔细检查一下光谱，发现从远处恒星过来的光谱中缺失的线条的确在那里，但它们的位置不在它们原本应该在的位置……

地球上某些化学元素吸收蓝光激发它们的电子，同样的元素在遥远的星系里，吸收的光线稍微偏绿色一些。

而地球上喜欢黄色的原子在宇宙的其他地方似乎更爱稍带些橙色的光。

这里喜欢橙色的，在那里却喜欢红色的。

为什么？怎么可能这样？

在太空里颜色移动了吗？

还是我们搞错了？

你又看了一遍。这次是另一个遥远的光源。没错，所有的颜色都往红色那边移动。

而且更糟的是，光源离我们越远，它们颜色的偏移就越明显……

该死！原先想得多好！

到底发生了什么？

是不是大自然的定律在宇宙的不同地方终究还是不同的？如果你能在一个类似地球的行星上漫步，而且这颗行星围绕着的恒星也与太阳相似，只是位于十亿光年之外，那里的天空、海洋和蓝宝石是不是绿色的？那里的植物和祖母绿是黄色的，柠檬却是红色的？

不是。

如果你真的旅行到了那里，你会发现那个地球上的景象与我们这里一样，也是一个柠檬是黄色天空是蓝色的世界。我们所观察到的颜色移位不是因为那里的自然定律与我们的不同。真正的原因比这个怀疑更深刻。它甚至改变了整个人类两千多年以来的信念。

你给吉他调过音吗？或者其他弦乐器？你有没有注意到当人们转动调音旋钮时，该音弦上发出的声音会变化？弦绷得越紧，音调越高，对不对？

你刚才在天空中所见到的与调音是同一种现象，只是用光线代替了声音，而音弦也不再是音弦。在太空里，光线并不通过音弦传播，而是通过宇宙构造本身。为了解释你观察到的颜色移动，我们必须考虑宇宙的构造。

为什么？

因为以完全相同的方式影响所有颜色的光线，估计不是光本身的问题，而是它赖以传播的介质。

用调音旋钮拉紧音弦能让它发出声音的音调移向“更高”，这不是因为声音本身发生了变化，而是因为音弦被拉紧了，而且这种效应对于所有泛音都有同样的作用。

现在，想象你能将我们宇宙的构造像吉他弦一样拉紧，每拉紧一些就会让在其中传播的光的波长立刻变“高”。为什么？因为光可以被认为是一种波，拉紧能够增加连续两个波峰之间的距离，也就是波长。蓝色变成绿色，绿色变成黄色，黄色变成红色，依此类推。

在光谱中，意味着宇宙远处所产生的颜色往红色方向移动，它们被“红移”了。

如果宇宙的构造不是被拉紧一次，而是因某种原因永远处于被连续稳定的拉紧状态中，那么光线传播得越远，它到达地球时红移得就越厉害。从很远的地方传来的光线，蓝色会渐渐变成绿色，然后又渐渐变成黄色，再变成红色，再后面变成不可见的红外线和微波……通过从远处恒星所发的光在地球上看到的颜色与它们自己原先真正颜色的差别，你可以据此算出该恒星离地球的距离。

但这是事实吗？宇宙的构造的确有如此性质吗？

是的。你在天空中看到的就是这样的。

那么实际上这意味着什么呢？

这意味着远处星系与我们之间的距离正在变大，一直如此。这意味着星系间的空间在拉伸，也就是变大，自发的。这意味着我们的宇宙随着时间发生着变化。

有无数实验证实了这个结论，科学家们已经习惯于接受这个观念。我们的确生活在一个生长并变化着的宇宙之中。

但是爱因斯坦并不喜欢这个结论，一个世纪前，没有谁喜欢这个结论。

我们的祖先，无论他是不是科学家，一直坚信宇宙是不变的，但他们显然弄错了。

明确地说，不是说星系在离我们远去。而是那些本就离我们很远的恒星和星系与我们之间的距离在变大。是星系间虚空的空间本身在变大。科学家们给这个现象起了更专门的名词，他们称其为“宇宙膨胀”。可能与有些人的想象不同，这并不是说宇宙要变成某种形状，而是指它从内部不停地向外膨胀和生长。

在急于下结论并好奇是什么造成了这种膨胀之前，你或许还想再确认一下。想象一下你非常富有（比如说，银行存款有一千亿美元），你又有一百个朋友。出于对宇宙的好奇，你给了他们每人十亿美元建造最现代化的望远镜，然后礼貌地要求他们到地球各地旅行，并且收集来自遥远星系的各种星光。

几个月后，你请他们回到你自己的豪宅报告他们的发现。大概有一半是你真正的朋友，应邀出现（你已经可以庆幸了），另外一半觉得还是自己保留那些钱更好。但这无所谓，因为他们所有的故事都一模一样。不管他们去了哪里，中国、澳大利亚、欧洲、太平洋中间或者南极大陆，所有回来见你的人看到的都是同样的现象：他们头顶上遥远的地方，那些星系发来的光都有奇怪的颜色移动。它们都在退却。星系越远，逃跑得越快，意味着宇宙的膨胀是一个已被观察到的事实。

我们从中可以得到什么信息？

当你仔细想想，内心一定会出现一种奇怪的感觉。

首先这个奇怪的可见宇宙是一个球形，而且你就处在中心，现在，又有了这个……

可能吗？你轻声问。

如果所有东西、任何地方都离地球远去，这是否意味着地球上的每个母亲都有足够的理由相信自己的孩子就是宇宙中心？

虽然听起来难以置信，但的确看来如此。

真是一个好消息，一个令人高兴的日子。

你读到此处，如果你身边恰好有朋友，或许你们可以开瓶香槟庆祝一下。我们终究还是特别的，尤其是你。

最后，我们还是胜利了。哥白尼是错的。他应该听他母亲的话。母亲永远是对的。

但是，等等，等等……

那些在遥远星系遥远行星上的母亲怎么看？

如果她们的确存在，并且有与我们的母亲一样的看法，她们对自己孩子的观感是否就错了吗？

或者，这是不是证明了其他地方没有母亲？肯定不是。

不管你看到什么，那位叫哥白尼的波兰天文学家在四百年前就指出我们不是太阳系的中心。即便不是所有科学家，至少大多数今天的科学家都认为与宇宙中其他位置相比，我们所处的位置没有任何特别。虽然很奇怪，但这并不改变我们处在我们可见宇宙中心的事实。我们的确在。但任何其他地方也是一样。任何地方都是当地可见宇宙的中心。

这个强烈的信念让科学家们提出了另一条宇宙原则：要猜想离地球很远很远的地方所发生的事情，人类必须假定宇宙中没有一个特别的位置——这就是宇宙第二原则——如果某个观察者在宇宙各处观察，对于他来说，任何方向看出去都是一样的。远处的星系总是远离他所在的观察点，同那些星系远离地球一样——这是宇宙第三原则。

如果你在你的朋友们放弃对香槟的奢望之前仔细想想，会觉得宇宙第三原则听起来明显是错的。

显然这个世界在现在的你（读这本书时）与在洗淋浴（假设你没有一边洗淋浴一边读这本书）时的你眼中是不同的。所以需要明确一点：宇宙第三原则不是用在你附近的事物上的。它管的是大场面。它适用的尺度比星系都要大得多得多。它说的是，在极大的尺度上，宇宙无论从哪个方向看都是一样的。

听起来依然还是错的，对不对？你在第一部分中不是已经游历过宇宙了吗？你是不是看到在遥远的地方所见到的宇宙与在地球上所见的不同？你甚至到了一个有着几千光年厚度的空间，里面没有星光，被称为宇宙黑暗世纪。怎么可能从地球上看出去的宇宙与从那个没有任何星光的地方看出去的宇宙一样呢？

现在你需要明白我所说的在本书第一部分，你并没有游历宇宙本身，而是游历了“从地球上看到的宇宙”所代表的真正含义。这两者不是同一件事。

记住，那个出现在夜空里的宇宙，并不是我们现在的宇宙。它代表的是宇宙的一个历史片断，以地球为中心的片断，因为我们在地球上观察。我们每天收到来自宇宙各处的图像明信片。依据宇宙第三原则，生活在遥远世界的外星人看到的宇宙与我们看到的完全相似。当然，细节不同，但在大尺度上是一样的。他们也一样被从他们的历史所传向他们的信息总和所包围，他们在他们的夜空中见到的是我们共同宇宙的另一个历史片断。他们也会有他们的宇宙黑暗世纪和他们的临界最后散射面。他们都有，虽然他们的片断与我们的没有交集。

最后，要了解我们的宇宙，要看到它的整体，就需要把宇宙中每个点，每个过去的历史片断都加起来。当然，相近的两个地方的历史有很大重合，但相隔着巨大空间距离的两处可能在历史上完全没有交集。然而，它们依然被认为是相同的，这就是宇宙第三原则在实际中的应用。关于这一点，将来你会听到更多。

另外，这也意味着你在你的宇宙中虽然并未处在某个特殊的地方，你依然是——如同你母亲一直认为的——“你的”可见宇宙的中心。

如果你觉得自己早就知道，就再次让快乐流过你的身体和心头。这可是个好消息。

我再说一遍：你是你的宇宙的中心。

现在，让你感觉没那么舒服的，是这同样适用于你的邻居：他／她也是他／她自己可见宇宙的中心。

其他每个人都如此。

其他每样东西也如此。

我们、万事万物都在自己宇宙的中心，那个可通过光来观察的宇宙的中心。只有在某些非常特殊的条件下两个人的可见宇宙会完全重合，我请你们自己找出在什么时候、在什么条件下才能如此。

说了上面一大堆以后，让我们再来看看那个拉紧的宇宙的膨胀。

这是真实的吗？

是的。远处星系之间的距离的确一直在变大。邻近天体之间却没有这种现象，因为引力在短距离内足够强大。星系产生的万有引力抵消了这种膨胀，无论是在它们边界的内部（比如太阳和邻近恒星之间的距离不会扩大），还是在边界的周围（邻近星系确实在逐渐靠近）。但在大距离上，膨胀无处不在。

发现宇宙膨胀的是美国天文学家埃德温·哈勃，他是在一九二九年发现的，因此描述远处的星系越走越远这一行为的定律被命名为哈勃定律。因为这个发现，哈勃很恰当地被视为现代观察宇宙学之父。他还是那个与奥匹克一同证实了银河系并不是宇宙的全部，银河系之外还存在着其他星系的科学家。如果在今天，这两个发现都足以令他获得诺贝尔奖。可惜依据当时的物理学界与诺贝尔奖委员会的看法，观察星星并且解释它们的行为并不被认为是物理学的一部分。结果就是哈勃与诺贝尔奖失之交臂。在他去世后，规则改变了，许多后来的观察宇宙学家都获得了诺贝尔奖。在本书中，你将遇到他们中的一些。

现在，你将知道哈勃膨胀定律带来的一个非凡后果，你的第一个震惊可能是有些时候科学家们所表现出来的智商。经过许多思考，以及喝了大概比思考时间多了两倍的咖啡之后，科学家们想起了一件事：如果现在我们的宇宙中所有遥远的东西都在离我们而去，那么现在离我们很远的东西在过去应该会靠近一些。

哇！

这就是突破。

或许有一天你也可以自己试试这种推理，能给你带来很好的满足感。

事实上，虽然看起来没什么大不了，但这的确揭开了一个大秘密。

我前面说过，爱因斯坦拒绝接受它。

为什么？

遥远的星系正在离开，或者说，过去它们曾经很近又有什么大不了的？

记住：哈勃那个基于观察得出的定律说的是星系之间的距离自己在膨胀，而不只是星系彼此在移开。

换一种说法，就是宇宙本身的构造在膨胀。

这个想法的最终结论是，整个宇宙在过去比现在要小。

怎么可能是这样？

谁能证明？

可以证明的。通过对远处的观察。过去就躺在那里，等着我们接收它所发的信息。你在我们可见宇宙的尽头所看到的那道墙就是这个结论明白无误（虽然是黑暗的）的证明，等你读到后面的章节，你就会明白。不过在此之前，你需要再次进入外太空，更深刻地体验一下引力。

1. 金属只有在“恰当的”光的照射下才能够放出电子。这就是所谓的光电效应。爱因斯坦给出的解释涉及我刚刚向你描述的内容（电子只有通过爬上或爬下不同的能级，才能够从一个轨道转换到另外一个轨道），以及光可以被描述为类似粒子一样的小小的能量包。在本书后文中，你将了解到更多有关光的这方面的内容。写到这里，我再补充一句，诺贝尔奖原本至少再授予爱因斯坦两次的，但他只获得了这一次。​​​​​

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