创世余辉：破译来自时间起点的信息

　　远离大城市明亮灯光的旷野，夜晚如水晶般纯净。一轮明亮的满月从树梢飞往高空。在天鹅绒一般黑色的夜空里，星星就像宝石一样闪烁。但夜空里不止有所看到的这些……
　　我们眼睛所见到的可见光仅仅是在宇宙中流布的所有光线中极其微小的一部分。从太空之中向着地球倾泻而下的，还有不见的光流。
　　在人类历史的绝大部分时期，我们对这种光都一无所知。但近年来，天文学家拓展了我们的双眼。新建成的望远镜可以看到X射线、红外光、射电波，以及其他各种看不见的光。如今，有史以来首次我们能够看到更辉煌的宇宙。 

　　《创世余辉：破译来自时间起点的信息》瓦尔特·卢因的特点是授课深入浅出，生动活泼，尽管物理学，尤其是比较新颖和高端的物理学理论很艰深，大致宇宙天体，小到纤维粒子，他总能用大家已经掌握的知识作为接受基础，由此展现和讲解新的实验、理论、事物，或者对旧有的物理学现象、理论提出更新颖的独到的见解。他不是整天泡实验室或图书馆的书呆子，这一点从他的洪亮的嗓音、有力的手势、来回踱步、清晰的板书和不时爆出的幽默比喻都可以看出来。这里说“看出来”，是因为MIT把他多少年精彩的授课挂到了YouTube、iTunes等网上呢，而且都是首位的，大家都可以看到。想方设法用各种方式进行物理实验演示艰深的物理学理论、把一些看不到摸不着的物理现象讲得有饶有兴味，像科普讲座，这么做的大家，前边也就是理查德·费曼等几位而已。在《别闹了，费曼》、《看不见的物理学》等几本弥漫着物理学个人天才魅力的科学普及型及**传记型作品中，这是又一本出类拔萃的新书。

前言
楔子：微波眼看世界
**部分 *艰难的科学测量
**章 大爆炸
——我们怎么会相信这么荒唐的想法？
第二章 宇宙不是静态的
——为什么爱因斯坦与发现宇宙膨胀失之交臂？
第三章 原初火球
——热大爆炸中“煮”元素
第四章 测量宇宙的温度
——寻找火球辐射
第五章 来自4080兆赫的幽灵信号
——冰激凌蛋筒天线的问题
第六章 两次电话的故事
——火球辐射是怎么被发现的
第七章 创世余辉
——为什么没有人早点儿发现火球辐射？
第八章 *艰难的科学测量
——命运多舛的25年
第九章 无法克服的障碍
——宇宙背景辐射提出的疑难

第二部分 宇宙学的黄金时代
第十章 跳出大气层
——美国宇航局决定一劳永逸地解决这个问题
第十一章 9分钟的光谱
——COBE卫星获得起立喝彩
第十二章 宇宙涟漪
——COBE卫星找到了星系的种子
第十三章 空前的科学新闻炒作
——COBE研究结果是怎么成为头条新闻的
第十四章 COBE卫星揭示的宇宙
——星系形成、暗物质和暴胀
第十五章 宇宙学的黄金时代
——COBE之后的生活／后COBE时代
尾声：COBE的后继者
致谢
术语表

序言

评论

1924年12月，世界各地的天文学家聚集到华盛顿参加美国天文学会的第33届年会。这是一次平淡无奇的例行会议，在*后一天下午，有些与会者就已经离开会场去赶回家的火车了，这时有一位学者在已经半空的观众席前清了清喉咙，开始宣读一份科学论文。这份论文由一位身在南加利福尼亚州的35岁的天文学家提交，他因为路途遥远而未能与会。
当这位学者宣读完毕离开讲台之后，观众席上一定有很多人倒吸了一口冷气。因为，经过漫长的寻觅之后，人类终于不再“身在此山中”却“不知庐山真面目”，发现了宇宙的真实大小，而且它比任何人曾经想象过的都不可思议得大！
这位缺席的加州天文学家叫埃德温?哈勃（Edwin Hubble），曾经是一位运动员，一名拳击手，他放弃了很有前途的律师职业来研究夜空。1923年他将当时世界上*强大的望远镜，帕萨迪纳（Pasadena）附近威尔逊山（Mount Wilson）上新建成100英寸（2.54米）口径的反射望远镜，指向了夜空中被称为仙女座大星云的一块模糊的白色“补丁”。他在这块星云的边缘发现了一些微小斑点似，这些斑点实在太暗淡了，刚刚能够被识别出来，它们是星云中的单个恒星。
为什么这件事会改变我们对宇宙的想象？你应该知道，在哈勃进行这项观测的时候，绝大多数天文学家还认为仙女座大星云仅仅是恒星之间漂浮的一团发光气体。哈勃证明了这种看法是错误的，它并不是传统观念中的“星云”，而是因为距离太遥远而显得模糊的庞大恒星群。它就是人们曾设想过的太空深处庞大的“宇宙岛”。

谜一样的旋涡星云

发现了这些遥远的恒星，哈勃也就平息了20世纪前几十年里整个天文界都被卷入的一项激烈争论，这个争论是关于“旋涡星云”的本质，仙女座大星云是旋涡星云中**的一个，因而也是*容易用望远镜进行研究的一个。
旋涡星云在18世纪就已经被发现，当时**代使用望远镜进行观测的天文学家们正在逐渐认真提高这种新仪器的观测水平。当然他们的热情在于寻找彗星，所以他们很生气地发现夜空中到处分布着一些模糊不清的光斑，很容易和遥远的彗星相混淆。1784年法国天文学家查尔斯?梅西耶（Charles Messier）为寻找彗星的同行们提供了一项宝贵的帮助，他出版了一份目录，列出了其中*亮的“夜空中的害虫”的位置。
梅西耶的原始目录包括103个云雾状天体，其中大部分是旋涡状的星云。目录中第31号就是仙女座大星云。在梅西耶的天体目录中它*不像彗星，你如果知道方位的话，用裸眼就很容易看到它：它是一块拉长的云团，在夜空中占据了相当于满月6倍的面积。今天的天文学家们称之为梅西耶31，或简称为M31。
关于旋涡星云本质的激烈争论不可避免地与宇宙尺度联系在一起，理由如下：如果正如大多数天文学家所坚持的那样，旋涡星云是发光的气体云的话，它们必定离地球很近。发光气体显然不可能在很远的距离上还显得很亮。
但其他人则认为，旋涡星云是在离地球极大距离之外的巨大的“岛屿”。它们看上去像是发光气体云仅仅是由于在这么远的距离上看不清其中的恒星。
当时人们已经知道了我们的太阳属于被称为银河系的巨大恒星群。银河系的形状像是一个致密的盘子，是一个扁平呈圆形的恒星集合。夜空中它看上去像是跨越天宇的一条雾状带子，这仅仅是因为我们从位于银河系内的边缘位置来看它而已。
20世纪初期，大多数天文学家相信银河系就是整个宇宙，在它的界限之外再也没有任何东西了。假如旋涡星云被证明位于银河系之外，那么这种观念将会烟消云散。
哈勃在仙女座大星云中发现恒星时，看起来它好像确实位于银河系之外。但除非哈勃能发现它的准确距离，否则他也无法完全确定。幸运的时候，在仙女座大星云中，哈勃能够证认出一类非常特殊的恒星，造父变星 ，这类恒星让他一劳永逸地解决了这个问题。
对天文学家来说，发现造父变星的惊喜唯有像某人搜寻了一片巨大的海滩之后被沙砾中一堆闪光的珍珠绊了一脚可以相比。因为有了造父变星你就可以计算出确切的距离，而利用普通恒星通常难以做到这一点。如果你发现两颗恒星，其中一颗比另一颗亮，但你不可能判断出来究竟是比较亮的那颗恒星是本来就更亮，还是仅仅因为它离得近所以才显得亮。但造父变星的真实亮度是有办法来判断的。所以若天文学家看到两颗同类的造父变星，其中一颗比较亮，他就能确定亮的那颗实际是距离比较近。

宇宙的基本组成单元

哈勃比较了他在仙女座大星云中找到的造父变星和银河系中的造父变星，发现前者远得不可思议。仙女座大星云确实位于非常远的地方，它是一个星系，由数以亿计颗恒星组成的庞大的“宇宙岛”，它漂浮在宇宙之中，远在银河系范围之外。
如果仙女座大星云是一个独立的星系，对哈勃来说这件事的意义就很明显了：银河系必然也是一个星系。虽然从我们所在的视角银河系看起来是一个扁平的盘，但它确实是一个旋涡星系，是太空中一个巨大而缓慢旋转的火焰风车。
并且，如果仙女座大星云是一个星系，那么天空中杂乱无章分布的那些旋涡星云一定也是星系，是在黑暗的太空深处燃烧的明亮灯塔。我们的银河系远离其他星系，只是太空中散布着的数以亿计的星系中的一个，只有像仙女座大星云这样夜空中看上去又大又亮的星系才是银河系的近邻，那些看上去又小又暗的星系的距离都非常遥远。
哈勃不只证明了宇宙的真实大小，他还证实了构成宇宙的基本组件是这些由恒星组成的大风车和椭球体，这些星系占据了人类发明的**的望远镜所能观测到的所有的宇宙空间，直到宇宙边缘，在那里它们看上只不过是一些小光斑。
今天，我们的望远镜所能见到的宇宙尺度大约是一千亿亿亿米。如果这个数字让你感到头疼，那么你可以想象我们的宇宙半径只有一公里，在这个缩小的宇宙中，我们的本星系 ，这个包含2千亿颗恒星的银河系，从形状和大小上说，也只是漂浮在中心的一片阿司匹林药片。
不过银河系在太空中并不孤单。星系倾向于聚集成“团”，银河系也不例外，它属于被称为本星系群的一个“瘦小”的星系团。在这个星系团的数十个星系中，只有一个星系，也就是仙女座星系的大小跟它差不多。仙女座星系是在“缩微版宇宙”中距离它略超过10厘米的另一片阿司匹林。
离本星系群*近的大星系团是室女星系团，其中包括大约200个星系。在“缩微版宇宙”，室女星系团的众星系占据了一个足球的体积，距我们大约三米远。
一些更远的星系团中可能包含了数千个阿司匹林大小的星系，这些星系团的尺度可能达到好几米。星系团也能再次组团，天文学家们称之为“超星系团”。“阿司匹林星系”的分布一直延续到这个“一公里宇宙”的边缘，密密麻麻。

逃之夭夭的星云

哈勃已经成功地证认出了宇宙的主要组件是星系，并让人们感觉到了我们所居住的宇宙的广袤，不过，他还还没有做出他*伟大的发现。接下来，哈勃将证明宇宙并不像绝大多数天文学家所相信的那样是永久存在的，而是有过一个开端。
为哈勃这个*伟大的发现打下基础的人是维斯特?梅尔文?斯利弗（Vesto Melvin Sliper），他是亚利桑那州旗杆镇（Flagstaff, Arizona）洛韦尔天文台（Lowell Observatory）的天文学家。早在1912年，还没有人知道星系的时候，斯利弗已经在艰苦地测量着来自旋涡星云的光线图谱。
就像太阳光一样，来自这些星云的光是多种颜色的混合体，每种颜色都对应于特定的波长：波长*长的是红色，而*短的是蓝色 。使用三棱镜（三角楔子形的玻璃）可以将这些颜色依次排开，形成被称为光谱的有序序列。
19世纪的时候，天文学家们已经发现了太阳和星云像彩虹一样的光谱，只是这些光谱总是被一些丑陋的暗线所打断，这些暗线位置的颜色已经丢失了。学者们很快认识到，这些“丢失的”颜色是被（比如太阳）大气所吸收了，从这些被吸收后的暗线特征上实际能辨认出吸收它们的气体，比如氦气、氮气或氧气等。
斯利弗的成功在于完善了拍摄**暗淡的天体比如旋涡星云的照相技术。到1917年，他用旗杆镇的望远镜已经研究了15个旋涡星云的光谱，他发现的事情让他感到极度困惑。
在太阳和银河系其他恒星的光谱中，吸收气体的暗线与地球上在实验室里测量的同样气体的吸收线位置非常接近。但斯利弗发现在星云中，这些暗线的位置移动了，通常向长波段移动，也就是光变红了。在他测到的15个星云中只有两个向光谱蓝端移动。
斯利弗把波长的改变解释为多普勒效应，任何注意到警车从街上疾驶而过时警笛声调如何变化的人对它都不陌生，警车接近时声调变高，远去时则变得低沉，实际上这就是多普勒效应。
声波经过时，空气被交替压缩和膨胀，声波实际上就是一长串的“压缩气体”和“稀薄气体”的交替排列，相邻的“压缩气体”（或“稀薄气体”）之间的距离就是波长。声波波长越长，声调越低。
疾驶而来的警笛发出来的声波被“挤压”，波长被缩短，从而产生了较高的声调，而远离的警笛声波被“拉长”，声调变得低沉。
同样的，当光的波长变化时，它的颜色也会发生变化（对应声波的声调）。所以，当物体（光源）接近我们时，多普勒效应缩短了光的波长，使它的颜色向着光谱蓝端移动。相反的情况下，这一效应拉长了离我们远去的物体发出的光的波长，导致它的光谱图样发生了“红移”。
我们真的很幸运，自然界创造了能够产生光谱暗线的原子。假如光谱中的颜色只是简单地移动，我们可能永远都不会觉察到，因为光谱看起来还是一样的。这就好比有一个数列，比如1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8…向右移动了一个位置，1取代了2的位置，2取代了3，依此类推，但这个数列看起来仍然是1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8…
但由于光谱线的存在，任何光谱都有独特的图样。光谱就好象超市里的条形码，如果某个原子的条码被改动了，它很容易被看出来。
斯利弗测到的15个星云中13个具有红移，也就意味着这13个在远离我们而去，仅有2个在朝向我们的方向运动。
但这看起来不符合常识。星云散布在天空的各个角落，彼此之间应没有什么关联，因此它们的运动方向应该是**。根据概率，大约有半数的星云接近、半数后退。为什么它们的速度会呈现某种模式？
关于这些后退的旋涡星云的红移，还有一个特别奇怪的地方。这些红移都很大，比银河系中的正常恒星的红移要大得多。根据其数值来看，红移表明这些星云正以每秒数千公里的巨大速度后退。
哈勃发现旋涡星云实际上是星系之后，有人在1923年对这些速度作出了部分解释。既然它们与银河系无关，那么它们的运动模式也没有理由要跟银河系中的恒星相似。但高红移之谜仍然没有揭开，对于为什么大多数星云会远离我们仍没有任何解释。
哈勃在威尔逊山上的助手名叫米尔顿?赫马森（Milton Humason），他曾是山上的一名赶驴运货的人，后来通过自学成为了天文学家。根据哈勃的建议，赫马森着手拓展了斯利弗的工作。他测量用这台100英寸望远镜所能看到的*暗也就是*远的星系的速度，很快确认了斯利弗的结果完全是正确的。他测到的每条光谱都显示星系正在退行，有些甚至不可思议地达到了每秒数万公里的速度！
当助手拍摄光谱时，哈勃并没有无所事事，他煞费苦心地测量了赫马森瞄准的这些星系的距离，确认了它们本质上都是同样亮度的星系，也就是说，那些比较暗的星系距离确实比那些比较亮的星系要远得多。