第4章　星系正在彼此远离

第31夜：捕获一艘货运飞船

在驻留的第三十一天，努尔用一只机械臂抓住了一艘飞船。这艘货运飞船两天前发射升空，之后一直在慢慢缩短与空间站之间的距离，在地面团队的仔细监控下，一次又一次地点燃它的小发动机。到了下午，它已经近得可以透过窗户看见：一个白色的圆柱体，带着宽大的太阳能电池板，移动的速度几乎和空间站完全一样，所以它看上去仿佛静静地悬在明亮地球上方的黑色天空中。

努尔坐在机械臂操作台前，那是一张带着几块屏幕和两个手柄的小桌子，一只手握一个。托马斯坐在她旁边，大声念着检查清单。货运飞船在大约十米外停下，等待着。地面上，各个团队确认一切准备就绪。然后，努尔非常缓慢地把长长的机械臂向前移动。一只手控制方向，另一只手控制机械臂末端的转动。屏幕上，她能看到机械臂顶端摄像头拍下的画面，货运飞船上的一个小小的抓取装置变得越来越大。

这项工作需要稳定的双手和平稳的呼吸。空间站和货运飞船都在以每小时大约28,000公里的速度绕地球飞行，但彼此之间几乎是静止的，就像高速公路上并排行驶的两辆汽车。当那个抓取装置位于屏幕中央时，努尔按下了扳机。机械臂的末端轻柔而牢固地合拢，抓住了它。“捕获，”她说。地面上，有人开始鼓掌。

这一天余下的时间，都用来把货运飞船与空间站连接起来，并检查舱门能否安全打开。舱门终于打开时，努尔首先注意到的是气味。那是新塑料的味道、包装的味道，还有淡淡的苹果香。在一袋袋设备、备件、衣物和食物中间，地面团队装了一小箱新鲜水果。那天晚上，乘组成员在大窗户旁分享苹果，小心翼翼地拿着，不让一滴果汁跑出去。

早些时候从窗口看着货运飞船，努尔想到，要判断一个远处的物体是在朝你靠近还是在离你远去，是多么困难。在近处，机械臂的摄像头让这件事变得很容易。可是一个星系远在几百万光年之外，在照片上看起来是一团静止的模糊光斑，又有谁能说出它是怎样运动的呢？这就是今晚的故事，而它是从一道彩虹开始的。

光也有指纹

当阳光穿过一块玻璃棱镜，或者穿过雨滴时，它会展开成一条彩色的光带：红、橙、黄、绿、蓝、紫。这条光带叫作光谱。光谱里的每一种颜色，都是波长略有不同的光，也就是说，它的波与波之间的间隔略有不同。红光的波更长。蓝光和紫光的波更短。光谱不过是按照波长长短排列起来的光，就像一堆信件按大小分好了类。

19世纪，科学家们发现，如果用一台好的仪器仔细地把光展开，光谱并不是平滑的。上面横着一条条细细的暗线，就像条形码里的空隙。他们很快弄清了这些线的含义。每一种原子，比如氢、钠或铁，都只在某些确切的波长上吸收和发出光。当光穿过一团气体时，气体里的原子会去掉属于它们自己的那些特定波长，在恰好那些位置上留下暗线。

你也许在不知不觉中见过这种指纹的一个简单例子。有些老式路灯会发出一种深橙黄色的光。它们里面充有含钠的气体，而钠原子在被激发发光时，主要在某一个特定的黄色波长上发出光。如果你用一块好的棱镜去看这种灯的光，你几乎看不到彩虹，只能看到一条明亮的黄线。每一种原子都有一套像这样属于自己的谱线，就像签名一样独一无二。炽热的气体会把它们显示为亮线，而位于明亮光源前方的较冷气体，则会在同样的位置上把它们显示为暗线。

这是一个了不起的发现，因为它意味着光带着指纹。通过观察一颗恒星的光中谱线的图案，天文学家无需亲自前往，就能知道里面有哪些种类的原子。不管光是来自实验室里的一盏灯，还是来自银河系另一端的一颗恒星，氢的图案总是一样的。天文学家学会了辨认这些图案，就像你能轻松认出一位朋友的笔迹一样。

但天文学家很快又注意到了另一件事。在一些恒星和星云的光里，熟悉的谱线图案一条不少，可它们的位置却不太对。整个图案都移动了一点，要么朝光谱的红端移，要么朝蓝端移。指纹还是同一个，只是它沿着彩色光带滑动了一段。事实证明，这一点小小的移动，承载着一个极其重大的消息。

驶过的警笛

你已经听到过许多次类似这种移动的现象，只不过是声音，而不是光。想一想一辆鸣着警笛的救护车从你身边的街道上驶过。它朝你开过来时，警笛听起来更尖。它驶过你、渐渐远去时，声音突然变低了。警笛本身并没有变化。司机也没有碰任何开关。变化的是声波到达你耳朵时的间隔。

救护车朝你开来时，每一个新的声波都比前一个从离你更近一点的地方发出，所以声波到达时是挤在一起的。挤在一起的声波听起来更尖。救护车离你远去时，每一个新的声波都从更远一点的地方发出，所以声波到达时被拉开了。被拉开的声波听起来更低。救护车开得越快，变化就越大。一只训练有素的耳朵，或者一台好的仪器，仅凭音调的变化就能说出它开得有多快。

光的表现与此相似。当一个光源朝我们运动时，它的波到达时会稍微挤在一起，所以它的光会稍稍朝光谱的蓝端移动。当一个光源离我们远去时，它的波到达时会被拉长，所以它的光会朝红端移动。朝红端的移动叫作红移。红移越大，光源远离的速度就越快。光谱中的暗线使得这种移动能够被精确测量，因为天文学家确切地知道，光源不动时每一条谱线应该在什么位置。

对于星系来说，正如我们很快就会看到的，光被拉长主要是由于空间本身在伸展，而不仅仅是因为星系像救护车一样在空间中飞驰。但警笛是一个很好的开始。重要的一点很简单：通过观察指纹滑动了多远，天文学家就能判断一个遥远的星系是在朝我们靠近还是在离我们远去，以及它的速度大约有多快。

这种移动通常非常微小。我们银河系里的恒星相对于太阳以每秒几十公里的速度运动，它们的谱线在光谱上只移动很小的一段距离，测量它们需要好的仪器和极大的细心。天文学家也用同样的方法来寻找其他恒星周围的行星，办法是测量行星的引力让它的恒星产生的那种微小的来回运动。而对于遥远的星系，正如斯里弗即将发现的那样，这种移动可以大得多。

那些注意到的人

第一个测量旋涡星云运动的人是维斯托·斯里弗。1912年，他在一座拥有一台好望远镜的天文台开始了这项工作，而且他非常有耐心。旋涡星云的光很暗，把它展开成光谱后就更暗了。为了得到一条可用的光谱，斯里弗有时不得不让同一张照相底片连续曝光好几个夜晚，一点一点地积累那微弱的光。

他的第一次测量是对仙女座星云做的，结果显示出蓝移：仙女座正在朝我们靠近。但在整个20世纪10年代，随着他测量的旋涡星云越来越多，他发现其中大多数都显示出红移，有些正以每秒几百公里的速度远离。这非常奇怪。如果旋涡星云是我们星系里的小块云团，为什么它们中的大多数都在飞快地远去呢？那时，还没有人知道它们是独立的星系，也没有人能给出一个好的解释。

与此同时，解释它们所需的理论其实已经在等待了。1915年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了他的广义相对论，这是对引力的一种新的描述，在其中，空间和时间可以弯曲和伸展。1917年，他把这个理论应用到整个宇宙上。和当时几乎所有人一样，他相信宇宙是静止的，既不变大也不缩小。他的方程并不能自然地给出一个静止的宇宙，于是他在方程里加了一个额外的项，让宇宙保持静止。

另一些人看着同样的方程，却看到了不同的东西。1922年，一位名叫亚历山大·弗里德曼的数学家和物理学家证明，这些方程允许一个随时间变大或缩小的宇宙。1927年，一位教物理的神父乔治·勒梅特独立地得出了同一类解。他走得更远：他把这个解与测得的星系红移联系起来，提出宇宙正在膨胀。他的论文发表在一份很少有天文学家阅读的期刊上，起初几乎没有引起人们的注意。

然后，在1929年，已经证明了旋涡星云是星系的埃德温·哈勃，把这些星系的距离和它们的红移作了比较。他发现了一个清晰的规律：一个星系离得越远，它远离我们的速度就越快。远一倍的星系，远离的速度也大约快一倍。今天，天文学家常把这条规律称为哈勃—勒梅特定律，以纪念这两个人。宇宙膨胀被人们接受之后，爱因斯坦放弃了他当初为让宇宙保持静止而加上的那个额外的项。

哈勃的数字并不完美。因为他使用的距离太小了，他得出的膨胀速度的数值大了好几倍，许多天文学家又花了几十年的工作才把它修正过来。但这个规律本身，也就是距离越远、速度越快，已经被更好的仪器一次又一次地证实了。这在科学中很常见。第一次测量表明某样东西存在，后来的测量，往往是由别人完成的，才确切地表明它有多少。在后面的某个夜晚，我们会看到，爱因斯坦的那个额外的项在多年以后又回来了，扮演着一个出人意料的新角色。

在烤箱里膨起的面包

越远的星系远离得越快，这意味着什么呢？最简单的画面，是面包师们很熟悉的一种。想象一团面包面团，里面掺满了葡萄干。面团在温暖的地方发酵时，它的每一部分都在膨胀。每一颗葡萄干都在远离其他每一颗葡萄干。没有哪颗葡萄干在推别的葡萄干。它们只是被彼此之间正在膨胀的面团带着分开了。

现在随便挑一颗葡萄干，想象你就站在它上面。面团膨胀时，离你近的葡萄干远离得很慢，因为你和它们之间只有一点点面团。离你远的葡萄干则远离得快得多，因为你和它们之间有很多面团，而这些面团全都在同时膨胀。这恰恰就是哈勃发现的规律。而且你选哪一颗葡萄干都无所谓。从每一颗葡萄干上看，其他所有的葡萄干似乎都在远离，越远的越快。

在宇宙中，面团就是空间本身。星系，或者更确切地说是星系群，就是葡萄干。它们并不是从一个中心点出发在空间中飞散。而是它们之间的空间在伸展，所以它们之间的距离在增大。当光穿过伸展的空间时，它的波也被拉长了。这就是遥远星系的光到达时带着红移的主要原因。光在伸展的空间中走得越久，它的波就被朝红色的方向拉得越长。

每一个比喻都有它的局限，面包也一样。一团面团有边缘，有中心，而且它待在一个更大的烤箱里。据我们所知，宇宙没有边缘，也没有中心，它也不是在向外面的什么东西里膨胀。所以葡萄干的比喻最好只用来说明一个想法：一切都在彼此远离，越远的东西彼此远离得越快。对这个想法来说，它非常贴切。

面包还能说明另一件事。如果你能从一颗葡萄干上观察正在膨胀的面团，你就能测出邻居们远离的速度和它们的距离。根据这两个数字，你就能推算出，在面团开始膨胀之前，所有的葡萄干挤在一个小而紧实的球里，是多久以前的事。天文学家对星系做的正是这件事。膨胀的速度和星系的距离结合起来，就能给出宇宙的大致年龄。结合许多其他线索仔细得出的现代数值，大约是138亿年。

这一发现彻底改变了关于开端的问题。如果星系现在正在彼此远离，那么昨天它们就离得近一点，去年更近一些，很久以前则近得多。一个正在变大的宇宙，是一个有历史的宇宙。“这一切是怎么开始的？”这个问题第一次不再仅仅属于故事和哲学。它已经变成了一个可以用望远镜和测量来研究的问题。

给萨米的消息

吃完苹果后，努尔给弟弟写消息：“今天我用机械臂抓住了一艘货运飞船。今晚的故事：遥远星系的光被朝红色的方向拉长了，就像救护车开远时警笛的音调变低一样。星系越远，光被拉得越长。是空间本身在伸展，就像掺了葡萄干的面包在膨胀。顺便说一句，货物里有新鲜水果。我想起了你。”

萨米下班后回了消息。“我每天晚上都听到警笛，”他写道，“以后再也不会用同样的方式去听它们了。”他还说，他送货的一位客人是一位凌晨四点就开始干活的老面包师，他给她讲了葡萄干面包的事，她笑了起来。她说，她做了四十年的宇宙模型，自己却一直不知道。

努尔读到这里笑了，早饭时还把它念给托马斯和阿德听。托马斯说，最好的解释似乎总是来自那些用双手工作的人。阿德说，他想听听那位面包师对下一个夜晚故事的看法，那个故事讲的是把宇宙的整部影片倒着放。

也许今晚，如果你听到一辆汽车或一列火车驶过，可以留意一下它从驶来到驶去时声音的变化。这是一件日常的小事。但同样的想法，非常仔细地应用到遥远星系的光上，就揭示了我们生活在一个正在变大的宇宙中，而它过去一定曾经非常不同。

常见的误解

许多人以为，如果所有星系都在离我们远去，那我们一定位于宇宙的中心。从这里看，确实是这个样子。但请回想一下那些葡萄干。从正在膨胀的面团里的每一颗葡萄干上看，其他所有葡萄干似乎都在远离。一位生活在离我们几十亿光年之外某个星系里的天文学家，会看到一模一样的景象：所有遥远的星系都在离她远去，越远的越快。并不存在一个特殊的中心。每个地方看自己都像是中心，而其实哪一个都不是。

另一个常见的看法是，星系正从一个点出发在空间中向外飞散，就像爆炸中飞出的碎片。这幅画面很自然，但它并不是最好的描述。星系确实会在邻居的引力牵引下，在空间中稍微移动一些。但距离增大的主要原因，是它们之间的空间本身在伸展。这也就是为什么空间中并不存在一个膨胀开始的点。伸展同时发生在每一个地方，而且从一开始就是这样。

有些人会想，是不是一切都在膨胀，包括地球、空间站和他们自己的身体。如果空间在伸展，我们是不是也在被拉长？答案是否定的。伸展只在星系群之间那些极其巨大的空旷距离上才有意义。在一个原子、一个人、一颗行星、一个太阳系或一个星系内部，把东西维系在一起的力，要比空间那温和的伸展强大得多，所以这些东西会保持自己的大小。你的身体、你家的餐桌和努尔的机械臂都没有在变大。而且并不是每个星系都在离我们远去。我们的近邻仙女座正在引力的牵引下朝我们靠近，正如斯里弗在他的第一次测量中所发现的那样。膨胀是宇宙在最大尺度上的一种规律，而不是适用于其中每一个物体的规则。在下一个夜晚，我们将沿着这个规律回溯时间，看看它会把我们带到哪里。