【译者之言：对于深奥的宇宙大爆炸和宇宙膨胀理论，阿西莫夫先生给出了浅显易懂的说法：“任何遥远的天体都是很久以前的天体，距离越远，时间就越早。如果我们能看到非常遥远的天体，那么，我们就会看到早期的宇宙。”】

几个月前，我参加了一个宴会，宴会结束出门时，发现外面正淅淅沥沥地下着雨。显然，这种天气难得等到出租车，于是我和另外两位参加宴会朋友，走到最近的地铁口，上了地铁，向北而行。

碰巧，我第一个到站。我向朋友们道别，下了火车。第二天我才知道，在我下车后地铁上发生了什么。

有三个年轻人走到我朋友们的座位处，直直地站在他们身旁，让我两个朋友感到一丝受威胁的恐惧。我的朋友们都很清楚，地铁里时常会发生暴力事件，他们自然很担心。

其中一个年轻人低声说了些什么，我的一个朋友鼓起勇气说：“对不起，年轻人，我没有听清楚你说什么。可以请你再重复一遍吗？”

于是，这个年轻人提高声音说道：“我想问一下：刚下火车的那个人是艾萨克·阿西莫夫吗？”

刹那间，这三个年轻人就从让人心生恐惧的流氓，变成了三个有很高品味的文化迷，我的朋友们高兴地回答说，的确是的，此后一切就成了葡萄美酒加玫瑰般的交谈。

我不知道，地铁上那些聪明的年轻人，是否会去读我的科学随笔，如果他们会读，这篇科学随笔就献给他们吧！

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在前一篇科学随笔中，我谈到了多普勒效应。多普勒效应显示，遥远的星系，无一例外地都在远离我们，星系离得越远，离开就越快。

这似乎给了我们的星系一个特殊的待遇。所有其它的星系都在远离它，离得越远，离开就越快。不知怎么的，这似乎又让人感觉不对劲。为什么在数十亿个星系中，只有我们的星系，会有这种区别呢？

早在1916年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）（1879-1955年）设计了一套“场方程”来描述整个宇宙的特征。爱因斯坦认为宇宙作为一个整体是静态的，没有明显地随着时间发生任何渐进的变化——毕竟，直到当时，在我们对宇宙的观察中，没有发现有任何东西，表现出任何的不同。也就是说，宇宙中的一些天体可能正在接近我们，而一些可能在远离我们，一些可能会朝着这个方向前行，一些可能会朝着那个方向前行，但所有这些变化往往都会被相互抵消，宇宙的整体外观保持不变。

爱因斯坦的方程并没有完全证明这一点，所以爱因斯坦任性地添加了他所谓的“宇宙常数”，并赋予该常数一个数值，以允许其方程代表静态宇宙。（他后来称，这是他犯下的“最大的错误”。）

不过，第二年，荷兰天文学家威廉姆·德·西特（Wilem de Sitter）（1872-1934年）就指出，没有宇宙常数的场方程代表了一个膨胀的宇宙，一个以恒定速度变大的宇宙。然而，这种膨胀似乎纯粹是理论上的，因为当时并没有迹象表明宇宙确实在膨胀。

然而，一旦哈勃证实遥远的星系都在远离我们，这就有了观测证据，表明德·西特提出了一个有价值的观点。宇宙正在膨胀，所有的星系（或星系团）都彼此相对在远离。这就是为什么所有星系似乎都在远离我们，而我们也并不是生活在一个特殊的星系中。如果宇宙在膨胀，那么当我们从任何星系上观察其它的星系时，所有其它星系看上去都会在远离，离得越远，离开就越快。

换句话说，爱因斯坦的场方程描述的就是宇宙现状，而不需要添加什么宇宙常数。

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如果宇宙正在膨胀，我们考虑未来，宇宙很可能会永远继续膨胀下去。它膨胀的空间大概也是没有限制的。

另一方面，如果我们考虑过去，我们就会看到，随着我们深入地回到过去，宇宙一定会越来越小。这又意味着宇宙的过去，不会像未来，不可能永远存在。在有限的过去的某个时候，宇宙一定非常小，它所有的质量和能量都被压缩成了一个小球。

1927年，比利时天文学家乔治·爱德华·莱迈特雷（Georges Edward Lemaitre）（1894-1966年）首次指出了这一点。他将这一小块物质称为“宇宙蛋”。显然是宇宙蛋爆炸形成了现在的宇宙，而俄裔美籍物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）（1904-1968年）则将这次爆炸称为“大爆炸（Big Bang）”。

大爆炸理论现在已被天文学家普遍接受。出现的一些争论是，最初的宇宙蛋起源于哪里，它是如何形成的，它有多大，它从怎样的最初阶段发展成我们现在的宇宙，等等。不过，这些并不是这篇科学随笔感兴趣的问题。我们只想简单地问一下：大爆炸是什么时候发生的？多久以前发生的？

想要得到答案，方法是确定宇宙现在膨胀的速度。那么，如果膨胀速度不随时间发生变化，由此就可能直接确定出原点，这非常简单。

哈勃在1929年的测量表明，远离的速度确实是恒定的，而宇宙膨胀得非常之快，回顾过去，宇宙蛋大概在20亿年前就已经存在了。

但这明显是错误的，因为地质学家已确认，地球本身就比这更古老，地球不可能比它所在的宇宙的年龄还要大。根据地壳、月球和陨石中放射性物质的衰变，我们现在知道地球和太阳系一般有45亿年的历史，所以宇宙必须至少也有45亿岁的年龄，并且可能比这还要大得多。

幸运的是，用来确定较近星系距离的标准，相应又可以作为确定所有更远星系距离的依据，结果证明，这是一个比人们想象的要复杂得多的事情。当标准被修正后，宇宙明显比人们想象的要大得多，因此一定已经膨胀了更长时间，它的年龄相应就更大了。

大爆炸的时间一定在过去至少100亿年，而且很可能更早。事实上，现在最常用的数字是过去的150亿年。

如果宇宙已有上百亿年的历史，那么我们应该在天空中看到上百亿光年之外的物体，如果是这样，我们就应该能看到遥远的过去。毕竟，如果一颗恒星距离我们10光年，那么这颗恒星发出的光需要10年才能到达我们，我们看到的是10年前的它。如果一个星系距离我们1000万光年，光需要1000万年才能到达我们，我们看到的则是1000万年前的它。

换句话说，任何遥远的天体都是很久以前的天体，距离越远，时间就越早。如果我们能看到非常遥远的天体，那么，我们就会看到早期的宇宙。如果我们看到150亿光年之外的宇宙，我们看到的就是150亿年前的宇宙，也就是一开始时的宇宙。

然而，天体越远，就越暗，也就越难被发现。1960年的天文学家，在望远镜里看到早期的宇宙的机会，不可能比我们现在更多。

1960年，他们能看到的最遥远的星系是，根据红移和新的标准来看，可能距离我们8亿光年。这意味着，他们只能看到8亿年前的过去/而如果宇宙有150亿年的历史，他们看到的只有这一历程的大约二十分之一。

他们到底应该怎么做，才能做得更好呢？

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到了1960年，天文学家们已经开始使用射电望远镜，它探测无线电波，而不是光。起初，人们没有任何理由相信，无线电波会比光波告诉我们更多的宇宙信息。例如，太阳发出无线电波，但这些无线电波不像光一样，能告诉我们有关太阳的，诸如热量、化学成分和其他特性等等，那么有用的信息。

此外，光可以来自我们自己的星系和其他星系中的无数恒星，但无线电波源的数量就要少得多。遥远的恒星可以发出足够的光，即使人们肉眼看起来也相当明亮，而它们却不会发出数量可探测到的无线电波。我们探测来自太阳的无线电波的唯一原因，不是因为它是一颗不寻常的恒星，而是因为它离我们很近。

不过，有些无线电波源似乎来自天空中某一限定的部分，它们在过去被称为“射电星”。而另一方面，人们也并不一定就会认为，射电星是真正的恒星。它们可能源于非常遥远的星系，因此在天空中没有占据太多的视空间。即使没有探测到有单个恒星发射无线电波，整个星系也可能会发射足够的，可以被探测到的无线电波。

有些射电星非常密集，人们会认为，它们可能是恒星。在这些非常密集的无线电波源中，有几个被称为3C48、3C147、3C196、3C273和3C286。[“3C”代表《剑桥射电星目录第三类》，这是由英国天文学家马丁·莱尔（Martin Ryle）（1918-1984年）和他的同事们共同编撰的]。

1960年，美国天文学家阿兰·雷克斯·桑德奇（Allan Rex Sandage）（1926年生）使用200英寸的帕洛玛望远镜，对包含这些密集射电源的区域进行了梳理。在每一种情况下，它似乎确实是一颗发射无线电波的恒星，而它们看上去就像是我们自己星系中，不起眼的暗星。

然而，也存在一些令人不安的情况。为什么这些少的恒星，会发出可探测强度的无线电波，而其他离我们更近，更明亮的恒星，却不能发射可探测强度的无线电波呢？后来，当这些射电星被仔细检查时，发现其中一些与微弱的星云状物有关。至于其中最亮的3C273，则有微弱的物质喷出迹象。

这些射电星，虽然看起来像恒星，但似乎又有所不同。它们被称为“准恒星射电源”，“准恒星（quasi-stellar）”的意思是“类似恒星”。随着这个词变得对天文学家们越来越重要，它就变得太不方便了，于是被缩写为“quasi-stellar”的第一个和最后一个音节——“quasar（类星体）”。

显然，这些类星体非常有趣，需要用大量的天文学技术进行研究，这意味着需要获得它们的光谱。获得暗天体的光谱并不容易，但美国天文学家杰西·莱昂纳德·格林斯坦（Jesse

Leonard Greenstein）（1909年生）和他的荷兰裔美籍同事马尔滕·施密特（Bartender Schmidt）（1929年生），努力完成了这项任务，并获得了光谱。

刚获得光谱时，似乎并没有起到什么帮助。他们发现这些类星体带有无法识别的奇怪谱线。此外，有一个类星体的谱线与其他所有的都不同，而所有这些谱线都无法识别——这至少增加了人们对这些天体的奇怪感。

1963年，施密特注意到，在3C273光谱中存在的六条线中，有四条的间隔类似于一系列的氢谱线——只是在它们被发现的位置，不应该存在这样的谱线。然而，如果这些谱线只是因为被移到了光谱的红色一端，而出现在它们现在被发现的地方，又会是什么情况呢？如果是这样的话，那必须是一个很大的位移，表明它以每秒4万公里的速度在离开，这个速度超过了光速的八分之一。

这似乎令人难以置信，但如果存在这样的位移，另外两条线的识别也就迎刃而解了；一条代表双电荷的氧，另一条代表双电荷的镁。

那么，这些类星体根本就不是我们自己星系中的恒星，而是距离我们很远的天体，其中离我们最近也至少有10亿光年。（如果没有射电望远镜，它们就不会被发现，而不知道红移，它们的意义也不会被理解，这就是我在前一篇随笔中讨论过的“音高的重要性”。）

显然，在这样的距离上，即便是在我们最好的望远镜里，它们也必须非常明亮，才能被看到。事实上，它们的亮度必须是我们星系亮度的一百倍。自然，它们内部一定存在一些非同寻常的东西，才会产生所有这些光和所有这些无线电波。

此外，到了1963年，人们发现类星体亮度变化的速度，有时令人惊讶，而且光和无线电波会同时变化。这些变化很大，在一年左右的时间内都能被观察到。

这意味着，类星体在尺寸上一定非常小。小的变化可以是由于天体限定区域的变亮和变暗引起的，但大的变化一定涉及到整体天体。如果天体作为一个整体参与进来，那么在变化的时间内，我们一定会感觉到某种效应，贯穿了天体的整个宽度。由于没有什么效应比光更快，一年的空间内显著的变化，就表明类星体的宽度不会超过一光年。有些类星体似乎甚至比这更小。

这种高亮度和小体积的组合，确实令人费解。

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对于这一点，可能的答案来自于，通过射电天文学对一般星系进行的研究。

如果我们通过普通的光来看星系，它们看起来会非常美丽、安静。中心比外围更明亮，因为恒星在中心的分布比在外围更密集。

然而，射电天文学向我们展示，从许多星系的最核心处开始，有大量的能量稳定地外流。在某种程度上，的确是这样的，甚至我们自己的星系也是如此。我们无法通过光线看到自己星系的核心，因为尘埃云阻挡了我们的视线。然而，无线电波可直接穿过云层，而我们的射电望远镜告诉我们，核心的的体积非常小，但却是真正的无线电波泛滥。

越来越多的天文学家认为，许多（也许是所有）星系的中心都有个大黑洞，能量是由中心的黑洞吞噬物质，甚至是吞噬整个恒星，而产生的。

由于某种原因，有些中央黑洞特别巨大，特别活跃，会产生特别泛滥的无线电波——比起我们自己那安静而受人尊敬的星系，要多很多。在黑洞吵翻天的地方，我们就有了一个“活动星系”的称呼。

自然，一个活动星系的核心也应该发出强度异常高的光，而且这样的核心会比星系的其他部分明亮得多。

早在1943年，美国天文学家卡尔·塞非（Carl Seyfert）观察了一个带有非常小的核，且非常明亮的奇怪星系。从那时起，也发现了其他此类星系，它们现在被称为“赛非星系”。一些天文学家认为，这些星系可能占到了所有星系的1%。

那么，类星体就可能是非常大或非常极端的塞非星系，它们非常遥远，只能看到令人难以置信的明亮中心，这使得整个天体看起来像一颗恒星。事实上，在最近的照片中，类星体周围的暗星云显示得更加清晰，我们对付的很可能就是明亮的塞非星系。

类星体距离我们都很远，没有一个会少于10亿光年的距离。一般来说，它们还要远得多。人们很容易认为，类星体是我们宇宙中充满活力的年轻人的产物，它们挥霍能量，很快就会将其耗尽。宇宙变老时，越来越多的类星体变暗，并平静下来。新诞生的类星体越来越少，直到在过去的十亿年里，一个也不存在了，也许未来也不会再出现了。

通过现代的探测技术，我们可以在很远的距离上看到类星体。但是，一定会存在一个，不再能看到它们的极限。

假设大爆炸发生在150亿年前。在宇宙年轻的时候，可能有一些阶段，能量主导着空间。而考虑到存在的光子的密集混合，空间是不透明的。随着宇宙的膨胀和冷却，能量凝聚成物质，空间变得透明，最终形成了包括类星体在内的星系。

如果我们透过光学、射电或其他任何形式的望远镜凝视太空，我们最终会穿透到非常遥远的，也就是很久以前地方，除了那些不透明的雾霾（标志着恒星和星系形成之前的宇宙），什么都看不见。我们会看到四面八方的雾霾，这标志着“宇宙的尽头”。

但超越雾霾之外，一定还有大爆炸本身，而我们应该探测到来自爆炸的辐射。你可能会认为，我们看到的应该一种令人难以置信的，灿烂的辐射爆发。但它是如此之遥远，巨大的红移把它全部都推入了无线电波区域。

1949年，加莫提出，来自大爆炸的无线电波辐射，应该以同样强度在太空的各个地方被探测到。美国物理学家罗伯特·亨利·迪克（Robert Henry Dicke）（1916年出生）接受了这个观念，并将其进一步推进。

1964年，在迪克的帮助下，德裔美籍物理学家阿诺·艾伦·潘齐亚斯（Arno Allan Penzias）（1933年出生）和美国射电天文学家罗伯特·伍德罗·威尔逊（Robert Woodrow Wilson）（1936年出生）实际探测到了太空中的这种无线电波背景。这最有力地显示出，确实发生过大爆炸。

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考虑到大爆炸的截止区域加上它周围不透明的辐射雾霾，在极限范围内，我们能看到的最远的东西是什么呢？

1965年，马尔滕·施密特（Maarten Schmidt）发现，类星体3C9有巨大的红移，它必定距离我们105亿光年，并以每秒24万公里的速度远离我们。这是光速的80%，似乎不太可能有比这更远的天体了。

1973年，类星体OQ172的红移得到了确定，发现它离我们115亿光年。(顺便说一下，这意味着宇宙不可能只有100亿年的历史，除非红移被解释为，根据哈勃公式计算的距离以外的其他东西——一些天文学家怀疑可能是这样的。然而，他们只是少数派，即使有时声音很高，仍然还是少数派。)

1973年之后，发现了大约1500个以上的类星体，但没有一个明显超过OQ172的记录。

天文学家现在已经养成了一种习惯，在发射天体静止时，根据谱线位移与原来位置的百分比来衡量红移。将百分比除以一百，因此如果一条谱线位移为百分之100，红移为1；如果有百分之200的位移，红移为2；以此类推。

OQ172的红移大约是3，但在1987年，记录被打破了。天文学家们利用新技术扫描了天空，并选择靠近南银极的地方。这些区域尽可能远离银河系，这样不会被灰尘遮挡，装置可以穿透到非常深的空间。通过这种方式，又发现了14个红移大于3，2个红移大于4的类星体。事实上，现在已知的红移高达4.43。

天文学家不知道是否还会发现更高的红移，如果能，天文学家会发现自己处于一个尴尬的境地，因为最新的星系形成理论表明，它们最初形成的时间相当于数值为5的红移。如果发现更高的红移，天文学家将不得不建立星系形成的新理论。（译者之言：2020年，中国台湾的天文学家观察到了红移高达6.62的类星体。天文学家发现，类星体有超光速现象，而有人认为这只是一种宇宙假象。如果真有超光速的现象，我们现在的很多理论都会被颠覆。借用阿西莫夫先生在《宇宙的奥秘》中的一段话“宇宙中任何未被了解的部分，和科学研究中任何尚未被解决的部分，与已被了解和已被解决的部分相比，无论多小，它们都包含着原始的复杂性。因此，我们永远都无法将其穷尽。无论我们走多远，前方的路还是会和开始的一样长，这就是宇宙的奥秘”，人类对宇宙的认知过程看来是无穷尽的。）

事实上，由于另一个不涉及类星体的遥远的发现，无论在什么情况下，我们都可能会遇到麻烦。毕竟，类星体是一种非常特殊的星系，可能并不能代表整体。我们能看到多远的普通星系呢？

这里遇到的问题是，普通的星系比类星体要暗得多，因而更难被发现。不过，现在有了一些新的技术，可以识别出非常暗的天体，可以让我们看到那些，仅仅几年前我们还无法看到的东西。

美国天文学家J·安东尼·泰森（J.Anthony Tyson）领导的一个团队，利用智利的一个大型射电望远镜和一种叫做“电荷耦合装置”的东西，记录了这些图像。

他们选择了天空中的12个区域，每个区域的尺寸大约为3弧分乘5弧分，这样每个区域大约是满月尺寸的1/200，所有12个区域加在一起，是满月尺寸的1/17。这12个区域的天空远离银河系，其中没有任何明亮的恒星或星系。它们看上去基本上是空白空间。

然而，新技术在这些“空白空间”的每个样本中，发现了多达1000个模糊的天体。在所有12个样本中，大约有25000个天体。

这些模糊的天体不像恒星那样是点光源，它们也不够明亮，不足以成为类星体。给人的感觉是，它们就是普通的星系，或者至少是“原始星系”。由于在所有12个区域都有这些原始星系的聚集，所以它们也应聚集在各个地方，天空中可能有200亿个这样的原始星系。

这些天体处于“混乱的极限”。也就是说，如果还有更远的天体（或者我们还能看到更暗的天体）的话，它们就会重叠，根本不会作为单独的天体被看到。

这些原始星系中较亮的红移范围在0.7到3之间，可以得到它们的距离在70到114亿光年之间。也许其中有些天体的红移会达到4以上，这可以追溯到大爆炸后仅10亿年左右的时间。

为什么它们如此紧密地聚集在一起呢？如果我们朝任何方向看出去100亿光年的距离，我们看到的可能是一个，体积只有当前宇宙4%的宇宙。这个时期的宇宙中，星系的平均距离只有今天的1/25，所以它们自然会紧密地聚集在一起。

当我们在不同的方向向外看时，我们看到的是，巨大的原始星系外壳，围绕着我们宇宙。而我们实际上是从不同的角度，看到同样的一个小宇宙。

然而，如果遥远的原始星系真的存在——如果它们不是仪器或解释中，出现的一些难以置信的错误造成的话——它们就告诉我们，在大爆炸后仅十亿年，星系就开始了其形成过程，并在此后大约50亿或60亿的时间，以渐进的速度最终形成。

由于目前关于早期宇宙发展的理论，倾向于设想星系稍晚形成，是在一次大爆炸中开始和形成的，所以我们对宇宙的看法似乎必须改变。这可能是非常令人兴奋的，因为我们最终应该得到一幅更好、更令人满意的宇宙画面，以及一幅更接近真实的画面。（译者之言：关于宇宙的年龄，最新的估算为137.7亿光年，误差不超过4000万年）

（作者：艾萨克.阿西莫夫（Isaac Asimov），译者：劲松）