宇宙不僅比我們猜想的要奇怪，它還比我們能夠猜想的要奇怪得多。——J 1 B 1 S 1 藿爾丹（J 1 B 1 S 1 Haldane）
人類在創世故事中所要尋找的是展現在我們麵前的超然的宇宙是怎麼產生的，在宇宙間我們自己又是怎樣形成的。這就是我們想知道的。這就是我們所要尋求的。
——約瑟夫·坎貝爾（Joseph Campbell）
1995年3月6日《時報》雜誌的封麵刊登了大螺旋星係M100的照片，並聲稱：“宇宙學處在混沌中。”宇宙學陷入了泥潭，因為從哈勃空間望遠鏡得到的最新數據似乎說明：宇宙比它最老的星還要年輕，在科學上這是不可能的。數據表明宇宙的年齡在 80 億到 120 億年之間，而有人相信最老的星的年齡為140億年。亞利桑那大學的克裏斯多佛·英庇（Christopher Impey）嘲弄地說：“你不可能比你媽媽還老。”
但是一旦你看過這張精美的照片後，你就會認識到大爆炸的理論是完全有根據的。反駁大爆炸的證據隻是根據對單個星係 M100 的觀測，由此就得出結論在科學上是不可靠的。正如文章所承認的，問題是“驅動恒星飛船通過的瞭望孔太大了”，根據哈勃空間望遠鏡的粗略數據所計算的宇宙年齡的精度不會超過10%~20%。
我的看法是，大爆炸理論不是根據思索，而是根據幾百個從不同來源得出的數據，這些數據會聚到一起，全都支持這個單一的、自圓其說的理論。（在科學上，不是所有產生的理論都是同等的。盡管任何人都可以不受限製地提出他自己的有關宇宙起源的觀點，但是要求它能夠解釋我們收集的與大爆炸理論一致的幾百個數據。）
大爆炸理論的三個重要“證據”是根據三位傳奇科學家的工作得出的，他們在各自的領域裏都是領軍人物，他們是：埃德溫·哈勃、喬治·伽莫夫和弗雷德·霍伊爾。
埃德溫·哈勃，貴族天文學家
當愛因斯坦奠定宇宙學的理論基礎時，現代觀察宇宙學幾乎是由現代天文學最偉大的人物一手創造的，他是埃德溫·哈勃，20世紀最重要的天文學家。
哈勃1889年生於密蘇裏州馬什菲爾德（Marshfield）偏僻的森林地帶。他是一個謙虛的有著遠大誌願的鄉村小孩。他的父親是一位律師和保險代理人，要他學法律。然而，哈勃被儒勒·凡爾納的書迷住了，被星星迷惑了。他狼吞虎咽地閱讀科幻經典，如《海底兩萬裏》（Twenty Thousand Leagues Under the Sea）和《從地球到月亮》（From the Earth to the Moon）。他也是一名熟練的拳擊手，他的教練要他成為職業拳擊手挑戰世界重量級拳王傑克·約翰遜（Jack Johnson）。
他獲得聲望很高的羅德（Rhode）獎學金到牛津大學學法律。在這裏他學會了英國上流社會的生活方式。（他的舉止開始像一位牛津先生，穿斜紋軟呢服、抽煙鬥、說話時帶很重的英國口音、談論他的因決鬥留下的傷疤，據謠傳這個傷疤是他自己造成的。）
然而，哈勃是不愉快的。真正吸引他的不是民事侵權行為和訴訟，抓住他的想象的是從童年就開始的對星星的著迷。他勇敢地轉換了學曆，前往芝加哥和威爾遜山天文台，它有當時世界上最大的望遠鏡，鏡麵直徑100英寸（2 1 54米）。由於他開始學習天文學太晚，他不得不抓緊努力。為了彌補失去的時間，哈勃迅速地從回答天文學中最深遠的、一直沒有解答的問題開始。
20世紀20年代，大學是一個舒適的地方。人們都認為整個宇宙僅由銀河係構成，它的細長的模糊的光像潑出的牛奶劃過夜晚的天空。（事實上，銀河這個詞就是從希臘語“牛奶”來的。）1920年在哈佛大學天文學家哈洛·沙普萊（Harlow Shapley）和利克（Lick）天文台的赫伯·柯蒂斯（Heber Curtis）之間爆發了一場著名的“大爭論”，題目是“宇宙的形狀”，涉及銀河係的大小和宇宙問題。沙普萊（Shapley）認為銀河係構成整個可見宇宙。柯蒂斯（Curtis）認為在銀河係之外有“螺旋星係”，看上去雖然奇怪，但是確實有一片美麗的成卷的螺旋薄霧。（早在 18 世紀，哲學家伊曼紐爾·康德〔Immanuel Kant〕就推測這些螺旋薄霧是“宇宙島”。）
這個爭論引起哈勃的極大興趣。關鍵問題是：確定到星星的距離是天文學眾多任務中最困難的一個。一顆很亮但距離很遠的星看起來和一顆很暗但距離很近的星一樣亮。這個混亂是天文學中許多爭執和辯論之源。哈勃需要一根“標準的燭光”，一個在宇宙任何地方都發出同樣光量的客體來解決這個問題。（實際上，一直到今天，宇宙學家的大部分努力在於試圖找到和標定這樣一個標準的燭光。）如果人們有了在宇宙各處以同樣強度的均勻燃燒的標準蠟燭，那麼一顆星星離開地球的距離為原來的2倍，它的亮度就會比原來暗4倍。
一天晚上，哈勃分析螺旋星係仙女座（Andromeda）的照片，他忽然發現自己“找到了答案”。他在仙女座（Andromeda）星係中發現一顆變星，叫做造父變星（Cepheid），亨麗埃塔·列維特（Henrietta Levitt）曾對它進行了仔細的分類。已經知道，這顆星隨著時間規則地變亮和變暗，一個完整周期的時間與它的亮度有關。星星越亮，脈動的周期越長。因此隻要測量周期的長度，就可以標定它的亮度，從而確定它的距離。哈勃發現它的周期是31 1 4天，使他驚奇的是，轉換成距離後為100萬光年，遠遠超出銀河係之外。（銀河係的範圍隻有10萬光年。後來的計算表明哈勃實際低估了到仙女座〔Andromeda〕的距離，實際距離接近200萬光年之遙。）
當他對其他螺旋星係進行類似觀測時，他發現它們也遠遠超出銀河係範圍。換句話說，對他來說這些螺旋星係是一個完全有自身頭銜的宇宙島。銀河係隻是太空星係中的一個星係。
宇宙的尺寸一下子變得非常之大。宇宙突然從單一的星係，成為住有幾百萬星係，或許幾十億姐妹星係的地方。宇宙從隻有 10 萬光年之遙，突然擁抱了幾百萬星係，範圍有幾十億光年之遙。
這一個發現就足以保證哈勃在天文學的殿堂上占有一席之地。但是哈勃超越了這一發現。哈勃不僅決心發現到星係的距離，他還想計算這些星係移動的速度。
多普勒效應和膨脹的宇宙
哈勃知道計算遠處物體速度的最簡單的方法是分析它們發出的聲音或光線的變化，或者叫做多普勒效應（Doppler effect）。汽車在高速公路上行駛時發出聲音。警察利用多普勒效應計算汽車的速度。警察將一束激光打在汽車上，激光束返回到警察的汽車上。分析激光頻率的移動就可以計算這輛汽車的速度。
例如，一顆星星向你靠近，它發出的光將像手風琴一樣壓縮。結果它的波長變短。一顆黃色的星看上去有些發藍（因為藍光比黃光波長短）。同樣，如果一顆星星離你而去，它的光波將伸展，波長變長，黃色的光看上去有些發紅。星星的速度越快，變化就越大。因此，如果知道光線頻率的移動，就能確定它的速度。
1912 年，天文學家維斯托·斯萊弗（Vesto Slipher）發現這些星係以極大的速度離地球而去。不僅宇宙比原來想的要大得多，而且還以極大的速度在膨脹。除去一些小的波動，他發現這些星係呈現紅色偏移，而不是藍色偏移，這是由星係離我們而去引起的。斯萊弗的發現說明宇宙的確是動態的，不是像牛頓和愛因斯坦假定的靜態的。
在所有的世紀以來，科學家研究了本特利（Bentley）和奧爾貝斯（Olbers）的悖論，但沒有一個人認真考慮過宇宙膨脹的可能性。1928年，哈勃作了一次重要的旅行，去荷蘭會見威廉·德·西特爾（Willem de Sitter）。吸引哈勃的是，西特爾（Sitter）預計星星離得越遠，它應當移動得越快。想象一個膨脹的氣球在它的表麵標上星係。當氣球膨脹時，彼此靠近的星係將緩慢地分開。但是在氣球上離得較遠的星係分開得更快。
德·西特爾（de Sitter）催促哈勃在他的數據中尋找這個效應，這個效應可以通過分析星係的紅光偏移來證實。星係的紅光偏移越大，它離開得越快，因此離得也越遠。（根據愛因斯坦的理論，星係的紅光偏移從技術上講不是由星係飛速地離開地球而去引起的，而是由星係與地球之間的空間膨脹引起的。紅色偏移的起因是：從遙遠星係發出的光被空間的膨脹伸展或加長了，因此看上去變紅。）
哈勃定律
哈勃回到加利福尼亞後，他聽從西特爾（Sitter）的建議開始尋找這個效應的證據。他分析了24個星係，發現星係越遠離開地球它的速度越快，正如愛因斯坦方程預計的那樣。距離除以速度之比大約為一個常數。這個常數很快被叫做哈勃常數，或 H。這個常數大概是宇宙學中最重要的常數，因為哈勃常數（Hubble’s constant）告訴我們宇宙膨脹的速率。
科學家在想，如果宇宙在膨脹，那麼也許它也有一個開始。事實上，哈勃常數的倒數給出宇宙年齡的粗略估計。想象一個記錄爆炸的錄像帶。在錄像帶中我們看到爆炸現場留下的殘骸，並能計算爆炸的速度。但是這也意味著我們可以倒退磁帶，直到所有殘骸集中到一個點。因為我們知道爆炸的速度，我們可以反過來工作，計算爆炸發生的時間。
（哈勃的原始估計將宇宙的年齡確定為大約 18 億年，這使幾代宇宙學家感到頭疼，因為它比公認的地球和星星的年齡年輕。後來，天文學家認識到是塵雲使從仙女座〔Andromeda〕的造父變星〔Cepheid〕來的光線變暗，造成哈勃常數計算不正確。事實上，在過去 70 年間，有關哈勃常數精確值的“哈勃之戰”一直在進行。最權威的數字今天從WMAP衛星得出。）
1931年，愛因斯坦揚揚得意地訪問了威爾遜山天文台，第一次會見了哈勃。愛因斯坦認識到宇宙的確在膨脹，他將宇宙常數稱為他的“最大的失誤”。（然而，正如我們在後麵章節討論 WMAP 衛星數據時將看到的，即使是愛因斯坦的一個小錯也足以動搖宇宙學的基礎。）當愛因斯坦的夫人在巨大的天文台周圍炫耀自己時，有人告訴她，這個巨大的望遠鏡正在確定宇宙的最終形狀，愛因斯坦夫人不屑一顧地說：“我丈夫在一個舊信封的背麵已經確定了宇宙的形狀。”
大爆炸
一位名叫喬治·勒邁特爾（Georges Lema tre）的比利時牧師學習了愛因斯坦的理論後，被愛因斯坦理論邏輯上會導致宇宙膨脹，因此宇宙有一個開始的想法迷住了。因為氣體壓縮時會變熱，他認識到宇宙在開始時一定是非常的熱。在 1927 年，他說：宇宙一定是起始於一個溫度和密度都不可想象的“超原子”，它突然向外爆炸產生了哈勃的膨脹宇宙。他寫道：“世界的演化可以與剛剛放完的煙火相比：留下少許紅絲、灰塵和煙霧。我們站在已冷卻的灰燼上看著太陽在慢慢衰退，我們設法回想已消失的原始世界的光輝。”
（第一個提出在創世之初超原子想法的人也是埃德加·愛倫·坡〔Edgar Allen Poe〕。他說因為一種物質吸引其他形式的物質，所以在創世之初一定有宇宙原子濃縮發生。）
也許勒邁特爾（Lema tre）願意參加物理學會議，糾纏其他科學家要他們接受他的想法。也許這些科學家會心情愉快地聽他講話，但隨後將默默地從心中摒棄他的想法。亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）是他那個時代的最重要的物理學家，他說：“我作為一位科學家，我完全不能相信目前萬物的次序是從大爆炸開始的……大自然目前的狀況和次序是突然開始的想法是我不能接受的。”
但是，多年之後，他不再固執地堅持他的看法。一位科學家要想成為大爆炸理論的最重要的代言人和推廣者，就必須最終提供該理論的最令人信服的證據。
喬治·伽莫夫，宇宙小醜
盡管哈勃是一位宇宙學的老於世故的大科學家，然而還有另一位傳奇式人物喬治·伽莫夫（George Gamow）繼續了他的工作。伽莫夫在很多方麵與哈勃相反：一個愛講笑話的人、一位漫畫家、以惡作劇著稱和 20 本有關科學圖書的作者，很多書是為年輕的成年人寫的。他的有趣的、見識廣博的、有關物理和宇宙的書孕育了幾代科學家，包括我在內。在相對論和量子論使科學和社會發生變革時，他的書獨樹一幟：這些書是十幾歲的孩子能夠得到的可靠的有關尖端科學的書。
缺乏思想，隻滿足於處理成堆數據的科學家為數不多，但伽莫夫是他那個時代創造性的天才，一位博學多才能迅速迸發出思想的火花，能改變核物理、宇宙學，甚至DNA研究進程的人。
詹姆士·沃森（James Watson）的自傳的題目叫做“基因、伽莫夫和女孩”大概不是偶然的。沃森（Watson）和弗朗西斯·克裏克（Francis Crick）一起揭示了DNA分子的秘密。正如他的同事愛德華·特勒（Edward Teller）回憶的：“伽莫夫的理論百分之九十是錯的，他也容易承認它們是錯的。但他並不在意。他是那些不為他的任何發明而感到特別驕傲的人之一。他會拋出他的最新思想，然後把它當成一個笑話。”但是剩下的百分之十的他的思想則會改變整個科學的麵貌。
伽莫夫1904年生於俄羅斯的敖德薩（Odessa），那時俄羅斯處在早期的社會劇變中。他回憶道：“當敖德薩（Odessa）被某個敵人軍艦轟炸時，當希臘、法國或英國遠征軍插上刺刀沿城市主要街道進攻傳統的白色、紅色甚或綠色俄羅斯軍隊時，當不同顏色的俄羅斯軍隊互相殘殺的時候，學校常常停課。”
有一次他去教堂，禮拜後偷偷拿回家一些教堂的麵包。他在顯微鏡下看，他看不到代表耶穌基督肉體的教堂麵包和普通的麵包有什麼區別。他說：“我想，是這個實驗使我後來成為科學家。”這一次去教堂成了他早期生活的轉折點。
他就讀於列寧格勒大學，在物理學家亞曆山大·弗裏德曼指導下學習。後來，在哥本哈根大學他遇見了很多物理學的巨人，如尼爾斯·玻爾。（1932年，伽莫夫和他的妻子試圖乘從克裏米亞到土耳其的木筏逃離蘇聯，但沒有成功。後來，他在布魯塞爾參加物理學會議，成功地逃離。）
伽莫夫以給他的朋友發出五行打油詩著稱。大多數是不刊印的，但是有一篇五行打油詩抓住了宇宙學家在麵對巨大的天文數字和無限的星星時所感到的憂慮：
有一位從特裏尼蒂（Trinity）來的年輕小夥子
他取無窮大的平方根
但位數之大
使他害怕；
他丟下數學去從事神學。
20世紀20年代，他在俄羅斯解決了為什麼可能發生放射性衰變的秘密，從而首次獲得成功。由於居裏夫人和其他人的工作，科學家知道鈾原子是不穩定的，以阿爾法射線（氦原子的核子）的形式發出輻射。但是根據牛頓力學，將核子聚在一起的神秘的核力應該是阻止這種泄露的障礙。那是怎麼發生的呢？
伽莫夫，還有R 1 W 1 格尼（R 1 W 1 Gurney）和E 1 U 1 康登（E 1 U 1 Condon）認識到放射性衰變是可能的，因為量子理論的測不準原理意味著絕不能精確地知道一個粒子的精確位置和速度，因此有微小的可能性，這些粒子會穿過“隧道”、跨過障礙。（今天，這個隧道思想是所有物理學的中心，用來解釋電子設備、黑洞和大爆炸本身的性質，宇宙本身也許是通過隧道產生的。）
通過類比，伽莫夫想象一個囚犯被囚禁在巨大的監獄牆壁的包圍之中。按常理，在經典的牛頓的世界裏逃跑是沒有可能的。但是在量子世界的奇怪的世界裏，你不能精確地知道他的位置和速度。如果囚犯不停地撞牆，你可以計算出有一天他會穿過牆壁，直接違背了常識和牛頓力學。計算得出囚犯有跑到監獄牆壁之外的一個有限的可能性，你有可能在監獄大門之外發現他。對於囚犯這樣的大物體，你等待的時間比宇宙的壽命還要長，奇跡才能發生。但是對於阿爾法粒子和亞原子粒子，這種情況就會經常發生，因為這些粒子以巨大的能量反複地衝擊核子的牆壁。很多人感到：應該給這個極其重要的工作發諾貝爾獎。
20世紀40年代，伽莫夫的興趣從相對論轉向宇宙學，他把它看成是富有的未被發現的鄉村。在那個時候，人們所知道的有關宇宙的一切是：天空是黑的，宇宙在膨脹。伽莫夫被一個單一的想法所指引：找到任何證據或“化石”證明幾十億年前發生了大爆炸。這是一個非常棘手的問題，因為宇宙學在真正的意義上不是一門“實驗科學”。人們不可能對大爆炸進行任何實驗。宇宙學更像一個偵探故事，一門觀察科學，你在犯罪現場尋找“蛛絲馬跡”或證據，而不是一門能夠進行精確試驗的實驗科學。
宇宙的核廚房
伽莫夫對科學的第二個偉大貢獻，是他發現了產生我們在宇宙中看到的最輕元素的核反應。他喜歡把它叫做“史前的宇宙廚房”，原來宇宙的所有元素都是在大爆炸的高溫下烹飪出來的。今天，這個過程叫做“核合成”，即計算宇宙中元素的相對富裕程度。他的想法是：有一個完整的鏈，從氫原子開始，然後隻要不斷向氫原子加入更多的粒子，就能產生鏈中的其他元素。他相信：整個門捷列夫周期表中的化學元素都能從大爆炸的高溫中創造出來。
伽莫夫和他的學生分析，在創世之初，宇宙是一個非常高溫的中子和核子的集合，然後大概熔合發生了，氫原子熔合在一起形成氦原子。正如一枚原子彈或一顆星星，溫度是如此之高，結果氫原子的中子互相碰撞直至熔合，產生氦核。然後氫與氦發生碰撞，按照同樣的過程產生下一組元素，包括鋰和鈹。伽莫夫認為，將更多更多的亞原子粒子加入到核中可以產生更重的元素。換句話說，所有構成可見宇宙的100多種元素都可以在原始火球的高溫中烹調出來。