當(dāng)圍繞著他的發(fā)現(xiàn)還存在著激烈的爭論之時，哈勃已在努力完善他的方法了。與光譜學(xué)專家M·L赫馬森一起，哈勃通過對星系的無數(shù)次測量為距離一速度之間的相關(guān)方程提供了明確證據(jù)，并發(fā)現(xiàn)他們所能測量到的最遠(yuǎn)的星系（2.5億光年）正在以每秒2600英里的速度后退。到1936年，哈勃已經(jīng)探測到了他的100英寸望遠(yuǎn)鏡所能達(dá)到的宇宙極限。

與此同時，其他天文學(xué)家所積累起來的證據(jù)連同更大望遠(yuǎn)鏡和更新方法所提供的證據(jù)一起，表明哈勃低估了到星系的距離。但是，新的證據(jù)也證實了距離——速度之間的關(guān)系。由于注意到了更遠(yuǎn)星系更高的速度（時間上和空間上的距離，因為我們所觀察到的是它們遙遠(yuǎn)的過去），天文學(xué)家得知宇宙的膨脹不只是星系以穩(wěn)定步伐后退的問題。在宇宙的早期階段，星系間相互離去的速度曾經(jīng)更高，現(xiàn)在的宇宙膨脹實際上是從劇烈的初期擴張所延續(xù)下來的減速運動。這樣，現(xiàn)代科學(xué)所形成的一致意見是：宇宙不只是在膨脹而且是在爆炸！

4.近代天文學(xué)最大的挑戰(zhàn)之一：繪制宇宙的結(jié)構(gòu)

繪制宇宙是近代天文學(xué)最大的挑戰(zhàn)之一。第一、二維圖像是滿足不了科學(xué)目的的，為了理解各種宇宙的大結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜的相互作用，天文學(xué)家不僅需要知道天體在天空的位置，還要知道這些天體之間距離的信息。

但超過一定的范圍，測定這些天體的距離是困難的。我們已經(jīng)討論過測定天體距離的各種方法：對于近鄰恒星，用視差法就行了；對于銀河系內(nèi)遠(yuǎn)方的恒星，就要用比較一顆恒星的視亮度和它的絕對亮度的方法。

測定近鄰星系和星系團的距離，科學(xué)家們就要用更先進(jìn)的方法，如造父變星法。在用火箭發(fā)射哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Tele Scope，以下簡稱HST）以前，造父變星差不多被用做測定本星系群內(nèi)星系距離的尺碼。HST的發(fā)射，使得用此法測量近鄰星系團的距離成為可能。

但是，仍有一些區(qū)域，造父變星顯得太暗，此技術(shù)難以應(yīng)用，科學(xué)家被迫實行一些猜測的方法。例如，塔利-費希爾（Tully Fisher）關(guān)系一個關(guān)于星系的絕對亮度與其光譜中一特殊譜線（如紅光波長的）寬度之間的關(guān)系的觀測原理，有時被用來測定星系的距離。在測量宇宙的大尺度區(qū)間時，比較普遍采用的辦法是利用星系的退行速度與距離之間的哈勃定律比例關(guān)系，測量一個星系（或星系團）的譜線向紅端移動的量，觀測者就能估計該星系離我們多遠(yuǎn)。哈勃1929年的發(fā)現(xiàn)即現(xiàn)在所說的哈勃定律告訴我們，所有遙遠(yuǎn)的星系都在以直接與其距我們距離成比例的速度遠(yuǎn)離我們而去。換句話說，如果某星系距銀河系的距離是另一個星系的兩倍，則我們將會發(fā)現(xiàn)該星系遠(yuǎn)離我們而去的速度也會是兩倍。羅伯特·賈斯特羅（NASA戈達(dá)德研究所的創(chuàng)始人，現(xiàn)在為哈勃曾實現(xiàn)其絕大多數(shù)發(fā)現(xiàn)的威爾遜山天文臺的領(lǐng)導(dǎo)者）寫到：“哈勃定律科學(xué)史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一：它是對創(chuàng)世紀(jì)的科學(xué)性的主要支持證據(jù)之一。”

宇宙學(xué)家用一個稱作哈勃常數(shù)的數(shù)字（通常記作H0）來表示速度/距離之間的精確關(guān)系。H0是一個很關(guān)鍵的數(shù)值，因為如果我們能夠?qū)⒃摂?shù)值確定下來則我們就能確定宇宙的大小和年齡。在確定哈勃常數(shù)方面各方還沒有形成一致的意見，因此宇宙學(xué)家目前認(rèn)定宇宙的年齡大致處在80～200億年之間（這也意味著宇宙的直徑有80～200億光年）。在哈勃常數(shù)還未有較可靠的值以前，該定律只能提供相對的距離值。

用于大尺度距離測量的尺碼，從視差到造父變星到光譜方法加在一起的“雜燴”叫作宇宙距離階梯。科學(xué)家們用此階梯，一級一級地從比較熟悉的近鄰恒星爬向遠(yuǎn)方的星系團及類星體。當(dāng)新的測量棒經(jīng)過考驗可用時，該階梯便被加固了一些并延伸出去，成為艱難地步步高升連接到宇宙深處的梯子。

除了距離測量問題外，當(dāng)天文學(xué)家們企圖繪制可見宇宙的天圖時，還遇到另一個因難：需要探索的領(lǐng)域令人難以置信的廣闊，潛在的能用望遠(yuǎn)鏡視察的空間的體積超過幾十億光年的立方1031（光年），這里面充斥著數(shù)百億個星系（它們中的大多數(shù)是HST近來發(fā)現(xiàn)的）。要做出它們的目錄，恐怕需要花費幾百年時間。

與此同時，人類一項重要的探空計劃在進(jìn)行中。如哈佛一施密松天體物理中心（CfA）的蓋勒和赫克拉所做的是獲得可見宇宙內(nèi)有代表性的截面中的信息。打算用對這部空間的觀測結(jié)果，提供星系在宇宙中是如何分布的粗放的概念。

計劃中第一個有代表性的天區(qū)的圖像，是赫克拉和拉普蘭特在1985年春季繪制出來的。他們測定了位于一個6度寬的狹長天區(qū)內(nèi)大約1100個星系在空間的位置。選取如此大小的空間觀測，是為了能在較短的時間里完成巡查任務(wù)。

在開始巡查時，蓋勒和她的同事們并未希望見到宇宙中大尺度有序狀態(tài)的證據(jù)。事實上，他們原來想象巡天工作將揭示出一個勻稱紋理的宇宙。相信它們將看到星系團均勻地分布在天空，就像少量的葡萄干均勻地分布在葡萄干面包里那樣。但實際看到的卻是確鑿無疑的星系分布的稀奇的式樣。星系和星系團不是隨機（雜亂）分布，而是表現(xiàn)為組成的、紡錘式的弦（帶子）和寬的伸展了的書頁，也有成為巨大的物質(zhì)氣泡狀的分布態(tài)勢。這些氣泡的里面看來非常地空，好像所有原來在里面的星系全被吸管吸出去了。

CfA小組看到的是這樣一個奇特的景象：與濃密地分布幾百萬個星系的空間區(qū)域?qū)Ρ戎氖菍嶋H上空無一物的天區(qū)——他們稱其為空洞或巨洞。不知什么緣故，在宇宙歷史上的某個時期，大尺度有序狀態(tài)從混沌中出現(xiàn)。CfA小組難以解釋這是如何發(fā)生的，他們只是觀察到這些情形罷了。

1989年，蓋勒和赫克拉把他們的巡天工作延伸到包括幾千個星系，并觀測到一個新的特色：一個在空間延伸超過5億光年的星系“巨壁”。這一叫作長城的宇宙柵欄，是宇宙中存在的最大的單一結(jié)構(gòu)特色。

蓋勒及其合作者們，遠(yuǎn)不是注意到宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的第一組人。在50年代，法國天文學(xué)家沃庫勒（Gerardde Vaucoleurs），發(fā)起了一場關(guān)于他建議的星系和星系團屬于更大的天體集團稱為“超星系”（現(xiàn)在稱為超星系團）的大爭論。

當(dāng)時，大多數(shù)天文學(xué)家相信星系團是空間最大的天體集團，他們認(rèn)為，引力理論，如愛因斯坦廣義相對論所表達(dá)的形式，不利于更大天體集團的形成。還認(rèn)為，擴展得更大的結(jié)構(gòu)只能通過引力松散地聯(lián)系在一起，宇宙的膨脹將把它們拉開。因此，這種結(jié)構(gòu)的壽命只能是短暫的，今天的宇宙中不存在這樣大的結(jié)構(gòu)。

但經(jīng)過多年積累的觀測資料，國際天文界漸漸接受了宇宙中存在著“星系團的集團”這個事實。我們的本星系群被證明是一個叫做本超星系團的一部分，該超星系團在空間伸展1億光年，室女座星系團位于其中心。人們還發(fā)現(xiàn)了許多其他超星系團，帶著它們穿起來的“念珠”，交叉在宇宙中。

沃庫勒年輕時是個急性子的人，現(xiàn)在感到了辯解的意義。

時間是檢驗真理的唯一工具。正如他所說的“正如一個成長的兒童逐漸明白了較大單元的人類組織——家庭、鄰居、城市等等——天文學(xué)家們在過去400年間逐步認(rèn)識到天空的等級式安排。這一天文的發(fā)展在繼續(xù)前進(jìn)中。”

今天，基于不可抗拒的，例如由蓋勒、赫克拉和普蘭特提供的觀測證據(jù)，大多數(shù)天文學(xué)家接受了下列事實：宇宙有一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)的等級。描述這些結(jié)構(gòu)的名詞如“纖維”、“氣泡”、“薄片”及“空洞”等，已成為他們經(jīng)常使用的詞匯了。他們不再爭論宇宙是否有大尺度結(jié)構(gòu)，而是在尋求去理解這些結(jié)構(gòu)的來源和性質(zhì)。

科學(xué)家們提出了三種宇宙結(jié)構(gòu)形成的模型。70年代初期，前蘇聯(lián)科學(xué)家澤多維奇提出了“薄餅?zāi)Ｐ汀薄１★災(zāi)Ｐ褪亲陨隙碌睦碚摚С窒铝杏^點：大結(jié)構(gòu)，如薄餅和氣泡是先產(chǎn)生的，然后這些大結(jié)構(gòu)裂開，成為超星系團、星系團，最后出現(xiàn)星系。在澤多維奇的理論中，早期宇宙內(nèi)充滿了大而平坦的物質(zhì)扁塊——“薄餅”，最終碎裂為較小的斷片，這些斷片再演化成星系。澤多維奇的模型對為什么星系排列成長串和薄片的解釋是：這些結(jié)構(gòu)是原始“薄餅”的遺物。

第二種模型稱為等級式成團模型。在倡議者中，有普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家皮伯斯。在這個自下而上的模型中，從氣云凝聚而成的星系首先在原初宇宙中形成。隨著宇宙的發(fā)展，許多這樣的星系互相接近到足以彼此發(fā)生引力拉曳，很快星系群互相接近，形成星系團，然后超星系團出現(xiàn)了。就像冬天的風(fēng)把雪刮成雪堆，同時也使有些地方?jīng)]了雪一樣，在空間形成了空洞，那里的物質(zhì)被引力吸走了。

最后，第三種模型我們稱之為分形接近。分形是自相似的物體，也就是說，在所有觀測的尺度，它們看上去是一樣的。它們和俄羅斯的彩色套娃一樣，一個套在另一個里面。按照分形接近，結(jié)構(gòu)的多層次，從星系到星系團到超星系團是同時產(chǎn)生的。超星系團的形成過程明顯地與星系的形成過程一樣——只不過是在較大的尺度上罷了。

近來，理論工作者，如蓋爾布和麻省理工學(xué)院的伯特辛格，曾用計算機模擬方法來檢驗星系形成的模型。在他們的模擬中，用隨機分布的大塊物質(zhì)作為一個“玩具”宇宙的種子，并觀察引力和其他力對于這些種子的影響。只要在他們的研究中包括了稱作暗物質(zhì)的物質(zhì)（在第五章中將要討論），便能夠較好地模擬出星系的產(chǎn)生和其他結(jié)構(gòu)。

二、宇宙是怎樣演化的

宗教用創(chuàng)世說來回答這個問題，科學(xué)總是用不斷演化著的知識來解釋這個問題。在近代，康德和拉普拉斯依據(jù)牛頓力學(xué)，提出了太陽系演化的星云說。今天看來，他們的理論是相當(dāng)膚淺的假說。20世紀(jì)關(guān)于恒星演化的理論是以核物理為基礎(chǔ)的，而且人們試圖了解整個宇宙的演化。

19世紀(jì)德國人奧伯斯提出的光度佯謬提醒人們：夜晚的天空總是黑暗的，任何宇宙模型都必須滿足使夜空黑暗的條件。德國人西利格提出的引力佯謬則要求，必須假定宇宙有一定的結(jié)構(gòu)，天體應(yīng)該是非均勻分布的，否則地球受到的引力就不是穩(wěn)定的。正是在這樣的前提下，1917年，愛因斯坦根據(jù)廣義相對論，導(dǎo)出了一個體積有限但沒有邊界的“愛因斯坦宇宙”。這是一個有物質(zhì)無運動的靜態(tài)宇宙。同年，荷蘭人德西特提出了一個有運動無物質(zhì)的空虛宇宙模型，它不斷膨脹著，被稱為“德西特宇宙”。

1922年，前蘇聯(lián)人弗里德曼根據(jù)愛因斯坦的引力場方程式推論出，空間的幾何特性如果是平直的，就得到一個不斷膨脹的宇宙；如果是凸面的，就得到一個膨脹和收縮輪換的封閉宇宙；如果是凹面的，就得到一個膨脹著的敞開宇宙。1927年，比利時人勒梅特研究了“弗里德曼宇宙”，提出了大尺度空間隨時間膨脹的概念，建立了“勒梅特膨脹宇宙”模型。1929年哈勃提出哈勃關(guān)系式后，英國人愛丁頓最先把它與宇宙膨脹說聯(lián)系起來，認(rèn)為宇宙膨脹說得到了天文觀測的證實。

弗里德曼和勒梅特的宇宙膨脹著，而膨脹總是從物質(zhì)密度無窮大開始的。1932年，勒梅特在他的模型的基礎(chǔ)上，提出了一個宇宙演化學(xué)說，認(rèn)為整個宇宙的物質(zhì)最初集中在一個超原子宇宙蛋里，后來發(fā)生猛烈爆炸，碎片向四面八方散開，形成了今天的宇宙。但他當(dāng)時還沒有足夠的核物理學(xué)知識來描述爆炸后宇宙演化的具體過程和細(xì)節(jié)。另外，勒梅特當(dāng)時還低估了宇宙的年齡。

1948年，蓋莫夫完善了勒梅特的理論，提出了系統(tǒng)的大爆炸宇宙學(xué)說，大爆炸學(xué)說提出后經(jīng)過一些天文學(xué)家的完善，把宇宙生存的時間追溯到約200億年前。據(jù)說，宇宙蛋爆炸前沒有時間存在，爆炸后經(jīng)歷了普朗克時代、大統(tǒng)一時代、強子時代、輕子時代、核合成時代、物質(zhì)時代、復(fù)合時代等，然后宇宙開始透明，逐漸形成星系和星系團、恒星和恒星系。在太陽系形成之后，它中間的一顆行星地球，變成了生命的搖籃……

大爆炸宇宙論預(yù)言，宇宙爆炸后必定還存在著背景輻射。1964年，美國貝爾電話公司的彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)于3.5K度物體的輻射，各向同性，沒有季節(jié)變化，被認(rèn)為只能是一種宇宙背景輻射。這一發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是宇宙大爆炸后的殘余背景輻射，成了支持大爆炸宇宙論證據(jù)之一。

大爆炸宇宙論所描述的宇宙時代，包含氫核合成氦的時代。根據(jù)這種理論估計，目前宇宙中殘存的氦豐度為24.6％左右。目前射電天文學(xué)家在整個銀河系內(nèi)和許多近鄰星系中都發(fā)現(xiàn)了氦，甚至在更遙遠(yuǎn)的天體中也探測到了氦。在所有發(fā)現(xiàn)氦的場合下，有力的證據(jù)表明，無論在哪里，只要有1個氦核便有10個氫核，既不過多也不太少。宇宙中這種氦豐度，亦被視為大爆炸宇宙論的有力證據(jù)。

盡管如此，大爆炸宇宙論還不是一個完善的理論，它還不能從物理學(xué)的觀點來說明宇宙初始的條件，也不能有把握地預(yù)言宇宙的終結(jié)。某些天文學(xué)家認(rèn)為，被用來說明宇宙膨脹的星光譜線紅移，可能是由于光在旅途中損失了能量后造成的，因而提出了疲勞光宇宙論。除此之外，有人還提出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙、星系和反星系宇宙、收縮宇宙、冷宇宙等模型。