01
宇宙之谜的故事：
起源

任何旅行所涉及的第一个迷题都是：旅行者最初是怎样到达起点的？

——露易丝·博根

那是一个漆黑的夜晚，下着大暴雨。

1916年初，爱因斯坦刚刚完成了他一生之中最伟大的工作——他推导出一个全新的引力理论并将其命名为广义相对论。为此，他已经不懈努力了10年。然而，广义相对论不仅仅是一个全新的引力理论，它还重新阐释了空间和时间。此外，广义相对论也是第一个不仅可以解释物体在宇宙中如何运行，还可以解释宇宙本身如何演化的科学理论。

但是，这个理论在当时的人们眼中存在一个小问题。因为，当爱因斯坦将他的理论应用于对整个宇宙的描述时，其结果与当时人们对宇宙的认知大相径庭。

今天距离当时已经过去了大约一个世纪，因此我们很难充分地认识到，在这样一个约为人类一生的时间跨度内，人类对于宇宙的认识发生过多大的改变。对于1917年的科学界而言，宇宙是静止的，并且是永恒的。它由唯一的星系，也就是我们所在的银河系组成，而银河系被一个巨大、无限、黑暗、空旷的空间所包围。毕竟，这是当时人们仰望星空，用眼睛或者小型望远镜观测所能得出的结论。在那时，人们没有理由去怀疑还有其他的可能。

和更早提出的牛顿引力理论一样，在爱因斯坦的理论中，引力仅仅是一种存在于所有物体之间的吸引力。这就意味着在宇宙中不可能有物体能永恒地保持静止状态，因为物体之间引力的相互作用最终会导致它们向内塌缩。这与看起来永恒静止的宇宙显然不一致。

如今，人们可能无法想象，当广义相对论所描述的宇宙与当时人们认知中的宇宙如此不同时，爱因斯坦受到了多大的打击。这是因为人们对爱因斯坦以及他的广义相对论一直有所误解，而这个误解一直令我如鲠在喉。在人们的想象中，爱因斯坦在封闭的房间里孤独地工作了很多年，和如今的一些弦理论家一样，用纯粹的思考和推理提出了他遗世独立的优美理论。然而，事实并非如此。

事实上，爱因斯坦一直深受实验和观测的指引。虽然他的确在脑海中展开过许多“思想实验”，也确实花了十余年的时间辛苦工作，学习了新的数学方法，还曾被一些错误的理论线索误导，才最终提出了一个在数学上也如此优美的理论。但是，在他与广义相对论的罗曼史中最重要的一个时刻其实是与观测相关的。在理论诞生前的最后几周，爱因斯坦异常忙碌，他正在和德国数学家戴维·希尔伯特（David Hilbert）竞争。爱因斯坦用他的方程进行计算后预测：水星绕太阳运行的轨道上的“近日点”（行星运行轨道上最接近太阳的点）会产生微小进动。如果不依靠广义相对论，就无法解释这一天体物理现象。

很久以前，天文学家就发现，水星的轨道与用牛顿理论所预测的略有差异。它并不是一个完美的椭圆，因此水星也不能在绕转一圈之后回到起点。这是因为水星的轨道会产生进动，这也意味着水星在运行一圈之后不会精确地返回起点，椭圆轨道的方向会在水星每次绕转一圈之后发生微小的改变，最终呈现出一种类似螺旋状的轨迹。水星轨道的进动非常微小：每个世纪仅有43个角秒（约1/100度）。

爱因斯坦用他的广义相对论对水星的轨道进行了计算，得到的结果与之前天文学家的观测完全相符。正如一位撰写爱因斯坦传记的作家亚伯拉罕·佩斯（Abraham Pais）所描述的：“我相信，这个发现使爱因斯坦经历了强烈的情绪体验，这种情绪体验是他到那时为止的学术生涯乃至他一生中最强烈的。”爱因斯坦曾提到过自己当时出现了心悸，就好像体内“被什么东西咬了一下”。一个月之后，他向一个朋友描述了自己的理论，形容它“优美得无与伦比”。可见这一理论优美的数学形式带给爱因斯坦的愉悦是显而易见的，只是这次他倒没有提起心悸的事情。

当时，观测中的宇宙看起来是静态的，这与广义相对论的推断明显不一致。这种不一致并没有持续很长的时间，但它曾导致爱因斯坦对自己的理论进行了修改，虽然这个修改后来被他视为自己一生中最大的错误。这一点容后再议。现在，除了美国某些学校的董事会，大家都知道宇宙并不是静止的，而是在膨胀的。膨胀开始于大约137.2亿年前那一次令人难以置信的大爆炸。不仅如此，现在我们还知道银河系只是可观测宇宙中大约4 000亿个星系中的一员。我们知道这一切不足为奇，因为近几十年来，我们对宇宙的看法已经发生了革命性的变化。就像早期为陆地绘制地图的人一样，我们刚刚开始在宇宙的最大尺度上全面地为宇宙绘制地图。

宇宙并不是静止的而是在膨胀，这一发现具有深刻的哲学和宗教意义，因为它表明宇宙存在一个初始的时刻。初始意味着创世，而创世会唤起人们的热情。从1929年发现宇宙在不断膨胀，到大爆炸理论被独立的观测结果所证实，其间经历了几十年。教皇皮乌斯十二世（Pope Pius XII）在1951年将其作为创世纪的证据。

回顾几个世纪以来的历程，当今的科学似乎成功地再现了《圣经》中那个万物伊始的庄严时刻“要有光”（Fiat Lux）。从虚无中，物质与无尽的光芒喷薄而出，百般元素分裂扰动，幻化成万千星系。具象的物理证据出现了，（科学）已经证实了宇宙的偶然性。它同时也证实了一个有着充分根据的推论，即存在一个纪元，世界为造物主所创造。创世确有其事。我们说：“因此，造物主存在。因此，上帝存在！”

完整的故事其实更为有趣。实际上，第一个提出大爆炸理论的人是比利时的牧师兼物理学家乔治·勒梅特（Georges Lemaître）。勒梅特堪称是兼具各种不同职业能力的卓越人才。最初他接受的教育是如何成为一名工程师，然后在第一次世界大战期间他成了一名被授予勋章的炮兵。在20世纪20年代初，他在学习神职期间又转而学习数学。再后来，他的研究方向转到了宇宙学领域，先是师从著名的英国天体物理学家阿瑟·斯坦利·爱丁顿爵士（Sir Arthur Stanley Eddington），之后他又前往哈佛大学学习，并最终在麻省理工学院获得了物理学博士学位，而这是他获得的第二个博士学位。

1927年，在勒梅特取得第二个博士学位之前，他实际上已经解出了爱因斯坦广义相对论的方程，并证明该理论预言了一个非静止的宇宙。他甚至已经提出了宇宙正在膨胀这一观点。只是这个观点在当时看上去太过离经叛道，以至于爱因斯坦本人都曾打趣着反对道，“你的数学学得不错，但是你的物理很糟糕”。

尽管如此，勒梅特仍继续着他的研究，并在1930年进一步提出，不断膨胀的宇宙始于一个无限小的点，他称这个点为“原始原子”。同时他还提出这个起始的时刻也许就像《创世纪》中所述，是一个“没有昨天的日子”。

因此，正如教皇皮乌斯所宣称的，大爆炸理论是由一位牧师最先提出的。人们可能以为勒梅特会对教皇的认可感到兴奋，但他其实早就不认为这一科学理论和神学存在什么因果关系，并且最终删除了自己在1931年撰写的关于大爆炸理论的论文草稿中涉及这个问题的段落。

而且，勒梅特甚至对教皇在1951年所声称的大爆炸是创世纪的证据这一观点提出了反对意见。当然，这不仅仅是因为他意识到一旦他的理论将来被证明是错误的，那么罗马天主教对创世纪的声明就有可能会引发争议，虽然那时，他已经被选入梵蒂冈的主教学院，后来还成为主教学院的主席。正如他所说：“在我看来，大爆炸理论完全与任何形而上学或宗教问题无关。”在此之后，教皇再也没有公开提及这个话题。

由此可见，正如勒梅特所说的那样，大爆炸发生与否是一个科学问题，而不是神学问题。再则，即使现在所有证据都强力支持大爆炸的确发生了，人们仍然可以根据自己的宗教信仰或哲学偏好选择不同的理解方式。也就是说，你可以认为大爆炸意味着创世者的存在，也可以认为广义相对论的数学模型就可以解释宇宙从最初到现在的演化，不需要任何神性的干预。然而这些形而上学的猜测和大爆炸理论本身正确与否没有关系，也与我们如何理解它无关。但当我们不再局限于讨论宇宙是否真的在不断膨胀，而是继续探究可能解答宇宙起源的物理原理时，科学就能提供进一步的线索。

然而，不论是勒梅特还是教皇皮乌斯都没能成功说服科学界接受宇宙正在膨胀这个观点。相反，正如所有正确的科学理论一样，最终说服科学界的证据都来自仔细的观察研究。这一次，是埃德温·哈勃（Edwin Hubble）用他的观测结果说服了科学界。哈勃让我觉得人类充满了无限的可能，因为他在成为一名天文学家之前是一名律师。

早在1925年，哈勃就利用一座100英寸 胡克望远镜取得了重大的发现。这座新建在威尔逊山上的望远镜是当时世界上最大的。如今，我们正在建造的望远镜是它直径的10倍以上、面积的100倍以上。在1925年之前，利用当时的望远镜，对于不在银河系中的天体，天文学家们仅仅能够辨别出它们模糊的图像。这些天体被称为“星云”，星云在拉丁语里的意思是“模糊的东西”，实际上就是“云”。这些天体是在银河系之中还是在银河系之外，也是当时的天文学家们争论不休的问题。

由于当时人们对宇宙的普遍认知是银河系就是宇宙的全部，因此大多数天文学家都加入了“这些天体在银河系之中”这个阵营。哈佛大学著名的天文学家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）是这个阵营的领袖。沙普利在五年级退学，自学成才，最终进入了普林斯顿大学。他选择学习天文学，是因为天文学在学校的专业列表中排在第一个。沙普利所做的工作影响深远，他证明了银河系比人们以前认为的要大得多，并且太阳不在它的中心，而是在一个遥远的、平凡的角落里。由于他在天文学界很有威望，因此他对星云性质的看法在当时有相当大的影响力。

1925年元旦，哈勃发表了两年来的研究成果，内容涉及他称为旋涡星云的天体。他在旋涡星云中发现了一种特殊的变星，这种变星被称为造父变星。现在我们所知的仙女座就是他所说的旋涡星云之一。

造父变星最早是在1784年被观测到的。它们是一种特别的恒星，亮度会遵循一定的周期发生规律的变化。1908年，当时名不见经传的天文学家亨丽塔·莱维特（Henrietta Leavitt）作为“人力计算机”受聘于哈佛大学天文台。“人力计算机”指的是当时招募的一些女性，她们的工作是从天文台拍摄的底片中测量和记录恒星的亮度并进行分类。在那时，女性是不允许使用天文望远镜的。莱维特是教会牧师的女儿，是清教徒的后代。她取得了一个惊人的发现，并在1912年展开了进一步的研究：她注意到，造父变星的平均亮度与其亮度变化的周期之间存在一定的规律。因此，对于一个亮度变化周期已知的造父变星，如果可以确定它与地球的距离（这一距离确定于1913年），那么通过测量与其具有同一变化周期的其他造父变星的亮度，人们就能够确定地球与其他造父变星的距离！

观测到的恒星亮度与恒星到地球距离的平方成反比，这是因为光线向外发散，均匀地散布在面积随着距离的平方增加的球面上。因此，由于光在更大的球体上展开，在任何一点观察到的光的强度与球的表面积成反比。也正因如此，确定遥远恒星与地球的距离一直是天文学中的主要挑战。莱维特的发现给这个领域带来了革命性的改变。哈勃经常表示，莱维特应该得到诺贝尔奖。虽然他提出这个建议有可能只是出于没有得过诺贝尔奖的私心。因为如果莱维特获奖，他就有可能凭借后续工作和她分享诺贝尔奖了。事实上，瑞典皇家科学院已经启动了提名莱维特为1924年诺贝尔奖候选人的文书工作，结果却得知她3年前就已经因癌症去世。借助于其人格魅力和自我推销的本领以及作为观测者的才能，哈勃后来成为一个家喻户晓的名字，而莱维特，却可能只有天文迷才知道她。

通过对造父变星的观测以及莱维特发现的周期-光度关系，哈勃证明了仙女座以及其他几个星云中的造父变星与地球的距离非常遥远，肯定不在银河系之内。仙女座是另一个宇宙岛，是一个和银河系几乎一样的旋涡星系。可观测宇宙中有超过1 000亿个星系，仙女座也是其中之一。哈勃的结果非常明确，包括沙普利在内的天文学家们迅速地接受了宇宙不只有银河系这一事实。此时，沙普利已经是哈佛大学天文台的台长，而哈佛大学天文台正是莱维特做出突破性工作的地方。突然之间，已知宇宙的大小扩大了很多倍，比几个世纪以来增加的都多！已知宇宙的性质也改变了，所有其他的一切也随之改变了。

在取得这一引人注目的成绩之后，哈勃完全可以躺在他的荣誉桂冠上睡大觉，但是他还在继续追逐更远大的目标——寻找更大的星系。通过观测更遥远星系中更暗弱的造父变星，他就能够绘制出更大尺度的宇宙蓝图。当他达成目标的时候，他发现了更加不同寻常的事情：宇宙正在膨胀！

哈勃得出这个结论是因为他比较了自己所测量的星系到地球的距离与另一位美国天文学家维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）的一组测量结果。斯里弗分析了这些星系的光谱，要理解这些光谱的本质和意义，需要追溯到现代天文学的开端。

现代天文学中最重要的发现之一就是恒星和地球的基本元素大部分是一样的。和现代科学中的许多发现一样，这一发现也源于牛顿的一项研究。1665年，牛顿还是一位年轻的科学家，他拉上窗帘把自己的房间变暗，只在窗帘上留下一个小洞，使一束细细的阳光透过小洞并通过棱镜，他发现阳光分散成了人们熟悉的彩虹的颜色的光线。因此他认为来自太阳的白光包含了所有这些颜色。事实证明，他的判断是正确的。

150年后，有一位科学家更仔细地检查了这些被分散的光线，发现其中存在黑色的条纹。他认为这些黑色条纹的产生是由于太阳的外部大气中有一些元素吸收了特定颜色或者波长的光线。现在我们将这些黑色条纹称为“吸收线”，而吸收了这些光线的就是地球上也有的一些已知元素，包括氢、氧、铁、钠和钙等。

1868年，另一位科学家在太阳光谱的黄色部分观察到两条新的吸收线，产生这两条吸收线的元素与当时地球上任何已知的元素都不同。他认为这是一种新的元素，并称之为氦。大约30年后，氦在地球上首次被分离出来。

分析来自其他恒星的辐射光谱是探究恒星组成、温度和演化的重要科学手段。从1912年开始，斯里弗观测了来自各种旋涡星云的辐射光谱，发现这些光谱与其附近恒星的光谱相似，但是所有的吸收谱线都偏移了相同的波长。

当时人们认为这种现象是由常见的“多普勒效应”所致。这种效应以奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒（Christian Doppler）命名。他在1842年发现，当波源远离观察者，波长将会被拉伸，当波源向观察者靠近，那么波长会被压缩。这种现象人们再熟悉不过。它常使我想起西德尼·哈里斯（Sidney Harris）的漫画。平原上两个骑着马的牛仔正看着远处的火车，他们中的一个对另一个说：“我爱火车这寂寥的汽笛声，它的频率会因多普勒效应而发生变化！”生活中，如果火车或救护车正在驶向你，它们的汽笛声或者警笛声听起来就会变高，如果它们正在驶离你，它们的声音就会变低。

光波和声波一样，也会发生这样的现象，尽管其中的原理有些不同。如果光源正在远离观察者，不管这是它自身的局部运动还是空间本身的膨胀所致，它的光波波长将被拉伸，因此看上去会比原本更红，因为红色在可见光光谱中波长较长的一端。相对的，向观察者靠近的光源的光波波长将被压缩并显得更蓝。

1912年，斯里弗观测到，除了部分如仙女座这样的例外，来自所有其他旋涡星云的光的吸收线几乎全部系统性地向更长的波长偏移。据此，他推断这些天体中的绝大部分在以相当大的速度远离地球。

哈勃将他观测到的旋涡星系（如今我们已经知道旋涡星云就是星系）到地球的距离和斯里弗测量出的它们远离地球的速度进行了比较。1929年，在一位威尔逊山天文台工作人员米尔顿·赫马森 （Milton Humason）的帮助下，哈勃宣布他们发现了一个非同凡响的经验关系，也就是现在所说的哈勃定律：星系的退行速度与星系到地球的距离之间存在线性关系。也就是说，距离地球越远的星系正在以越快的速度远离地球！

哈勃定律表明，几乎所有的星系都在离地球远去，如果某个星系到银河系的距离是另一个星系的两倍，那其退行速度是另一个星系的两倍，而距离银河系三倍远的星系的退行速度将达到三倍。哈勃定律的提出似乎很明显地暗示：银河系是宇宙的中心！

虽然事实并非如此。但是这正好与勒梅特预测的一致，宇宙其实正在膨胀。

解释这个问题的方式多种多样，但都不太恰当，除非你跳出宇宙之外来考虑这个问题，也就是说，想象自己站在宇宙的外面。为了真正地理解哈勃定律，你需要离开银河系所在的这个特殊位置，从宇宙之外看宇宙。想象自己站在三维的宇宙之外有些困难，但想象自己站在一个二维的宇宙之外是很容易的。我画了一个正在膨胀的宇宙在两个不同时期的图像（见图1-1）。可以看出，星系在 t ₂ 时刻相隔更远。

现在，想象自己在t ₂ 时刻生活在其中的一个星系上。我将这个星系在图1-2（b）中用白色标记出来。

为了便于在这个被选中的星系上看宇宙的演化过程，我把图1-2（b）叠加到图1-2（a）上，但保持被选中的白色星系仍落在原先的位置上（见图1-3）。

瞧！在这个白色星系上看，所有其他的星系都在远离。在同样的时间里，与白色星系相隔两倍远的星系移动了两倍的距离，与白色星系相隔三倍远的星系移动了三倍的距离，以此类推。只要宇宙没有边缘，那这个白色星系上的人就会感觉自己是在膨胀的中心。

选择哪一个星系并不重要。你也可以挑另一个星系，重复上述过程。

每个人的观点都可能不同，要么会认为每个地方都是宇宙的中心，要么会认为任何地方都不是宇宙中心。这都无关紧要，因为哈勃定律和宇宙正在膨胀这一事实吻合。

1929年，哈勃和赫马森第一次宣布他们的发现时，不仅给出了距离与退行速度之间的线性关系，而且还对宇宙膨胀速率本身进行了定量估计。图1-4是当时展示的实际数据。

可以看出，哈勃用一条直线来拟合这些数据。这一拟合结果假设了一个比较理想化的结果。因为虽然这些数据之间存在明显的关系，但是仅从这些数据来看，很难确定一条直线是不是最好的拟合方式。他们从图1-4中推算出的宇宙膨胀速率表明，一个距离银河系100万秒差距 的星系正在以500千米/秒的速度退行。但是，这一结果就没有那么理想了。

原因很简单，如果现在所有的天体都在退行，那么曾经它们会更靠近一些。如果引力的作用是物体间的相互吸引，那么它就会减缓宇宙的膨胀。这意味着如今以500千米/秒的速度退行的星系在过去是以更快的速度退行的。

然而，如果暂时假设星系一直以500千米/秒的速度远离，就可以反推出在多久以前这个星系和银河系处于同样的位置。由于距离银河系两倍远的星系的退行速度也是两倍，如果在此基础上反推，就会发现所有星系会在某个时刻同时叠加在银河系所处的位置上，即整个可观测的宇宙将被叠加到一个点上，这就是大爆炸发生的时刻。我们可以采用这样的方法来估算大爆炸发生的时间。

这样估算出的显然是宇宙年龄的上限，因为如果星系曾经移动得更快，那么它们到达今天的位置所需要的时间会比这个估计值更小。

基于哈勃的分析结果，通过上述方法估算可得，大爆炸大约发生在15亿年前。然而，在1929年就已经有很清晰的证据表明，地球的年龄超过30亿年。

这样一来，事情就有些尴尬了，因为科学家们发现地球比宇宙的年龄更大，只能说明上述分析出了错。

导致这一错误的根源其实在于，哈勃的测距方法中采用了银河系中的造父变星来推算距离，这其实存在一定的系统性偏差。用邻近的造父变星来估计更远的造父变星与地球的距离，然后再估计观测到的更远的造父变星所在的星系与地球的距离，这其间的距离梯度十分惊人。

至于这些系统性偏差最终是如何消除的，涉及漫长的历史过程，这里就不再赘述了。因为我们现在有了更好的测距方法。

我最喜欢的一幅哈勃空间望远镜所拍摄的照片如图1-5所示。

图1-5展示了一个遥远又美丽的旋涡星系，这是它很久很久以前的样子，因为星系发出的光需要旅行超过5 000万年的时间才能到达我们这里。这样的旋涡星系跟银河系差不多，其中包含了大约1 000亿颗恒星。星系中心明亮的核心区大约有100亿颗恒星。请注意照片中左下角的一颗恒星，它的亮度几乎等于这100亿颗恒星的亮度。一眼看去，你可能会产生一个合理的猜测，这是银河系中的一颗恒星，离我们很近，只是正好落在这张照片上。但事实上，它也是这个遥远星系中的一颗恒星，距离我们超过5 000万光年。

显然，这并不是一颗普通的恒星。它是一颗刚刚爆发过的恒星，一颗超新星，它是宇宙最瑰丽的作品之一。当一颗恒星爆发时，它在很短的时间内，大约一个月左右，发出的可见光的亮度可以达到100亿颗普通恒星产生的亮度。

恒星并不会经常爆发。在每个星系中，恒星爆发出现的频率大约是100年一次。但对我们而言，这是一件幸事，因为如果没有恒星爆发，我们根本不会存在。关于宇宙，我所知道的最富诗意的事实之一就是，其实我们身体中的每一个原子都曾经存在于某一颗爆发的恒星里。组成你左手的原子和组成你右手的原子很有可能来自不同的恒星，而我们都是恒星的孩子，我们的身体是由星尘组成的。

人们是如何知道这一切的呢？我们可以将大爆炸作为起点向后推演，推演到宇宙诞生之后大约1秒钟的那个时刻。据推算，在这个时刻，所有的物质都被挤压在一团致密的等离子体中，其温度应该在100亿开尔文 左右。在这个温度下，随着质子和中子结合在一起又经碰撞而分离，核反应很容易发生。随后，宇宙逐渐冷却，我们可以预测这一过程中原初的核子结合成比氢重的原子核如氦、锂等的频率。

按照上述方法进行计算，我们发现在大爆炸的原初火球阶段，基本上没有比锂——自然界中第三轻的原子核更重的原子核形成。我们确信这个计算结果是正确的，因为我们对最轻的几种元素在宇宙中丰度的预测与观测结果正好吻合。氢、氘（重氢的核）、氦和锂这些轻元素的丰度两两相差大约10个数量级。按质量算，大约25%的质子和中子在氦核中，而每100亿个中子和质子中有1个在锂核内。在这个令人难以置信的巨大范围内，观测结果和理论预测是一致的。

这是最著名、最重要，也是最成功的预测之一，它告诉我们大爆炸真的发生过。只有通过一次极高温的大爆炸才能够产生如今宇宙中轻元素的丰度，并与宇宙正在膨胀这一观测结果保持一致。我总是随身携带一张卡片，上面展示了理论预测中轻元素的丰度和观测结果的对比。每当遇到不相信大爆炸发生过的人时，我就可以把卡片展示给他们看。当然，在讨论中我通常很少使用这张卡片，因为当一个人一早就认为某种理论存在错误时，我很难通过数据来说服他。尽管如此，我还是随身携带这张卡片，稍后我会在书中展示给你们看。

虽然锂对于一些人来说很重要，但对其他人来说更重要的是那些更重的原子核，如碳、氮、氧、铁等，这些都不是在大爆炸中产生的。唯一能产生这些原子核的地方是恒星炽热的核心。而它们能够进入我们身体的唯一途径就是恒星爆发时，将它们喷洒到宇宙中，直到有一天它们聚集在我们称为太阳的恒星附近的一颗小小的蓝色行星上。在银河系的演化历程中，大约有2亿颗恒星爆发过。大量的恒星“牺牲”了自己，才使得有一天你可以出生。这些恒星仿佛扮演了救世主的角色。

1a型超新星是一种特定类型的爆发恒星。在20世纪90年代进行的研究中，科学家们发现1a型超新星具有一种显著的特性：固有亮度越高的1a型超新星发光的时间也越长，并且这一结果精确度很高。虽然这种相关性在理论上还没有一个完整的解释，但是很符合经验统计规律。这意味着这种超新星是很好的“标准烛光”，可以用于校准距离。因为它们的固有亮度可以直接测定，而不需要事先计算我们与它们之间的距离。

由于1a型超新星非常明亮，人们很容易发现它们，如果我们在遥远的星系中观察到一颗1a型超新星，那么观察它发光的时间，我们就可以推断出它的固有亮度。然后，用望远镜测量其视亮度，我们可以准确地推断出这颗超新星及其所在的星系到底离我们有多远。再测量星系中恒星发出的光的“红移”，我们可以确定其运动速度，从而可以将其速度与距离进行比较，最终推断出宇宙的膨胀速率。

到目前为止，这一切都显得顺理成章。但是，如果在每个星系中恒星的爆发是百年一遇，那我们有多大的概率能看到一次？毕竟，人们上一次在地球上看到银河系内的一颗恒星爆发是在1604年，目击者是约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）。据说，只有最伟大的天文学家们才能在有生之年观察到银河系中恒星爆发的时刻，而开普勒肯定符合这一条件。

开普勒原先是一名普通的奥地利数学教师，后来成为天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）的助理。第谷曾经观测到银河系中一次更早发生的恒星爆发，为此丹麦国王赠予了他一整个岛屿作为奖赏。使用第谷在10多年中记录的行星位置数据，开普勒在17世纪初推导出了著名的关于行星运动的三大定律。

1．所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆的。

2．行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫过的面积相等。

3．行星绕太阳一周的时间的平方与其椭圆轨道的半长轴的立方成正比。“半长轴”，即椭圆最宽处长度的一半。

这三大定律为近一个世纪之后牛顿推导出万有引力定律奠定了基础。在做出这个非凡的贡献之余，开普勒不仅成功地将他母亲从巫术的指控中解救出来，还写下了可能是有史以来的第一个科幻故事，内容是关于月球旅行的。

如今，或许还有一种方法有助于发现超新星，那就是对天空中的每个星系都指派一名研究生。毕竟，从宇宙的时间尺度上看，100年和一个研究生拿到博士学位所需要的平均时间并没有什么区别，而且研究生数量充足，花费低廉。但幸运的是，我们不必采取这样的极端措施，原因很简单：宇宙巨大而古老，即使是罕见的事件也总是在不断发生。

选一个晚上出去走走，到树林或沙漠里，选一个你可以看到星星的地方。将你的手伸向天空，用拇指和食指扣成一个大小和一角的硬币差不多的小圈。把小圈对准天空中看不到星星的黑暗区域。在这个黑暗的区域中，利用现在已经投入使用的一个足够大的望远镜，可以观察到大约10万个星系，而每个星系中都包含数十亿颗恒星。由于恒星爆发在每个星系里大约每100年发生一次，因此平均而言，即使在这么小的视野里，一个晚上你也应该能看到大约3颗恒星爆发。

天文学家就是这样做的。他们申请望远镜的使用时间进行观测。有些夜晚他们可能会看到一颗恒星爆发，有些夜晚能看到两颗，也有些夜晚是多云天气，因此他们可能一无所获。就用这种方式，有几个科研小组已经能够精确地确定哈勃常数，误差小于10%。最新的数据表明，对于平均间距为300万光年的星系，它们之间的退行速度大约是70千米/秒。这个数字几乎是哈勃和赫马森当年测算结果的1/10。因此，如今我们推断宇宙的年龄约为130亿年，而不是15亿年。

这一结果也与对银河系中最古老的恒星年龄的独立估计完全相符。从第谷到开普勒，从勒梅特到爱因斯坦和哈勃，从恒星的光谱到轻元素的丰度，400年来现代科学的发展已经描绘了一幅卓越且能彼此印证的宇宙正在膨胀的图景。所有证据都严丝合缝，大爆炸理论形势一片大好。 1PSkOtdhertARWy4D0KBJ/VrE1kLtQWZJI3G7jiK82Glc5F6gfmQQAZXvCFskSeX