宇宙學並不是從某些人大腦中憑空誕生的一門玄之又玄的學問，而是一門有著堅實的觀測數據和可靠的物理理論作為基礎的觀測科學。現代宇宙學是在現代物理學的兩大支柱——相對論和量子力學的支持下誕生的，隨即得到天文望遠鏡製造技術與天文觀測技術的發展帶來的數據支持。自從身體被束縛在輪椅上，思想卻在宇宙深處遨遊的物理學家霍金出版《時間簡史》之後，宇宙學更成為當代顯學，從科學家的書房走向了大眾的茶餘飯後。
和《時間簡史》面向普通公眾不同的是，朗蓋爾(Malcolm Longair)的《宇宙的世紀》是一部紮實的「宇宙內史」，閱讀它也許需要更多的知識準備。該書將20世紀現代宇宙學的誕生與一步步發展的過程詳盡地勾勒出來，討論了現代天體物理學各個分支的觀測和理論過去一百年的發展。
《宇宙的世紀》的作者朗蓋爾是英國天體物理學家，在他的研究生時代正好趕上1960年的天體物理學大發展時期，同時也是大爆炸宇宙學和穩恆態宇宙學爭論最激烈的時代，朗蓋爾的一位導師就是穩恆態宇宙學代表人物、英國天文學泰鬥霍伊爾。作者的學術生涯經歷了1960年至今的宇宙學從簡單到精密的全過程，由他來帶領天文學愛好者重新經歷一次宇宙學發展史是非常合適的。
「牛頓宇宙」模型的遺留問題
很多中國民間科學家反對大爆炸宇宙學的理由是，「在我們上學的時候」學習的是「時間是無窮無盡的，空間也是無窮無盡的，宇宙既沒有創生，也沒有結束」。這是在現代宇宙學誕生之前，也就是馬克思在世時科學界和思想界奉為圭臬的「牛頓宇宙」的模型。這種宇宙觀是由哥白尼、布魯諾所肇始，由牛頓及牛頓之後的科學家所確立的。在處理低速運動時，這種宇宙觀提供了有效的參照系，從當前來看，它也是對「鄰近宇宙」的很好的採樣，因此在20世紀之前，完全稱得上是科學的。
哥白尼的日心說，以及伽利略利用剛誕生的望遠鏡進行的觀測拓展了人們對於宇宙的認識，從太陽系的「果殼」向外發現了可能是無限的宇宙。1664年，21歲的牛頓根據克卜勒第三定律推導出了萬有引力，無論是地球還是天體都會受到萬有引力的作用，從而在力學上統一了天地併合理地解釋了太陽系諸天體的運行。但萬有引力對於宇宙的「穩定存在」卻是一個挑戰。
1692年一位英國牧師本特利(Richard Bentley)給牛頓寫信，討論如何從物理角度理解宇宙的本質，兩人展開了短暫卻頻繁的通信。在寫給這位牧師的回信中，牛頓討論了布滿恆星的有限或者無限宇宙的穩定性，他給出的結論是：宇宙一定是無限的，否則，有限的宇宙一定會在引力作用下向中心坍縮。不過他們也以深刻的物理洞察力認識到，即使宇宙是無限的，也存在引力不穩定性問題。牛頓承認：「上帝設計的宇宙是無限的，恆星在其中均勻分布，並且它們正如針尖倒立一樣處於極其完美而微妙的不穩定平衡狀態。」
無限時空的牛頓宇宙觀並沒有解決穩定性問題，也沒有回答「宇宙創生」的問題，只是進行了技術迴避，把這個問題留給了上帝。
跟著星光走向宇宙
在1664「奇蹟年」中，牛頓用三稜鏡研究太陽光，發現我們所見到的白光實際上是由七色光組成的，從而開創了光譜學。對光的傳播和本質的討論也成為牛頓理論的一個重要內容。有趣的是，儘管19世紀的科學家仍然在「牛頓宇宙」中工作，但在光譜學領域已經取得了許多「非牛頓」的研究成果，只是當時的科學家還沒有意識到這一點。
1802年，託馬斯·楊(Thomas Young)向皇家學會提交了《關於光和顏色的理論》，用光的雙縫幹涉證明了光的波動理論的正確性，並用衍射光柵首次測量了不同顏色的光的波長。1817年，玻璃工出身的德國科學家夫琅和費(Joseph Fraunhofer)仔細研究了太陽光譜，發現了太陽光譜中的暗線，隨後他還發現恆星光譜中也有同樣的暗線存在。1859年，基爾霍夫(Gustav Kirchhoff)在實驗室中觀察了光線通過火焰之後的吸收光譜，發現了輻射特性與吸收特性的關係，從而明白了夫琅和費光譜中對應實驗室鈉元素光譜的暗線意味著太陽中存在和地球上同樣的鈉元素。這一發現繼牛頓的萬有引力之後，從物質成分的角度統一了天體和地球。
對於恆星光譜分類的研究則從19世紀中期一直持續到20世紀，並延續到今天。由於許多天體無法得到直觀的圖像，光譜成為辨別它們最主要的「身份證」，使天文學家可以測量恆星的光度和距離。1925年哈勃(Edwin Hubble)正是在美國女天文學家利維特(Henrietta Leavitt)發現的造父變星的周光關係基礎上證明了仙女座星雲其實是河外星系，從而開創了河外星系天文學。1926年哈勃用統計方法證明在銀河系附近，星系是均勻分布的，他估計，按照愛因斯坦的靜態宇宙模型，他已經觀測到了宇宙半徑的1/600。哈勃還估計，根據天文底片和望遠鏡尺寸的增長速度，在可以預見的時間裡人們能夠觀測到愛因斯坦宇宙中相當大的一部分。
在光譜學研究的基礎上，哈勃對星系光譜的研究讓他於1929年得到了現代觀測宇宙學的第一個重大發現，說明了星系遠離速度(即紅移現象)與星系距離的關係，即哈勃定律，證明整個宇宙(星系系統)正在經歷勻速的膨脹。這個發現給愛因斯坦帶來了尷尬和鼓舞，他本可以在觀測提供證據之前就發現宇宙可能是在膨脹的。
愛因斯坦的誤判
牛頓物理學主導物理學三百多年，解釋了幾乎所有的自然現象，戰勝了無數的困難，貌似堅不可摧。19世紀末的一些物理學家認為物理學問題已經被牛頓理論解決完了，但沒有想到，廣義相對論在牛頓力學出發的地方——太陽系就打敗了它，這就是水星的進動問題。1915年，愛因斯坦精確地解決了水星進動問題，這給了愛因斯坦最初的信心，終於完整地發表了他的廣義相對論。
愛因斯坦發現，在廣義相對論框架下，他可以構造一個從整體上描述宇宙的模型，這是自牛頓-本特利通信之後，試圖「描寫宇宙」的又一次嘗試，但和牛頓一樣，他很快發現在純引力作用下宇宙沒有穩定解。由於天文觀測證據的限制，愛因斯坦並沒有立刻發現「不穩定」的意義——宇宙可能是正在膨脹或者收縮，他的大腦也仍然被宇宙「穩定」的假象所蒙蔽。
1917年，愛因斯坦構造出了一個「靜態宇宙模型」，為了解決牛頓注意到的引力不穩定性問題，愛因斯坦在他的方程中人為地引入了「宇宙學常數」。這個模型是第一個完全自洽的宇宙學模型，它描述了一個封閉的有限密度的靜態宇宙，這個宇宙模型實際上反映的是牛頓時空觀的「餘威」。雖然「宇宙學常數」出現得很突兀，但為了使宇宙保持「穩定」，愛因斯坦只能如此。這個模型就是哈勃在1926年論文中引述的「愛因斯坦宇宙」。
幸好並非像傳說的那樣只有愛因斯坦等少數幾個人懂廣義相對論，好幾位物理學家開始致力於用廣義相對論建立宇宙模型。1924年，蘇聯科學家提出了「膨脹宇宙」的模型。
對於當時的天文學家和物理學家來說，「膨脹宇宙」是個不可思議的怪事，因為天文學觀測還沒有給出任何證據表明「永恆」的宇宙還會發生變化。1927年勒梅特(Georges Lemaitre)重新發現了愛因斯坦方程的膨脹解，他指出宇宙可能是從「原初原子」或者「宇宙蛋」這樣一個很小的尺度演化而來，但他也不是很自信地說：「我們仍需要解釋宇宙膨脹的原因。」
僅僅兩年後，年輕的哈勃發現星系存在系統紅移：宇宙正在膨脹！牛頓的絕對時空至此再也無法立足，宇宙膨脹成為新的「科學宇宙觀」。
大爆炸宇宙學的確立
在1920、1930年代，科學界的主要精力被新興的量子力學所吸引，天體物理學家則致力於用量子力學和核物理學解釋恆星的能量來源，而宇宙學僅僅得到星系紅移的支持，在大多數科學家看來，證據還不充分，只有少數科學家注意到了宇宙學可以和量子力學結合起來。
出生在俄國的伽莫夫(George Gamow)在年輕時代發現了解釋α衰變的「勢壘穿透」的伽莫夫公式，這是量子力學在原子核研究上最早的成就之一。伽莫夫從而獲得了玻爾的賞識，後來玻爾幫助伽莫夫逃離了鐵幕下的蘇聯，到美國定居。伽莫夫曾經是弗裡德曼的學生，對於宇宙膨脹的觀念當然不陌生。勒梅特的「宇宙蛋」給伽莫夫提供了研究靈感。勒梅特認為，「宇宙蛋」裡可能是高密度的質子、電子和氦原子核，這些簡單的粒子是所有化學元素的起源。
1948年的愚人節，一篇署名為阿爾弗、貝特和伽莫夫的論文發表在《物理學評論》雜誌上。在這篇文章中，作者從「中子海」算起，描述了宇宙最初三分鐘經歷的物理過程，解釋了氫、氦元素的形成，這個理論被稱為αβγ理論(即作者姓名的拉丁詞根)。同一年，伽莫夫的兩個學生阿爾弗和赫爾曼對原初核合成計算進行了細化，他們意識到宇宙早期的狀態不是物質而是充滿了輻射，這些輻射一直遺留到了現在，他們算出的熱背景溫度約為5K，這是大爆炸宇宙學第一個科學預言。伽莫夫並沒有意識到，當時已經存在能夠探測5K這樣低溫輻射的技術，而且就在《物理學評論》αβγ論文的同一卷上，物理學家狄克(Robert Dicke)就發表了用雷達觀測到星際氣體溫度不會高於20K的文章，但此時誰也沒有把它與宇宙微波背景輻射聯繫起來。
後面的故事就是很多人所熟悉的了，貝爾實驗室的兩位工程師彭齊亞斯(Arno Allan Penzias)和威爾遜(Robert Wilson)為了排除天線噪聲無意中發現了3K左右無法去除的「噪聲」，這就是微波背景輻射。
第二次世界大戰之後政府開始對基礎科學進行大批投資，天體物理學和宇宙學研究也從中受益。戰爭期間發展起來的計算技術、雷達技術也被應用於天文學研究，天文學觀測逐漸從傳統的光學波段拓展到射電、X射線和伽馬射線等全電磁波段，觀測設備也從單純的望遠鏡發展到氣球、火箭和衛星，宇宙學開始迎來了它的黃金時代。
宇宙學的黃金時代
哥白尼之前的「宇宙」以地球為中心，是一個「安全而舒適」的宇宙，上帝照看著他所揀選的人類。牛頓時代的宇宙在時空上是無限，在物理上卻是永恆和安靜的，時間在靜謐的空間中流淌，人類面對著不可知的過去和不可知的未來。廣義相對論向人們展現的宇宙是動蕩不安的，它有一個開始，也可能有一個終結。
1960年代以來的天文學觀測發現，宇宙不僅是演化的，還是暴烈的：恆星在誕生和爆炸，黑洞埋藏在幾乎每個大星系的深處，就連龐大的星系也存在碰撞與合併，恆星、黑洞、中子星、類星體都存在強烈的輻射，具有極高能量的宇宙射線每天都在轟擊著地球，安靜的宇宙變得喧囂起來。
與這些發現同時發生的是，物理學家們開始從量子力學和核物理研究轉向天體物理學和宇宙學，天文學從獨立的傳統「方位天文學」轉而成為物理學的一部分。成立於1919年的國際天文聯合會(IAU)人數也從1922年的200人，1938年的550人，增加到2003年的9100人。
經過20世紀裡幾十年的爭吵之後，1990年代宇宙學家們終於確立了「標準宇宙學模型」，能夠解釋宇宙從極早期的「暴脹」過程產生大尺度結構，能夠說明早期留下的微弱擾動如何迅速演化出恆星、星系和星系團等可以觀測的天體。天體物理學家們對於恆星、星系的演化過程也獲得了較為滿意的答案。
「標準模型」的建立並不意味著解決了宇宙學和天體物理學中的所有問題，恰恰相反，有更多的問題正在等待天文學家。還沒有完全解決的類星體、星系核問題，以及新提出的星系在宇宙早期已經「成熟」的問題，考驗著下一代的天文觀測技術和天文學家的耐心。
從1930年代發現的暗物質，到1998年確認的暗能量，這兩個「看不見」的宇宙成分對經典的物理學理論形成了挑戰，又關係到宇宙的起源和未來，它們時刻提醒我們：宇宙的最終命運尚未解決。
孫正凡
《宇宙的世紀》，[英]馬爾科姆·朗蓋爾著，王文浩譯，湖南科技出版社2010年4月第一版，69.00元