重複一遍：我們對於遙遠宇宙的一切瞭解，都來自我們所見到的光。
要解開它所攜帶的信息，理解其背後所隱藏的秘密，我們就需要知道光究竟能夠攜帶什麼信息，以及它如何與它在太空旅途中遇到的物質及其基本構件——原子——之間的相互作用。
在本書後一部分，你將進入原子，去看看我們所知道的一切物質的基本構件是什麼樣子的，但是現在，讓我們把原子描述成一個球形的原子核被其轉動的電子所圍繞就行了。這些電子在原子核周圍形成分層。
人們很容易把這幅圖景想像成行星圍繞恆星的旋轉運動，但這是錯誤的——在英語裡，電子繞著原子核旋轉的軌道的術語是orbital，而非行星軌道的orbit。
只要速度合適，理論上行星可以在任意距離的軌道上圍繞其恆星運行，但對於電子來說基本上不是這樣。與行星軌道相反，電子軌道被電子禁入區所分隔，在這些區域內電子無法存在。不過，電子可以輕易地——甚至是自發地——跨越這些禁入區，從一個軌道跳躍到另外一個軌道。
然而，電子實現躍遷並不是不付出代價的。
電子從一個軌道轉換到另一個軌道，要麼必須吸收能量，要麼必須釋放能量。
電子離原子核越遠，其所攜帶的能量就越高。因此當一個電子從離原子核較近的軌道跳躍到另一個較遠的軌道時，它必須吸收一些能量，就像一隻熱氣球必須加足火焰以供應更多熱氣才能升到天空更高的地方那樣。
相反，要移到離原子核更近的軌道，電子需要釋放一些能量，就像熱氣球釋放一些熱氣以便飛得離地面更近一些。
那麼，這個能量從何而來呢？
它來自光，電子通過吸收或釋放光來實現從一個軌道跳躍到另一個軌道。
但並不是任何光都行。
電子需要吸收或釋放特定數量的能量，也就是特定的光射線，才能夠跨越電子禁入區，從一個軌道轉換到另一個軌道。如果光的能量不夠，那麼電子就無法實現躍遷，只能待在原來的軌道。如果電子被擊中的光能量太強，電子就有可能跨越多個禁入區，甚至逃逸原本它們屬於的原子。
人類在二十世紀初終於認識到了這一點。
這個發現看似不具有開創性，其實不然。
愛因斯坦（他真的是無處不在）因為在研究不同金屬原子時發現了這一點而獲得了一九二一年諾貝爾物理學獎。
通過幾十年對於所有能找到的原子種類進行實驗（與思考），科學家們精確地瞭解了某種原子內電子從一個軌道跳躍到另一個軌道所需要的能量值。這對我們來說真的是非常非常幸運，因為不同的能量值對應不同的光源，並且利用望遠鏡，我們自然能夠獲得來自任何地方的光。
根據這些知識，科學家們可以不用身臨其境就推斷出遙遠的恆星或氣態雲甚至行星大氣的成分。
他們是如何做到這些的呢？讓我們來看看。
想像一個理想的光源，其向各個方向釋放的光線中含有從最低能級的微波到最高能級的伽瑪射線中所有的波長。這個光源產生了一個球狀亮團。
如果在離光源某個距離處存在著一個原子，它的電子籠罩在所有波長的光線之下，會瘋狂地吸收它所能吸收的能量，從自己所在的軌道跳躍到一個更高能量的軌道上去。如果這種跳躍發生，這個電子就變得興奮起來。
興奮？
是的，在英語裡「激發」與「興奮」是同一個單詞：excited。
電子就像是在派對中得到了糖果的小孩。要在事後找出孩子們喜歡哪些糖果並不難（只要看看還剩下些什麼），同樣的道理，你能找出那個原子都吸收了哪些波長的光，只要看看它的影子裡少掉了哪些波長就行。那些沒有被吸收的光線都順利通過，你能夠相當容易地檢測出它們的特徵波長。
另一方面，在由各種顏色和其他光線組成的連續彩虹中有幾小塊顏色變暗，就對應了被原子吸收的波長。這個圖表被稱為光譜，暗淡的部分被稱為吸收線。
科學家們只需要看一眼光譜中缺少了哪些光的波長，就能夠知道位於你與光源之間的是哪種原子。
這樣，你就有了一種方法，通過光線來瞭解遠處有什麼物質而無需親臨其境。
人類使用的所有望遠鏡至今為止都告訴我們，宇宙中所有的恆星的成分都與太陽，與地球乃至與我們相同。整個宇宙中，一切物質所含的原子與我們的一樣。
如果不是這樣，我們的望遠鏡會告訴我們。
統治大自然的定律因此可被認定在各處都成立。
這就是人人認可宇宙第一原則的原因。
多麼令人放心！
事實上，這是一個很好的消息，我們可以再看一眼遠處的星系，瞭解它們由什麼構成。漂亮嗎？它們那些美麗的光譜，充滿了缺失的線條，對應於氫、氦，以及……
現在，等一下。
等等。
有些地方不對……
仔細檢查一下光譜，發現從遠處恆星過來的光譜中缺失的線條的確在那裡，但它們的位置不在它們原本應該在的位置……
地球上某些化學元素吸收藍光激發它們的電子，同樣的元素在遙遠的星系裡，吸收的光線稍微偏綠色一些。
而地球上喜歡黃色的原子在宇宙的其他地方似乎更愛稍帶些橙色的光。
這裡喜歡橙色的，在那裡卻喜歡紅色的。
為什麼？怎麼可能這樣？
在太空裡顏色移動了嗎？
還是我們搞錯了？
你又看了一遍。這次是另一個遙遠的光源。沒錯，所有的顏色都往紅色那邊移動。
而且更糟的是，光源離我們越遠，它們顏色的偏移就越明顯……
該死！原先想得多好！
到底發生了什麼？
是不是大自然的定律在宇宙的不同地方終究還是不同的？如果你能在一個類似地球的行星上漫步，而且這顆行星圍繞著的恆星也與太陽相似，只是位於十億光年之外，那裡的天空、海洋和藍寶石是不是綠色的？那裡的植物和祖母綠是黃色的，檸檬卻是紅色的？
不是。
如果你真的旅行到了那裡，你會發現那個地球上的景象與我們這裡一樣，也是一個檸檬是黃色天空是藍色的世界。我們所觀察到的顏色移位不是因為那裡的自然定律與我們的不同。真正的原因比這個懷疑更深刻。它甚至改變了整個人類兩千多年以來的信念。
你給吉他調過音嗎？或者其他絃樂器？你有沒有注意到當人們轉動調音旋鈕時，該音弦上發出的聲音會變化？弦繃得越緊，音調越高，對不對？
你剛才在天空中所見到的與調音是同一種現象，只是用光線代替了聲音，而音弦也不再是音弦。在太空裡，光線並不通過音弦傳播，而是通過宇宙構造本身。為了解釋你觀察到的顏色移動，我們必須考慮宇宙的構造。
為什麼？
因為以完全相同的方式影響所有顏色的光線，估計不是光本身的問題，而是它賴以傳播的介質。
用調音旋鈕拉緊音弦能讓它發出聲音的音調移向「更高」，這不是因為聲音本身發生了變化，而是因為音弦被拉緊了，而且這種效應對於所有泛音都有同樣的作用。
現在，想像你能將我們宇宙的構造像吉他弦一樣拉緊，每拉緊一些就會讓在其中傳播的光的波長立刻變「高」。為什麼？因為光可以被認為是一種波，拉緊能夠增加連續兩個波峰之間的距離，也就是波長。藍色變成綠色，綠色變成黃色，黃色變成紅色，依此類推。
在光譜中，意味著宇宙遠處所產生的顏色往紅色方向移動，它們被「紅移」了。
如果宇宙的構造不是被拉緊一次，而是因某種原因永遠處於被連續穩定的拉緊狀態中，那麼光線傳播得越遠，它到達地球時紅移得就越厲害。從很遠的地方傳來的光線，藍色會漸漸變成綠色，然後又漸漸變成黃色，再變成紅色，再後面變成不可見的紅外線和微波……通過從遠處恆星所發的光在地球上看到的顏色與它們自己原先真正顏色的差別，你可以據此算出該恆星離地球的距離。
但這是事實嗎？宇宙的構造的確有如此性質嗎？
是的。你在天空中看到的就是這樣的。
那麼實際上這意味著什麼呢？
這意味著遠處星系與我們之間的距離正在變大，一直如此。這意味著星系間的空間在拉伸，也就是變大，自發的。這意味著我們的宇宙隨著時間發生著變化。
有無數實驗證實了這個結論，科學家們已經習慣於接受這個觀念。我們的確生活在一個生長並變化著的宇宙之中。
但是愛因斯坦並不喜歡這個結論，一個世紀前，沒有誰喜歡這個結論。
我們的祖先，無論他是不是科學家，一直堅信宇宙是不變的，但他們顯然弄錯了。
明確地說，不是說星系在離我們遠去。而是那些本就離我們很遠的恆星和星系與我們之間的距離在變大。是星系間虛空的空間本身在變大。科學家們給這個現象起了更專門的名詞，他們稱其為「宇宙膨脹」。可能與有些人的想像不同，這並不是說宇宙要變成某種形狀，而是指它從內部不停地向外膨脹和生長。
在急於下結論並好奇是什麼造成了這種膨脹之前，你或許還想再確認一下。想像一下你非常富有（比如說，銀行存款有一千億美元），你又有一百個朋友。出於對宇宙的好奇，你給了他們每人十億美元建造最現代化的望遠鏡，然後禮貌地要求他們到地球各地旅行，並且收集來自遙遠星系的各種星光。
幾個月後，你請他們回到你自己的豪宅報告他們的發現。大概有一半是你真正的朋友，應邀出現（你已經可以慶幸了），另外一半覺得還是自己保留那些錢更好。但這無所謂，因為他們所有的故事都一模一樣。不管他們去了哪裡，中國、澳大利亞、歐洲、太平洋中間或者南極大陸，所有回來見你的人看到的都是同樣的現象：他們頭頂上遙遠的地方，那些星系發來的光都有奇怪的顏色移動。它們都在退卻。星系越遠，逃跑得越快，意味著宇宙的膨脹是一個已被觀察到的事實。
我們從中可以得到什麼信息？
當你仔細想想，內心一定會出現一種奇怪的感覺。
首先這個奇怪的可見宇宙是一個球形，而且你就處在中心，現在，又有了這個……
可能嗎？你輕聲問。
如果所有東西、任何地方都離地球遠去，這是否意味著地球上的每個母親都有足夠的理由相信自己的孩子就是宇宙中心？
雖然聽起來難以置信，但的確看來如此。
真是一個好消息，一個令人高興的日子。
你讀到此處，如果你身邊恰好有朋友，或許你們可以開瓶香檳慶祝一下。我們終究還是特別的，尤其是你。
最後，我們還是勝利了。哥白尼是錯的。他應該聽他母親的話。母親永遠是對的。
但是，等等，等等……
那些在遙遠星系遙遠行星上的母親怎麼看？
如果她們的確存在，並且有與我們的母親一樣的看法，她們對自己孩子的觀感是否就錯了嗎？
或者，這是不是證明了其他地方沒有母親？肯定不是。
不管你看到什麼，那位叫哥白尼的波蘭天文學家在四百年前就指出我們不是太陽系的中心。即便不是所有科學家，至少大多數今天的科學家都認為與宇宙中其他位置相比，我們所處的位置沒有任何特別。雖然很奇怪，但這並不改變我們處在我們可見宇宙中心的事實。我們的確在。但任何其他地方也是一樣。任何地方都是當地可見宇宙的中心。
這個強烈的信念讓科學家們提出了另一條宇宙原則：要猜想離地球很遠很遠的地方所發生的事情，人類必須假定宇宙中沒有一個特別的位置——這就是宇宙第二原則——如果某個觀察者在宇宙各處觀察，對於他來說，任何方向看出去都是一樣的。遠處的星系總是遠離他所在的觀察點，同那些星系遠離地球一樣——這是宇宙第三原則。
如果你在你的朋友們放棄對香檳的奢望之前仔細想想，會覺得宇宙第三原則聽起來明顯是錯的。
顯然這個世界在現在的你（讀這本書時）與在洗淋浴（假設你沒有一邊洗淋浴一邊讀這本書）時的你眼中是不同的。所以需要明確一點：宇宙第三原則不是用在你附近的事物上的。它管的是大場面。它適用的尺度比星系都要大得多得多。它說的是，在極大的尺度上，宇宙無論從哪個方向看都是一樣的。
聽起來依然還是錯的，對不對？你在第一部分中不是已經遊歷過宇宙了嗎？你是不是看到在遙遠的地方所見到的宇宙與在地球上所見的不同？你甚至到了一個有著幾千光年厚度的空間，裡面沒有星光，被稱為宇宙黑暗世紀。怎麼可能從地球上看出去的宇宙與從那個沒有任何星光的地方看出去的宇宙一樣呢？
現在你需要明白我所說的在本書第一部分，你並沒有遊歷宇宙本身，而是遊歷了「從地球上看到的宇宙」所代表的真正含義。這兩者不是同一件事。
記住，那個出現在夜空裡的宇宙，並不是我們現在的宇宙。它代表的是宇宙的一個歷史片斷，以地球為中心的片斷，因為我們在地球上觀察。我們每天收到來自宇宙各處的圖像明信片。依據宇宙第三原則，生活在遙遠世界的外星人看到的宇宙與我們看到的完全相似。當然，細節不同，但在大尺度上是一樣的。他們也一樣被從他們的歷史所傳向他們的信息總和所包圍，他們在他們的夜空中見到的是我們共同宇宙的另一個歷史片斷。他們也會有他們的宇宙黑暗世紀和他們的臨界最後散射面。他們都有，雖然他們的片斷與我們的沒有交集。
最後，要瞭解我們的宇宙，要看到它的整體，就需要把宇宙中每個點，每個過去的歷史片斷都加起來。當然，相近的兩個地方的歷史有很大重合，但相隔著巨大空間距離的兩處可能在歷史上完全沒有交集。然而，它們依然被認為是相同的，這就是宇宙第三原則在實際中的應用。關於這一點，將來你會聽到更多。
另外，這也意味著你在你的宇宙中雖然並未處在某個特殊的地方，你依然是——如同你母親一直認為的——「你的」可見宇宙的中心。
如果你覺得自己早就知道，就再次讓快樂流過你的身體和心頭。這可是個好消息。
我再說一遍：你是你的宇宙的中心。
現在，讓你感覺沒那麼舒服的，是這同樣適用於你的鄰居：他／她也是他／她自己可見宇宙的中心。
其他每個人都如此。
其他每樣東西也如此。
我們、萬事萬物都在自己宇宙的中心，那個可通過光來觀察的宇宙的中心。只有在某些非常特殊的條件下兩個人的可見宇宙會完全重合，我請你們自己找出在什麼時候、在什麼條件下才能如此。
說了上面一大堆以後，讓我們再來看看那個拉緊的宇宙的膨脹。
這是真實的嗎？
是的。遠處星系之間的距離的確一直在變大。鄰近天體之間卻沒有這種現象，因為引力在短距離內足夠強大。星系產生的萬有引力抵消了這種膨脹，無論是在它們邊界的內部（比如太陽和鄰近恆星之間的距離不會擴大），還是在邊界的周圍（鄰近星系確實在逐漸靠近）。但在大距離上，膨脹無處不在。
發現宇宙膨脹的是美國天文學家埃德溫·哈勃，他是在一九二九年發現的，因此描述遠處的星系越走越遠這一行為的定律被命名為哈勃定律。因為這個發現，哈勃很恰當地被視為現代觀察宇宙學之父。他還是那個與奧匹克一同證實了銀河系並不是宇宙的全部，銀河系之外還存在著其他星系的科學家。如果在今天，這兩個發現都足以令他獲得諾貝爾獎。可惜依據當時的物理學界與諾貝爾獎委員會的看法，觀察星星並且解釋它們的行為並不被認為是物理學的一部分。結果就是哈勃與諾貝爾獎失之交臂。在他去世後，規則改變了，許多後來的觀察宇宙學家都獲得了諾貝爾獎。在本書中，你將遇到他們中的一些。
現在，你將知道哈勃膨脹定律帶來的一個非凡後果，你的第一個震驚可能是有些時候科學家們所表現出來的智商。經過許多思考，以及喝了大概比思考時間多了兩倍的咖啡之後，科學家們想起了一件事：如果現在我們的宇宙中所有遙遠的東西都在離我們而去，那麼現在離我們很遠的東西在過去應該會靠近一些。
哇！
這就是突破。
或許有一天你也可以自己試試這種推理，能給你帶來很好的滿足感。
事實上，雖然看起來沒什麼大不了，但這的確揭開了一個大秘密。
我前面說過，愛因斯坦拒絕接受它。
為什麼？
遙遠的星系正在離開，或者說，過去它們曾經很近又有什麼大不了的？
記住：哈勃那個基於觀察得出的定律說的是星系之間的距離自己在膨脹，而不只是星系彼此在移開。
換一種說法，就是宇宙本身的構造在膨脹。
這個想法的最終結論是，整個宇宙在過去比現在要小。
怎麼可能是這樣？
誰能證明？
可以證明的。通過對遠處的觀察。過去就躺在那裡，等著我們接收它所發的信息。你在我們可見宇宙的盡頭所看到的那道牆就是這個結論明白無誤（雖然是黑暗的）的證明，等你讀到後面的章節，你就會明白。不過在此之前，你需要再次進入外太空，更深刻地體驗一下引力。
金屬只有在「恰當的」光的照射下才能夠放出電子。這就是所謂的光電效應。愛因斯坦給出的解釋涉及我剛剛向你描述的內容（電子只有通過爬上或爬下不同的能級，才能夠從一個軌道轉換到另外一個軌道），以及光可以被描述為類似粒子一樣的小小的能量包。在本書後文中，你將瞭解到更多有關光的這方面的內容。寫到這裡，我再補充一句，諾貝爾獎原本至少再授予愛因斯坦兩次的，但他只獲得了這一次。