宇宙不仅比我们猜想的要奇怪，它还比我们能够猜想的要奇怪得多。——J 1 B 1 S 1 藿尔丹（J 1 B 1 S 1 Haldane）
人类在创世故事中所要寻找的是展现在我们面前的超然的宇宙是怎么产生的，在宇宙间我们自己又是怎样形成的。这就是我们想知道的。这就是我们所要寻求的。
——约瑟夫·坎贝尔（Joseph Campbell）
1995年3月6日《时报》杂志的封面刊登了大螺旋星系M100的照片，并声称：“宇宙学处在混沌中。”宇宙学陷入了泥潭，因为从哈勃空间望远镜得到的最新数据似乎说明：宇宙比它最老的星还要年轻，在科学上这是不可能的。数据表明宇宙的年龄在 80 亿到 120 亿年之间，而有人相信最老的星的年龄为140亿年。亚利桑那大学的克里斯多佛·英庇（Christopher Impey）嘲弄地说：“你不可能比你妈妈还老。”
但是一旦你看过这张精美的照片后，你就会认识到大爆炸的理论是完全有根据的。反驳大爆炸的证据只是根据对单个星系 M100 的观测，由此就得出结论在科学上是不可靠的。正如文章所承认的，问题是“驱动恒星飞船通过的瞭望孔太大了”，根据哈勃空间望远镜的粗略数据所计算的宇宙年龄的精度不会超过10%~20%。
我的看法是，大爆炸理论不是根据思索，而是根据几百个从不同来源得出的数据，这些数据会聚到一起，全都支持这个单一的、自圆其说的理论。（在科学上，不是所有产生的理论都是同等的。尽管任何人都可以不受限制地提出他自己的有关宇宙起源的观点，但是要求它能够解释我们收集的与大爆炸理论一致的几百个数据。）
大爆炸理论的三个重要“证据”是根据三位传奇科学家的工作得出的，他们在各自的领域里都是领军人物，他们是：埃德温·哈勃、乔治·伽莫夫和弗雷德·霍伊尔。
埃德温·哈勃，贵族天文学家
当爱因斯坦奠定宇宙学的理论基础时，现代观察宇宙学几乎是由现代天文学最伟大的人物一手创造的，他是埃德温·哈勃，20世纪最重要的天文学家。
哈勃1889年生于密苏里州马什菲尔德（Marshfield）偏僻的森林地带。他是一个谦虚的有着远大志愿的乡村小孩。他的父亲是一位律师和保险代理人，要他学法律。然而，哈勃被儒勒·凡尔纳的书迷住了，被星星迷惑了。他狼吞虎咽地阅读科幻经典，如《海底两万里》（Twenty Thousand Leagues Under the Sea）和《从地球到月亮》（From the Earth to the Moon）。他也是一名熟练的拳击手，他的教练要他成为职业拳击手挑战世界重量级拳王杰克·约翰逊（Jack Johnson）。
他获得声望很高的罗德（Rhode）奖学金到牛津大学学法律。在这里他学会了英国上流社会的生活方式。（他的举止开始像一位牛津先生，穿斜纹软呢服、抽烟斗、说话时带很重的英国口音、谈论他的因决斗留下的伤疤，据谣传这个伤疤是他自己造成的。）
然而，哈勃是不愉快的。真正吸引他的不是民事侵权行为和诉讼，抓住他的想象的是从童年就开始的对星星的着迷。他勇敢地转换了学历，前往芝加哥和威尔逊山天文台，它有当时世界上最大的望远镜，镜面直径100英寸（2 1 54米）。由于他开始学习天文学太晚，他不得不抓紧努力。为了弥补失去的时间，哈勃迅速地从回答天文学中最深远的、一直没有解答的问题开始。
20世纪20年代，大学是一个舒适的地方。人们都认为整个宇宙仅由银河系构成，它的细长的模糊的光像泼出的牛奶划过夜晚的天空。（事实上，银河这个词就是从希腊语“牛奶”来的。）1920年在哈佛大学天文学家哈洛·沙普莱（Harlow Shapley）和利克（Lick）天文台的赫伯·柯蒂斯（Heber Curtis）之间爆发了一场著名的“大争论”，题目是“宇宙的形状”，涉及银河系的大小和宇宙问题。沙普莱（Shapley）认为银河系构成整个可见宇宙。柯蒂斯（Curtis）认为在银河系之外有“螺旋星系”，看上去虽然奇怪，但是确实有一片美丽的成卷的螺旋薄雾。（早在 18 世纪，哲学家伊曼纽尔·康德〔Immanuel Kant〕就推测这些螺旋薄雾是“宇宙岛”。）
这个争论引起哈勃的极大兴趣。关键问题是：确定到星星的距离是天文学众多任务中最困难的一个。一颗很亮但距离很远的星看起来和一颗很暗但距离很近的星一样亮。这个混乱是天文学中许多争执和辩论之源。哈勃需要一根“标准的烛光”，一个在宇宙任何地方都发出同样光量的客体来解决这个问题。（实际上，一直到今天，宇宙学家的大部分努力在于试图找到和标定这样一个标准的烛光。）如果人们有了在宇宙各处以同样强度的均匀燃烧的标准蜡烛，那么一颗星星离开地球的距离为原来的2倍，它的亮度就会比原来暗4倍。
一天晚上，哈勃分析螺旋星系仙女座（Andromeda）的照片，他忽然发现自己“找到了答案”。他在仙女座（Andromeda）星系中发现一颗变星，叫做造父变星（Cepheid），亨丽埃塔·列维特（Henrietta Levitt）曾对它进行了仔细的分类。已经知道，这颗星随着时间规则地变亮和变暗，一个完整周期的时间与它的亮度有关。星星越亮，脉动的周期越长。因此只要测量周期的长度，就可以标定它的亮度，从而确定它的距离。哈勃发现它的周期是31 1 4天，使他惊奇的是，转换成距离后为100万光年，远远超出银河系之外。（银河系的范围只有10万光年。后来的计算表明哈勃实际低估了到仙女座〔Andromeda〕的距离，实际距离接近200万光年之遥。）
当他对其他螺旋星系进行类似观测时，他发现它们也远远超出银河系范围。换句话说，对他来说这些螺旋星系是一个完全有自身头衔的宇宙岛。银河系只是太空星系中的一个星系。
宇宙的尺寸一下子变得非常之大。宇宙突然从单一的星系，成为住有几百万星系，或许几十亿姐妹星系的地方。宇宙从只有 10 万光年之遥，突然拥抱了几百万星系，范围有几十亿光年之遥。
这一个发现就足以保证哈勃在天文学的殿堂上占有一席之地。但是哈勃超越了这一发现。哈勃不仅决心发现到星系的距离，他还想计算这些星系移动的速度。
多普勒效应和膨胀的宇宙
哈勃知道计算远处物体速度的最简单的方法是分析它们发出的声音或光线的变化，或者叫做多普勒效应（Doppler effect）。汽车在高速公路上行驶时发出声音。警察利用多普勒效应计算汽车的速度。警察将一束激光打在汽车上，激光束返回到警察的汽车上。分析激光频率的移动就可以计算这辆汽车的速度。
例如，一颗星星向你靠近，它发出的光将像手风琴一样压缩。结果它的波长变短。一颗黄色的星看上去有些发蓝（因为蓝光比黄光波长短）。同样，如果一颗星星离你而去，它的光波将伸展，波长变长，黄色的光看上去有些发红。星星的速度越快，变化就越大。因此，如果知道光线频率的移动，就能确定它的速度。
1912 年，天文学家维斯托·斯莱弗（Vesto Slipher）发现这些星系以极大的速度离地球而去。不仅宇宙比原来想的要大得多，而且还以极大的速度在膨胀。除去一些小的波动，他发现这些星系呈现红色偏移，而不是蓝色偏移，这是由星系离我们而去引起的。斯莱弗的发现说明宇宙的确是动态的，不是像牛顿和爱因斯坦假定的静态的。
在所有的世纪以来，科学家研究了本特利（Bentley）和奥尔贝斯（Olbers）的悖论，但没有一个人认真考虑过宇宙膨胀的可能性。1928年，哈勃作了一次重要的旅行，去荷兰会见威廉·德·西特尔（Willem de Sitter）。吸引哈勃的是，西特尔（Sitter）预计星星离得越远，它应当移动得越快。想象一个膨胀的气球在它的表面标上星系。当气球膨胀时，彼此靠近的星系将缓慢地分开。但是在气球上离得较远的星系分开得更快。
德·西特尔（de Sitter）催促哈勃在他的数据中寻找这个效应，这个效应可以通过分析星系的红光偏移来证实。星系的红光偏移越大，它离开得越快，因此离得也越远。（根据爱因斯坦的理论，星系的红光偏移从技术上讲不是由星系飞速地离开地球而去引起的，而是由星系与地球之间的空间膨胀引起的。红色偏移的起因是：从遥远星系发出的光被空间的膨胀伸展或加长了，因此看上去变红。）
哈勃定律
哈勃回到加利福尼亚后，他听从西特尔（Sitter）的建议开始寻找这个效应的证据。他分析了24个星系，发现星系越远离开地球它的速度越快，正如爱因斯坦方程预计的那样。距离除以速度之比大约为一个常数。这个常数很快被叫做哈勃常数，或 H。这个常数大概是宇宙学中最重要的常数，因为哈勃常数（Hubble’s constant）告诉我们宇宙膨胀的速率。
科学家在想，如果宇宙在膨胀，那么也许它也有一个开始。事实上，哈勃常数的倒数给出宇宙年龄的粗略估计。想象一个记录爆炸的录像带。在录像带中我们看到爆炸现场留下的残骸，并能计算爆炸的速度。但是这也意味着我们可以倒退磁带，直到所有残骸集中到一个点。因为我们知道爆炸的速度，我们可以反过来工作，计算爆炸发生的时间。
（哈勃的原始估计将宇宙的年龄确定为大约 18 亿年，这使几代宇宙学家感到头疼，因为它比公认的地球和星星的年龄年轻。后来，天文学家认识到是尘云使从仙女座〔Andromeda〕的造父变星〔Cepheid〕来的光线变暗，造成哈勃常数计算不正确。事实上，在过去 70 年间，有关哈勃常数精确值的“哈勃之战”一直在进行。最权威的数字今天从WMAP卫星得出。）
1931年，爱因斯坦扬扬得意地访问了威尔逊山天文台，第一次会见了哈勃。爱因斯坦认识到宇宙的确在膨胀，他将宇宙常数称为他的“最大的失误”。（然而，正如我们在后面章节讨论 WMAP 卫星数据时将看到的，即使是爱因斯坦的一个小错也足以动摇宇宙学的基础。）当爱因斯坦的夫人在巨大的天文台周围炫耀自己时，有人告诉她，这个巨大的望远镜正在确定宇宙的最终形状，爱因斯坦夫人不屑一顾地说：“我丈夫在一个旧信封的背面已经确定了宇宙的形状。”
大爆炸
一位名叫乔治·勒迈特尔（Georges Lema tre）的比利时牧师学习了爱因斯坦的理论后，被爱因斯坦理论逻辑上会导致宇宙膨胀，因此宇宙有一个开始的想法迷住了。因为气体压缩时会变热，他认识到宇宙在开始时一定是非常的热。在 1927 年，他说：宇宙一定是起始于一个温度和密度都不可想象的“超原子”，它突然向外爆炸产生了哈勃的膨胀宇宙。他写道：“世界的演化可以与刚刚放完的烟火相比：留下少许红丝、灰尘和烟雾。我们站在已冷却的灰烬上看着太阳在慢慢衰退，我们设法回想已消失的原始世界的光辉。”
（第一个提出在创世之初超原子想法的人也是埃德加·爱伦·坡〔Edgar Allen Poe〕。他说因为一种物质吸引其他形式的物质，所以在创世之初一定有宇宙原子浓缩发生。）
也许勒迈特尔（Lema tre）愿意参加物理学会议，纠缠其他科学家要他们接受他的想法。也许这些科学家会心情愉快地听他讲话，但随后将默默地从心中摒弃他的想法。亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）是他那个时代的最重要的物理学家，他说：“我作为一位科学家，我完全不能相信目前万物的次序是从大爆炸开始的……大自然目前的状况和次序是突然开始的想法是我不能接受的。”
但是，多年之后，他不再固执地坚持他的看法。一位科学家要想成为大爆炸理论的最重要的代言人和推广者，就必须最终提供该理论的最令人信服的证据。
乔治·伽莫夫，宇宙小丑
尽管哈勃是一位宇宙学的老于世故的大科学家，然而还有另一位传奇式人物乔治·伽莫夫（George Gamow）继续了他的工作。伽莫夫在很多方面与哈勃相反：一个爱讲笑话的人、一位漫画家、以恶作剧著称和 20 本有关科学图书的作者，很多书是为年轻的成年人写的。他的有趣的、见识广博的、有关物理和宇宙的书孕育了几代科学家，包括我在内。在相对论和量子论使科学和社会发生变革时，他的书独树一帜：这些书是十几岁的孩子能够得到的可靠的有关尖端科学的书。
缺乏思想，只满足于处理成堆数据的科学家为数不多，但伽莫夫是他那个时代创造性的天才，一位博学多才能迅速迸发出思想的火花，能改变核物理、宇宙学，甚至DNA研究进程的人。
詹姆士·沃森（James Watson）的自传的题目叫做“基因、伽莫夫和女孩”大概不是偶然的。沃森（Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）一起揭示了DNA分子的秘密。正如他的同事爱德华·特勒（Edward Teller）回忆的：“伽莫夫的理论百分之九十是错的，他也容易承认它们是错的。但他并不在意。他是那些不为他的任何发明而感到特别骄傲的人之一。他会抛出他的最新思想，然后把它当成一个笑话。”但是剩下的百分之十的他的思想则会改变整个科学的面貌。
伽莫夫1904年生于俄罗斯的敖德萨（Odessa），那时俄罗斯处在早期的社会剧变中。他回忆道：“当敖德萨（Odessa）被某个敌人军舰轰炸时，当希腊、法国或英国远征军插上刺刀沿城市主要街道进攻传统的白色、红色甚或绿色俄罗斯军队时，当不同颜色的俄罗斯军队互相残杀的时候，学校常常停课。”
有一次他去教堂，礼拜后偷偷拿回家一些教堂的面包。他在显微镜下看，他看不到代表耶稣基督肉体的教堂面包和普通的面包有什么区别。他说：“我想，是这个实验使我后来成为科学家。”这一次去教堂成了他早期生活的转折点。
他就读于列宁格勒大学，在物理学家亚历山大·弗里德曼指导下学习。后来，在哥本哈根大学他遇见了很多物理学的巨人，如尼尔斯·玻尔。（1932年，伽莫夫和他的妻子试图乘从克里米亚到土耳其的木筏逃离苏联，但没有成功。后来，他在布鲁塞尔参加物理学会议，成功地逃离。）
伽莫夫以给他的朋友发出五行打油诗著称。大多数是不刊印的，但是有一篇五行打油诗抓住了宇宙学家在面对巨大的天文数字和无限的星星时所感到的忧虑：
有一位从特里尼蒂（Trinity）来的年轻小伙子
他取无穷大的平方根
但位数之大
使他害怕；
他丢下数学去从事神学。
20世纪20年代，他在俄罗斯解决了为什么可能发生放射性衰变的秘密，从而首次获得成功。由于居里夫人和其他人的工作，科学家知道铀原子是不稳定的，以阿尔法射线（氦原子的核子）的形式发出辐射。但是根据牛顿力学，将核子聚在一起的神秘的核力应该是阻止这种泄露的障碍。那是怎么发生的呢？
伽莫夫，还有R 1 W 1 格尼（R 1 W 1 Gurney）和E 1 U 1 康登（E 1 U 1 Condon）认识到放射性衰变是可能的，因为量子理论的测不准原理意味着绝不能精确地知道一个粒子的精确位置和速度，因此有微小的可能性，这些粒子会穿过“隧道”、跨过障碍。（今天，这个隧道思想是所有物理学的中心，用来解释电子设备、黑洞和大爆炸本身的性质，宇宙本身也许是通过隧道产生的。）
通过类比，伽莫夫想象一个囚犯被囚禁在巨大的监狱墙壁的包围之中。按常理，在经典的牛顿的世界里逃跑是没有可能的。但是在量子世界的奇怪的世界里，你不能精确地知道他的位置和速度。如果囚犯不停地撞墙，你可以计算出有一天他会穿过墙壁，直接违背了常识和牛顿力学。计算得出囚犯有跑到监狱墙壁之外的一个有限的可能性，你有可能在监狱大门之外发现他。对于囚犯这样的大物体，你等待的时间比宇宙的寿命还要长，奇迹才能发生。但是对于阿尔法粒子和亚原子粒子，这种情况就会经常发生，因为这些粒子以巨大的能量反复地冲击核子的墙壁。很多人感到：应该给这个极其重要的工作发诺贝尔奖。
20世纪40年代，伽莫夫的兴趣从相对论转向宇宙学，他把它看成是富有的未被发现的乡村。在那个时候，人们所知道的有关宇宙的一切是：天空是黑的，宇宙在膨胀。伽莫夫被一个单一的想法所指引：找到任何证据或“化石”证明几十亿年前发生了大爆炸。这是一个非常棘手的问题，因为宇宙学在真正的意义上不是一门“实验科学”。人们不可能对大爆炸进行任何实验。宇宙学更像一个侦探故事，一门观察科学，你在犯罪现场寻找“蛛丝马迹”或证据，而不是一门能够进行精确试验的实验科学。
宇宙的核厨房
伽莫夫对科学的第二个伟大贡献，是他发现了产生我们在宇宙中看到的最轻元素的核反应。他喜欢把它叫做“史前的宇宙厨房”，原来宇宙的所有元素都是在大爆炸的高温下烹饪出来的。今天，这个过程叫做“核合成”，即计算宇宙中元素的相对富裕程度。他的想法是：有一个完整的链，从氢原子开始，然后只要不断向氢原子加入更多的粒子，就能产生链中的其他元素。他相信：整个门捷列夫周期表中的化学元素都能从大爆炸的高温中创造出来。
伽莫夫和他的学生分析，在创世之初，宇宙是一个非常高温的中子和核子的集合，然后大概熔合发生了，氢原子熔合在一起形成氦原子。正如一枚原子弹或一颗星星，温度是如此之高，结果氢原子的中子互相碰撞直至熔合，产生氦核。然后氢与氦发生碰撞，按照同样的过程产生下一组元素，包括锂和铍。伽莫夫认为，将更多更多的亚原子粒子加入到核中可以产生更重的元素。换句话说，所有构成可见宇宙的100多种元素都可以在原始火球的高温中烹调出来。
按照通常的方式，伽莫夫制订这个雄心勃勃的计划的总体框架，让他的博士生拉尔夫·阿尔法（Ralph Alpher）补充细节。当这篇文章完成时，他禁不住开了一个玩笑。他未经物理学家汉斯·贝蒂（Hans Bethe）的许可，就把他（贝蒂）的名字写上，于是这篇文章就成了著名的“阿尔法贝塔伽马”论文（alpha 2 beta 2 gamma paper）。
伽莫夫发现的是，大爆炸的温度的确很高，足以产生氦，它构成宇宙质量的 25%，数量巨大。反过来工作，我们看到今天很多的星星和星系是由大约75%的氢、25%的氦和少量微量元素构成的，这可以作为大爆炸的一个“证据”。（按照普林斯顿大学的天文学家大卫·施佩格尔〔David Spergel〕的说法：“每当你买一个气球，你就得到大爆炸头几分钟产生的原子。”）
然而，伽莫夫通过计算也发现了问题。他的理论对非常轻的元素工作很好。但是，有5个和8个核子与中子的元素极不稳定，因此不能作为“桥梁”产生有更多中子和核子的元素。因为我们的宇宙是由重元素构成的，它们的中子和核子数比5和8要多得多，这就成了一个宇宙之谜。伽莫夫不能将他的理论扩大到超出 5 个粒子和 8 个粒子的范围成了一个多年来的棘手的问题，这就注定了他的宇宙中的所有元素都是在大爆炸时产生的说法不能成立。
微波背景辐射
在同一时间，另外一个想法吸引了他。如果大爆炸的温度是难以置信的高，也许今天它辐射的热仍在宇宙中回旋。如果是这样，它就给出大爆炸本身的“化石记录”。也许大爆炸是如此之巨大，以至它的余震仍然以均匀的放射性烟雾充满宇宙。
伽莫夫在 1946 年提出一个假定：大爆炸有一个超热的中子核。这是一个合理的假定，因为除了电子、质子和中子以外，关于亚原子粒子我们知道的很少。如果他能估计这个中子球的温度，他就能计算它发出的辐射的量和性质。两年后，伽莫夫指出这个超热核心发出的辐射的作用好像“黑体辐射（black body radiation）”。这是由高温物体发出的非常特殊类型的辐射。它吸收所有碰到它的光，以特有的方式发出辐射。例如，太阳、熔岩、火中的热煤、烤炉中的热陶瓷，都发出黄红的光和发射黑体辐射。（黑体辐射是1792 年由著名的陶瓷制造家托马斯·韦奇伍德〔Thomas Wedgwood〕首先发现的。他注意到炉中烘焙的原材料，当温度升高时颜色从红变成黄，再变成白。）
这是非常重要的，因为一旦知道了热体的颜色，就可以大约知道它的温度，反过来也一样。马克斯·奥兰克（Max Olanck）在 1900 年首次得出联系热体温度和它发出的辐射之间的精确公式，这导致了量子理论的诞生。（事实上，这是科学家确定太阳温度的方法。太阳主要辐射黄色光，相应于大约6 000 K 的黑体温度。这样我们就知道了太阳外层大气的温度。类似地，猎户星座中的一等星红巨星参宿四〔Betelgeuse〕表面温度为 3 000 K，此黑体温度相当于红色，一块烧红的煤也发出这种颜色的光。）
伽莫夫在1948年发表的文章首次提出大爆炸的辐射也许有特殊的特性，即黑体辐射。黑体辐射最重要的特点是它的温度。下一步，伽莫夫必须计算此黑体辐射的当前温度。
伽莫夫的博士生拉尔夫·阿尔法（Ralph Alpher）和另一名学生罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）试图完成伽莫夫的温度计算工作。伽莫夫写道：“从宇宙早期外推到现在，我们发现在过去的无数年代中，宇宙已经冷到了大约绝对零度以上5度。”
1948年，阿尔法（Alpher）和赫尔曼（Herman）发表了一篇文章，给出大爆炸余晖今天的温度在绝对零度以上5度的详细讨论（他们的估计显著地接近现在所知道的正确温度，绝对零度以上 21 7 度）。他们确定这种辐射在微波范围内，它今天应当仍然在环绕宇宙回旋，以均匀的余晖充满宇宙。
（分析如下：在大爆炸以后的年代里，宇宙的温度是如此之高，每当一个原子形成时，它就会被强大的、随机的与其他亚原子的碰撞撕开。这样，宇宙是不透明的。在这个超热宇宙中传播的光线在跑过一段短距离后就被吸收。因此宇宙看上去是一片云雾。然而，在380 000年之后，温度降到3 000度〔K〕。低于这个温度，原子不再被碰撞撕开。结果稳定的原子可以形成，光线可以传播若干光年而不被吸收。这样，空间开始变得透明了。这个辐射不再在它产生以后就被吸收，而是今天仍在环绕宇宙回旋。）
当阿尔法（Alpher）和赫尔曼（Herman）向伽莫夫说明他们最终计算出的宇宙的温度时，伽莫夫失望了。这个温度太低了，测量这个温度将会极其困难。经过一年的时间，伽莫夫才最终同意他们计算的细节是正确的。但是他对能够测量这样微弱的辐射场感到绝望。回到20世纪40年代，没有可用的仪器测量这样微弱的回响。（在后来的计算中，伽莫夫利用不正确的假定将辐射的温度提高到50度〔K〕。）
他们举办一系列讲座发表他们的工作。但不幸的是，他们的预言结果被忽略了。阿尔法（Alpher）说：“我们花费了许多精力讲解我们的工作。没有人在意，没有人说它可能测量，从1948年到1955年一直这样，我们最后放弃了。”
伽莫夫大无畏地出版书、发表演讲，成为第一位推出大爆炸理论的人。但是他也碰到了他的对手的激烈反对。当伽莫夫用他顽皮的笑话和妙语迷住他的听众时，他的对手则用他的智慧和敢做敢为的勇气吸引听众。
弗雷德·霍伊尔，反对者
微波背景辐射给了我们大爆炸的“第二个证据”。但是弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）坚决反对通过核合成提供的大爆炸的第三个重要证据。他几乎用了他毕生的精力试图驳斥大爆炸理论。
霍伊尔（Hoyle）是一位学术怪人的化身，一位有才气的反对派，好斗，敢于挑战常规的至理名言。哈勃喜欢效仿牛津先生的怪癖，显得雍容华贵；伽莫夫则喜欢讲笑话、博学，能够用他的妙语、五行打油诗和恶作剧让他的听众眼花缭乱；而霍伊尔则看上去很奇怪，在剑桥大学古老的大厅里显得不合时宜，纯粹是一个艾萨克·牛顿的鬼魂。
霍伊尔（Hoyle）1915 年生于英国北部一个以羊毛工业为主的地区，是一个小纺织商的儿子。霍伊尔小时候喜欢科学，那时候收音机刚刚进村。他回忆到：20到30个人急切地在他们的房间里装上无线电接收机。后来，他的父母作为礼物给了他一架望远镜，这成了他生活的转折点。
霍伊尔的好斗性格从童年就开始了。在3岁时他就掌握了乘法表，然后他的老师要他学罗马数字。他轻蔑地回忆道：“有哪个孩子会这么愚蠢不写8，而写 Ⅷ 呢？”当有人告诉他法律要求他进学校时，他写道：“我很不愉快地得出结论，我生来就要进入一个叫做‘法律’的怪物主宰的世界，它既强大又愚蠢。”
有一次，他和另一位教师发生争吵就更加强了他对权威的蔑视。一位女教师在班上对学生说：一种特别的花有5个花瓣。为了证明教师错了，他将有6个花瓣的花搬进教室。对这种放肆无礼的反抗行为，这位女老师狠狠地在他的左耳处打了一个耳光。（霍伊尔的左耳后来变聋了。）
稳恒态理论
在20世纪40年代，霍伊尔不迷恋大爆炸理论。这个理论的一个过失是哈勃没有考虑星光被尘云遮盖降低了亮度，因此错误计算宇宙的年龄为 18亿年。地质学者声称地球和太阳系的年龄大约为几十亿年。宇宙的年龄怎么能比它的行星年轻呢？
霍伊尔和他的同事托马斯·戈尔德（Thomas Gold）和赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi）一起开始建立与此相反的理论。据说他们的稳恒态理论（steady state theory）是受到 1945 年由迈克尔·雷德格雷夫（Michael Redgrave）主演的叫做《夜晚的死者》（Dead of Night）这部鬼片所启发的。这部影片由一系列鬼的故事组成，但是在影片的结尾有一个难忘的转折：影片的结尾就像开始一样。因此这部影片是循环的，无止无尽。这部影片启发他们三人提出一个宇宙也是无始无终的理论。（戈尔德〔Gold〕后来澄清了这个传说。他回忆道：“我想我们几个月前看了那部影片，后来我提出稳恒态理论，我对他们说：‘是不是有点像夜晚的死者呀？’”）
在这个模型中，宇宙的各个部分事实上在膨胀，但是新的物质不断地从无产生，因此宇宙的密度保持不变。尽管这个模型不能给出物质怎样神秘地从无到有的详细描述，然而，这个理论立刻吸引了一群反对大爆炸理论的忠实支持者。对霍伊尔来说，在某个地方发生火灾，从而将星系以飞快的速度送往各个方向的说法是不合逻辑的。他倾向于物质是从无中慢慢地创造出来的。换句话说，宇宙是永恒的，是无始无终的。
（稳恒态理论和大爆炸理论之争，就像地质学和其他科学之争一样。在地质学中，有持久的均变论和灾变论之争。〔均变论认为地球是在过去逐渐变化中形成的，灾变论认为变化是通过剧烈的事件发生的。〕尽管均变论解释了很多地球地质的和生态的特点，但没有人否定彗星和流星曾经对生物的大量灭绝产生过影响，以及由于构造漂移所产生的大陆破碎和移动的影响。）
BBC讲演
霍伊尔绝不回避论战。1949年，BBC广播公司邀请霍伊尔和伽莫夫就宇宙起源问题进行辩论。在BBC广播期间他猛烈攻击对方的理论，做了影响历史进程的大事。他击中要害地说：“这些理论（指伽莫夫的理论）是根据宇宙的所有物质都是在遥远过去一个特定的时间在一次大爆炸中产生出来的。”这个理论现在被它的最大的反对者正式命名为“大爆炸”。（霍伊尔后来声称，他不打算贬低它。他承认说：“我找不到办法创造一个短语来贬低它，我创造这个短语是为了吸引人。”）
（多年以来，大爆炸的支持者极力想改变这个名字。他们不满意这个名字，嫌这个名字太普通，含义粗俗，而且是由它的最大的反对者杜撰的。纯化论者尤其不满意，因为事实上它是不正确的。第一，大爆炸不大，它是从比原子小得多的某种类型的微小奇异性中产生的。第二，没有爆炸声，因为在外层空间没有空气。1993年8月，《天空和望远镜》杂志发起一次重新命名大爆炸理论的竞赛。此竞赛得到 13 000 个题目，但是裁判找不到比原来更好的叫法。）
确定霍伊尔在整整一代人中的名望的，是他的著名的有关科学的BBC系列讲座。20 世纪 50 年代，BBC 计划在每星期六晚举办科学讲座。原来邀请的客人取消了，BBC制作人被迫找人代替。他们与霍伊尔联系，他同意上场。然后，他们校核他的文件，看到一个便条上说：“不要用这个人。”
幸亏他们没有理睬前一制作人的可怕的警告，他向世界作了5次迷人的讲座。这些经典的BBC广播令国人着迷，特别启发了下一代天文学家。天文学家华莱士·萨金特（Wallace Sargent）回忆这些广播对他产生的影响：“当我15岁的时候，我听了弗雷德·霍伊尔在BBC举办的题目为‘宇宙的本性’的讲座[3]。我们能知道太阳中心的温度和密度这个想法着实让我吃惊。在15岁的年纪，这些事情似乎是超出了知识的范围。不只是数字惊人，我们能知道它也让人不可思议。”
星星中的核合成
霍伊尔不愿意坐在扶手椅上空想，开始行动测试他的稳恒定状态理论。他认为宇宙元素不是像伽莫夫所相信的那样是在大爆炸中烹调出来的，而是在星星的中心产生的。如果100多种化学元素是由星星的高温产生的，那么就根本没有大爆炸的必要。
霍伊尔和他的同事在20世纪40年代和50年代发表了一系列的文章，详细地展示了在星星核心内部的核反应，而不是大爆炸，能够将更多更多的质子和中子加入到氢和氦的核子中，直至产生所有的重元素，至少到铁为止。（霍伊尔和他的同事解决了难住伽莫夫的怎样产生超过原子质量数为5的元素的秘密。在天才的一闪念之间，霍伊尔认识到如果有一个原来没有注意的从3个氦核子产生的不稳定形式的碳，它持续的时间刚好够长，就可以成为产生较重元素的“桥梁”。在星星的核心，这个新的不稳定形式的碳持续的时间也许刚好够长，通过不断增加更多的中子和质子，就可以产生出超过原子质量数5和8的元素。当这个不稳定形式的碳被实际发现时，就会辉煌地证明核合成可以在星星内部发生，而不是通过大爆炸发生。霍伊尔甚至编制了大型计算程序，从这些原理出发确定我们在自然界看到的元素的相对富有程度。）
但是，即便是星星的高温也不足以“烹调”超出铁的元素，如铜、镍、锌、铀等。（由于各种原因，通过熔化超出铁的元素来吸取能量是极其困难的，包括核子中质子相互排斥和缺乏结合能。）对于这些重元素，需要一个更大的熔炉，即大质量星星或超新星的爆炸。当巨星剧烈地崩溃时，在它最终死亡的剧痛中可以得到几亿度的高温，就有足够的能量“烹饪”超出铁的元素。这意味着超出铁的元素只能从爆炸星星或超新星的大气中抛出来。
1957 年，霍伊尔、玛格丽特（Margaret）、杰费里·伯比奇（Geoffrey Burbidge）和威廉·福勒（William Fowler）发表了仿照伽莫夫一贯有之的典型的方式，甚至杜撰出下面一段用圣经风格写出的话。一篇大概是最有权威性的著作，详细描述了建造宇宙元素和预计它们的已知富有程度所需要的精确步骤。他们论据的精确性是如此之强大和令人信服，甚至伽莫夫也不得不承认霍伊尔给出了核合成的最引人注目的描述。
“当上帝创造元素的时候，在计算的激动中他忘了需要质量数为5的元素，因此重元素不能形成。
上帝非常失望，想先与宇宙联系，全都重新开始。
但这样做就太简单了。
于是，全能的上帝决定以最不可能的方式纠正他的错误。
上帝说：‘让霍伊尔出来吧。’霍伊尔就出来了。
上帝看着霍伊尔……让他用他喜欢的方式制造重元素。
霍伊尔决定在星星中制造重元素，并通过新星爆炸把它们散布到四周。”反对稳恒态理论的证据
然而，在过去十年间，不利于稳恒态宇宙的证据越来越多。霍伊尔发现在辩论中不能取胜。在他的理论中，因为宇宙不演变，只是不断创造新的物质，所以早期的宇宙看上去应很像今天的宇宙。今天看到的星系应当很像几十亿年前的星系。如果有迹象表明在几十亿年的进程中有巨大的演变性变化，稳恒态理论就会遭到驳斥。
20世纪60年代，在外层空间发现一个叫做“类星体”的极其强大的神秘的源，或叫做准恒星体。（这个名字是这样容易让人记住，因此一种电视机以它命名。）类星体产生巨大的能量，有着显著的红色偏移，这意味着它们在可见宇宙的边缘，在宇宙很年轻时它照亮天空。（今天，天文学家相信这些是靠巨大黑洞能量驱动的巨大的年轻星系。）然而，我们今天看不到任何类星体的迹象。但是根据稳恒态理论今天也应该有类星体存在。但是经过几十亿年它们消失了。
霍伊尔理论还有另一个问题。科学家认识到，宇宙中有太多的氦与霍伊尔的稳恒态宇宙预计的不符。氦是一种熟悉的、在小孩子的气球和小型飞船中可以发现的气体，实际上它在地球上是很稀少的，而在宇宙中它是仅次于氢的第二个最丰富的元素。事实上，因为它在地球上是如此之少，所以它是首先在太阳上发现的，而不是在地球上发现的。（1868 年，科学家分析了从太阳发出的透过棱镜的光线。被检测的太阳光分解成通常的彩虹和谱线，但是科学家也检测到由以前不知道的神秘元素引起的微弱的谱线。科学家错误地认为它是金属，他们将这个神秘的金属命名为“氦”，希腊单词的意思是“太阳”。最后于1895年在地球的铀矿中发现了氦，科学家尴尬地发现它是气体，不是金属。因此，首次在太阳上发现的氦在取名时用词不当。）
如果原始的氦是像霍伊尔相信的那样主要在星星中产生的，那么它应该很少，并且应该在星星的内核附近发现它。但是所有天文学数据说明，实际上氦是很丰富的，构成宇宙原子质量的 25%。而且发现，它在宇宙间是均匀分布的，如伽莫夫相信的那样。
今天，我们知道有关核合成，伽莫夫和霍伊尔都有对的地方。伽莫夫原来想所有元素是大爆炸的原子尘埃或灰烬。但是这个理论在处理5个粒子和8 个粒子时失败了。霍伊尔想抛开大爆炸理论，证明是星星制造了所有的元素，根本不需要乞求大爆炸。但是这个理论不能解释我们现在知道的在宇宙中存在大量的氦。
伽莫夫和霍伊尔从本质上给了我们值得称赞的核合成的描述。5 个粒子和8个粒子以前的非常轻的元素的确是大爆炸产生的，像伽莫夫相信的那样。今天，作为物理学的发现结果，我们知道大爆炸确实产生了大多数的我们在自然界看到的氦，氦 3、氦 4 和氦 7.但是铁以前的重元素是在星星的核心产生的，像霍伊尔想象的那样。如果我们再加上由超新星高温抛出的铁以外的元素（如铜、锌和金），我们就有了解释宇宙中所有元素相对含量的完整的描述。（任何现代宇宙学的各种理论都有一个艰难的任务：解释宇宙中100多种元素和它们的种种同位素的相对含量。）
星星的诞生
这个关于核合成的激烈争论带来一个副产品，它给了我们星星生命循环的相当完整的描述。一个典型的星星，如我们的太阳的生命是从一个叫做“原恒星”的大的弥散氢气球开始的，在重力的作用下逐渐收缩。当它开始收缩时，它开始迅速旋转（通常导致双星系统的形成，两颗星在圆形的轨道上互相追赶，或在星星的旋转平面形成行星）。星星核心的温度急剧上升，达到将近1 000万度（K）或以上，这时氢熔合成氦。
在星星点燃之后，它被叫做“主序列星”，可以燃烧大约 100 亿年，它的内核缓慢地从氢变成氦。我们的太阳当前处在这个过程的中途。在氢燃烧完后，星星开始燃烧氦，并且它的尺寸膨胀得很大达到火星的轨道，变成“红巨星”。在内核中的氦燃料耗尽之后，星星的外层消散，留下内核本身，成为地球大小的“白矮星”。在白矮星中，可以产生元素周期表上铁以前的较轻元素。像我们太阳这样较小的星将在空间中死亡，成为矮星中的熄灭了的核材料。
但是，如果巨星的质量比我们的太阳大10倍到40倍，熔合过程将进行得更加迅速。当巨星变成红巨星时，它的内核迅速熔合较轻的元素，成为一颗混合的星，在红巨星的内部是一颗白矮星。当熔合进程达到产生铁元素的阶段，从熔合过程中再也提取不出能量。结果经过几十亿年后核炉将最终关闭。在这时，星星将突然收缩，产生巨大的压力将电子压向原子核。（密度可以超过水的密度的 4 000 亿倍。）使温度上升到万亿度。将它压缩成这样小的物体的重力能向外爆炸形成新星。这个过程所产生的巨大热量再一次引起熔合，合成在元素周期表上超出铁的元素。
例如，可以很容易在猎户星座看到的红巨星是不稳定的，随时可能爆炸成为超新星，放出大量的伽马射线和X射线到周围的空间。当这种情况发生时，就可以在白天看到这颗超新星，在夜晚它的亮度将超过月亮。（曾经有人设想，超新星释放的巨大能量毁灭了6 500万年前的恐龙。事实上，如果一颗超新星离开我们的距离为 50 光年，它一旦爆炸将结束地球上的所有生命。幸运的是，角宿星座的一颗巨星角宿〔Spica〕和猎户星座的一颗巨星参宿四〔Betelgeuse〕分别离开我们260光年和430光年。因为离得太远，当它们爆炸时不会对地球引起严重的损伤。但有些科学家相信：200 万年前一小部分海洋生物的灭绝，是由离开我们120光年的一颗超新星的爆炸引起的。）
这也意味着我们的太阳不是地球真正的“母亲”。尽管地球上很多人把太阳崇拜为神，说它诞生了地球，这只是部分正确的。尽管地球原来是从太阳产生的（作为 45 亿年前在黄道平面上围绕太阳的旋转的碎片和尘埃的一部分），但我们的太阳的热量不够大，只够将氢熔合成氦。这意味着我们真正的太阳“母亲”实际上是一颗不知名的星或星集，它是一颗在几十亿年前就死亡了的超新星，在它的周围播下了有着构成地球的超出铁的重元素的星系。精确地讲，我们的地球是几十亿年前消亡的星星的星尘构成的。
超新星爆炸的结果形成一个小的叫做中子星的残骸，由压缩成曼哈顿岛那样大小，尺寸只有 20英里（32 1 19千米）的固体核物质组成。（中子星是瑞士天文学家费里茨·兹维基〔Fritz Zwicky〕于1933年首先预测到的，因为看起来太神奇了，被科学家忽略了几十年。）因为中子星不规则地放出射线，并且快速地旋转。从地球上看去，中子星在脉动，因此叫做脉冲星。
大约比 40 个太阳质量还大的极大的星，最终经历超新星爆炸后可能留下一个比太阳质量大3倍的中子星。这颗中子星的重力是如此之大，以至能够抵消中子之间的排斥力，这颗星将最终收缩形成大概是宇宙中最奇怪的物体，即黑洞，我们在第5章将讨论它。
鸟屎和大爆炸
阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在 1965 年发现了稳恒态理论最关键的问题。他们在新泽西州装备有霍尔姆德尔·霍恩（Holmdell Horn）射电望远镜的 20英尺（6 1 1米）高的贝尔实验室工作，在他们从天空寻找无线电信号时，他们检测到不想要的静电噪音。他们想这可能是一个异常，因为这些噪音均匀地来自各个方向，而不是来自一颗星或一个星系。他们想这些静电噪音可能是尘土和碎片造成的，于是他们仔细清除罩在射电望远镜开口处的一层白色涂层，彭齐亚斯（Penzias）把它称做“一层介质材料的白色涂层”（通常叫做鸟屎），结果静电噪音似乎更强了。尽管他们还没有认识到，他们偶然发现了 1948 年伽莫夫小组预计的微波背景辐射。
现在宇宙学的历史读起来有点像吉斯通的无声喜剧片，有三个小组在探索答案，而彼此不知道别人在做什么。一方面，伽莫夫、阿尔法（Alpher）和赫尔曼（Herman）于 1948 年奠定了理论，预计了微波背景辐射的存在，他们预计微波背景辐射的温度在绝对零度以上5度，因为那时的仪器的灵敏度不能检测到它，他们放弃了测量空间微波辐射的希望。在 1965 年，彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）发现了这个黑体辐射，但却不知道它是黑体辐射。同时，由普林斯顿大学罗伯特·迪克（Robert Dicke）领导的第三组独立地重新发现了伽莫夫的理论并积极寻找背景辐射，但是他们的仪器太原始了，所以没有找到。
天文学家伯纳德·伯克（Bernard Burke）是他们的共同朋友，当他告诉彭齐亚斯（Penzias）有关罗伯特·迪克（Robert Dicke）的工作时，这个可笑的情形结束了。两个小组后来互相联系，显然彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）已检测到大爆炸本身发出的信号。由于这一重大的发现，彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）1978年得了诺贝尔奖。
事后才知道，霍伊尔和伽莫夫这两位持相反观点的最著名的对手，曾于1956年在一辆凯迪拉克轿车中，有过一次也许能改变宇宙学命运的至关重要的会见。霍伊尔回忆道：“我记得乔治（George）开一辆白色凯迪拉克带我在四周转。”伽莫夫向霍伊尔重复他的信念，大爆炸留下的余晖甚至到今天还能看到。然而，伽莫夫的最新数字将余晖的温度确定为绝对温度 50 度。然后，霍伊尔令人吃惊地向伽莫夫指出，他知道安德鲁·麦凯勒（Andrew McKeller）在 1941 年写的一篇晦涩的文章，该文指出外层空间的温度不可能超过绝对温度3度。超过这个温度就会发生新的化学反应，在外层空间就会产生更多的碳氢（CH）和碳氮（CN）基。通过测量这些化合物的存在，就可以确定外层空间的温度。事实上，他发现他检测到的空间CN分子的密度，说明外层空间温度大约为绝对温度21 3度。换句话说，伽莫夫不知道绝对温度为2 1 7度的背景辐射在1941年已经间接地测量到了。
霍伊尔回忆说：“不管是因为凯迪拉克轿车太舒适了，还是因为乔治（George）想要绝对温度高于3 度（K），而我想要温度为绝对零度，我们错过了 9 年之后由阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和鲍勃·威尔逊（Bob Wilson）所做出的发现的机会。”如果伽莫夫小组的数值没有计算错而得出的是较低的温度，或如果霍伊尔对大爆炸理论不是这么敌对，也许历史就要改写了。
大爆炸的余震
彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）检测到微波背景辐射的这一发现，对伽莫夫和霍伊尔的生涯产生了决定性的影响。对霍伊尔来说，彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）的工作是一个至关重要的实验。最后，霍伊尔在 1965 年的《自然》杂志上正式承认失败，引用微波背景辐射和在太空中富有氦作为放弃他的稳恒态理论的理由。但是真正扰乱他的是稳恒态理论失去了它的预测能力，他说：“人们广泛相信微波背景辐射扼杀了‘稳恒态’宇宙学，但是真正扼杀稳恒态理论的是心理状态……在微波背景辐射中有一个重要的现象没有预计到……很多年来，它使我感到无能为力。”（霍伊尔后来试图修改他的理论，但每次修改后的理论变得越来越似是而非。）
不幸的是，有关优先权的问题（是谁首先发现微波背景辐射？）使伽莫夫尝到苦果。从字里行间我们可以看到伽莫夫一点也不高兴他的工作和阿尔法（Alpher）及赫尔曼（Herman）的工作很少被人提起。他一直对人很有礼貌，他把这些不快深深埋藏在心里，但是在他写给别人的私人信件中，他说物理学家和历史学家完全忽略了他们的工作是不公正的。
尽管彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）的工作对稳恒态理论是一个巨大的冲击，并帮助将大爆炸理论放在了坚实的实验基础上，但是在我们理解膨胀宇宙的结构问题上仍有巨大的缺口。例如，在弗里德曼（Friedmann）的宇宙中，要理解宇宙的演变，我们必须知道宇宙物质平均分布的奥米伽值。然而，当我们认识到宇宙的大部分不是由熟悉的原子和分子，而是由重量比普通物质大 10 倍的叫做“暗物质”的奇怪的新物质组成时，奥米伽值的确定就成了一个大问题。在这个领域的领袖人物也没有被天文学界的其他人认真对待。
奥米伽和暗物质
暗物质的故事大概是宇宙学中最奇怪的一章。回到20世纪30年代，加利福尼亚工学院的瑞士天文学家费里茨·兹维基（Fritz Zwicky）注意到，后发座星系团的星系运动不遵照牛顿重力定律。他发现，这些星系运动得太快，根据牛顿运动定律它们应当飞离开来，星群应当解散。他想，能让后发星座星系群聚在一起而不是飞离的唯一办法，是星群的质量要比望远镜看到的大几百倍。要么是牛顿定律在极大的距离时多少有些不正确，要么是在后发星座星系群中有巨大的看不见的物质将它们聚集在一起。
这是在历史上第一次指出，关于宇宙中物质的分布的有些事情是完全错了。不幸的是，由于以下几个理由，天文学家一致拒绝或忽略了兹维基（Zwicky）的先驱工作。
第一，天文学家不愿意相信几个世纪以来占统治地位的牛顿重力理论会可能出错。在天文学中有过这样的处理危机的先例。19世纪，在分析天王星的轨道时发现它有些摆动，即它少许偏离了牛顿方程的预计。这样要么是牛顿错了，要么有一颗新的行星的重力在吸引天王星。后者的说明是正确的，1846年按照牛顿定律预计的位置在几个小时之内发现了海王星。
第二，有一个兹维基（Zwicky）的个性和一个天文学家如何对待“外人”的问题。兹维基（Zwicky）是一位空想家，在他的一生中常常被嘲笑或忽视。1933年，他和沃尔特·巴德（Walter Baade）一起杜撰了“超新星”这个词，并正确地预计到直径大约14英里（22 1 53千米）的小中子星将是一颗爆炸星星的最终的残迹。这个想法太怪了，以至在1934年1月19日《洛杉矶时报》的漫画中受到嘲笑。有一小组顽固的天文学家使他非常愤怒，他认为他们排斥他、不承认他、偷窃他的思想，用直径100到200英寸的望远镜来放大诋毁他。（在他1974年死前不久，他自己出版了一个星系的目录。目录开头的标题是：“提醒美国天文学的主教和献媚者。”这篇论文尖锐地批评那些所谓的天文学精英的排外做法，将像他这样的持不同意见者排斥在外。他写道：“今天的献媚者和彻头彻尾的小偷，特别是在美国的天文学界，似乎是肆无忌惮地盗窃持不同意见者和非遵逢者的发现和发明。”他把这些人叫做“天体私生子”，因为“无论你怎么看，他们都是私生子”。当为中子星的发现而颁发的诺贝尔奖忽略了他而授予别人时，他感到非常愤怒。）[4]
1962年，天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）再次发现这个奇怪的银河运动的问题。她研究了银河系的旋转，发现了同样的问题。她也受到类似的天文学界的轻视。通常，行星离太阳越远它跑得越慢，离得越近它跑得越快。这就是为什么水星以速度之神命名的原因，它离开太阳最近跑得最快。为什么冥王星的速度比水星慢10倍呢？因为它离开太阳最远。然而，当维拉·鲁宾（Vera Rubin）分析我们星系中的蓝星时，她发现这些星星以同样的速率绕星系旋转，不管它们离开星系中心有多远（叫做平直的旋转曲线），因此违背了牛顿力学的概念。事实上，她发现银河系旋转得如此之快，按理应该飞出去。但是大约100亿年来，这个星系十分稳定。为什么旋转曲线是平的成了一个秘密。为保持这个星系不分解，它必须比当前科学家想象的重 10倍。显然，银河系90%的质量丢失了！
维拉·鲁宾（Vera Rubin）被忽视了，部分原因是她是一位妇女。她有些痛苦地回忆到，当她申请去斯沃斯莫尔（Swarthmore）学院读科学专业，并礼貌地告诉招生负责人说她喜欢绘画时，会见者说：“你有没有考虑过绘制天体美景这个职业呢？”她回忆说：“这句话成了我们家的一句时髦用语，不管什么事情、什么人错了，我们都会说你有没有考虑过绘制天体美景这个职业呢？”
当她告诉她的高中物理老师她被接受去瓦瑟（Vassar）读书时，他回答：“只要你不沾科学的边，就不会有什么问题。”（她后来回忆道：“对待这样的事情，需要自尊才不至于被压垮。”）
毕业后，她申请并被接受去哈佛大学，但她没有去，因为她和一位化学家结婚了，跟她丈夫去了科内尔（Cornell）。（她得到哈佛大学的一封回信，信底有一行手写的话：“该死的妇女！每当我得到一位好的学生，一切都准备好后，她又跑了、结婚了。”）近来，她参加了在日本召开的一次天文学会议，她是与会的唯一妇女。她承认：“很长一段时间以来，我一讲这些故事就不得不哭，因为在一整代人中，可怕的命运没有改变。”
然而，在她的仔细工作和其他人的工作的影响下，天文学界开始相信丢失质量问题。到 1978 年为止，鲁宾（Rubin）和她的同事考察了 11 个螺旋星系。这些星系都旋转得太快，根据牛顿定律不能聚在一起。同一年，荷兰射电天文学家艾伯特·博斯马（Albert Bosma）发表了迄今为止最完整的几十个螺旋星系的分析。几乎所有这些星系呈现同样的反常行为。这似乎最终使天文学界信服暗物质的确存在。
对这个令人烦恼的问题的最简单的解释方法，是假定这些星系被不可见的光环包围，光环所包含的物质比星星本身大 10 倍。自那时以来，已开发出更完善的测量这些不可见物质存在的手段。给人印象最深的办法是测量光线通过这些不可见物质发生的扭曲。像你的眼睛的镜片一样，暗物质也能使光线弯曲。（因为它的巨大质量和由此产生的巨大重力。）近来，通过用计算机仔细分析哈勃空间望远镜的照片，科学家能够构造整个宇宙暗物质分布图。
科学家一直在热烈地探讨暗物质是由什么构成的。有些科学家认为暗物质也许是由普通物质构成的，不同的是它非常暗淡（即由几乎不可见的褐色矮星、中子星、黑洞组成）。这样的物体由“重物质”集合在一起，即由熟悉的重子（如中子和质子）构成。这些物体全都叫做MACHOs（重的紧凑的光环物体的缩写，Massive Compact Halo Objects）。
另一些人认为，可能暗物质是由非常热的非重子物质，如中微子（叫做热的暗物质）构成。然而，中微子运动太快，不能解释在自然界看见的大量暗物质和星系。还有一些人认为，暗物质是由完全新型的叫做“冷暗物质”，或弱相互作用重粒子（WIMPS，weakly interacting massive particles）构成的，它们是解释大多数暗物质的主要候选人。
COBE卫星
利用自伽利略以来天文学广泛应用的普通望远镜，我们不可能解决暗物质的秘密。天文学已经进展到可以利用标准的固定在地面上的光学仪器。然而，在20世纪90年代，出现了新一代利用卫星技术、激光和计算机的天文仪器，完全改变了宇宙学的面貌。
这些收获的第一批成果之一是1989年11月发射的COBE（宇宙背景探测者，Cosmic Background Explorer）卫星。彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）的原始工作证实了有不少数据与大爆炸理论一致，而 COBE 卫星则能够测量大量的数据，它们精确地符合伽莫夫和他的同事在 1948 年所做的黑体辐射的预测。
1990 年，在美国天文学会的一次会议上，当代表们看到视图上显示的COBE结果时，在场的1 500名科学家突然爆发出雷鸣般的经久不息的掌声，几乎是全体一致地同意温度为2 1 728度（K）的微波背景辐射确实存在。
普林斯顿大学的天文学家耶利米·P 1 奥斯特里克（Jeremiah P 1 Ostriker）评论说：“当在岩石中发现化石时，它使生物种类的起源一目了然。很好，COBE发现了（宇宙的）化石。”
然而，从COBE得出的视图十分模糊。例如，科学家想要分析“热点”，或宇宙背景辐射的波动，此波动在整个天空中应该大约为1度（K）。但是COBE的仪器检测的波动为7度或比7度还多，因此其灵敏度不能检测这些小的波动。科学家被迫等待预计将于世纪之交过后发射的 WMAP 卫星的结果，他们希望这颗卫星能够解决诸多这样的问题和秘密。