在新墨西哥州圣阿古斯丁平原上，一片广阔的鼠尾草覆盖的山谷，主要栖息着牛群，麻省理工学院射电天文学家杰奎琳·休伊特（Jacqueline Hewitt）坐在甚大阵列的控制室里。甚大阵列由27台轨道式射电望远镜组成，每个望远镜的碟形天线直径都超过80英尺。这些天线尽可能地分散开，形成一个Y字形，控制室位于中心，每个臂上最远的望远镜距离约15英里。所有碟形天线都聚焦在天空中的一个点上。休伊特正在调谐一个类星体——一个距离地球数十亿光年的点状物体，它以射电波的形式辐射出百万个太阳的能量。她正在等待它的信号闪烁。
在智利北部干燥山脉塞罗托洛洛（Cerro Tololo）顶部的四米光学望远镜上，另一位麻省理工学院天文学家约翰·汤瑞（John Tonry）正在观察星系，试图测量其表面亮度的细微差异。而在塞罗托洛洛的姊妹望远镜，位于亚利桑那州南部基特峰（Kitt Peak）的四米望远镜上，一个由多个机构组成的观测团队正在扫描星系，寻找行星状星云——由巨星在临死挣扎中喷出的明亮气体团。
这些观测方法截然不同，但每个项目都是为了回答关于宇宙的两个最基本问题：它有多大，它有多老？这些问题是等价的。当我们问宇宙有多大时，我们指的是可见宇宙：一个以地球为中心，半径是光从大爆炸（宇宙作为一个单点出现并迅速向外膨胀）以来可能传播的距离的球体。可见宇宙边缘的距离，以光年计，与整个宇宙诞生以来的年份数相同。整个宇宙很可能比可见宇宙更大；在其存在的第一个纳秒内，它可能经历了比光速更快的暴胀。但天文学家无法指望测量他们看不见的东西。
而且他们在测量他们能看到的东西的大小方面一直非常不成功。他们已经揭示了一些黑洞、脉冲星和碰撞星系的秘密；他们可以非常详细地追踪恒星的诞生、生命和死亡；他们甚至可以告诉你大爆炸后最初几秒钟发生了什么。但他们不知道大爆炸何时发生，至少不是很准确。宇宙要么是100亿年前的，要么是200亿年前的……或者介于两者之间。可见宇宙要么是200亿光年宽，要么是400亿光年宽……或者介于两者之间。
然而，这个答案对于对宇宙学的任何深入理解都至关重要。例如，确定宇宙是会永远膨胀还是会减速然后在大坍缩中崩溃，这取决于它的密度——而你不知道它的尺寸和体积就无法计算任何东西的密度。推断星系如何从大爆炸产生的均匀物质汤中形成，这是理论天体物理学的主要难题之一，这取决于引力将星系聚集在一起的时间。加拿大理论天体物理研究所的著名理论家迪克·邦德（Dick Bond）认为，宇宙的大小和年龄问题，不亚于当今该领域最重要的难题。
理论上，大自然为天文学家提供了一把尺子，他们可以用它来高精度地测量宇宙距离。这把尺子被称为哈勃常数，以埃德温·哈勃（Edwin Hubble）命名，他在20世纪20年代发现宇宙正以均匀的速度膨胀。就像膨胀气球表面上的波点一样，星系不断地分离，因为新的空间在它们之间产生。而且两个星系离得越远，它们飞离的速度就越快。如果星系A以比星系B快两倍的速度远离地球，那么它离地球的距离就恰好是星系B的两倍。
但那有多远呢？这就是哈勃常数——或其缩写H0——发挥作用的地方。在速度与距离成正比的公式中，H0是比例常数。它告诉天文学家星系随着距离的增加而分离的速度增加多少；如果他们知道它的正确值，它就会告诉他们。它的单位是每百万秒差距公里每秒。（一个百万秒差距大约是三百二十五万光年。）哈勃常数越大，速度随距离的增加而增加得越快。
大的哈勃常数也意味着一个年轻的宇宙：如果宇宙膨胀得很快，它就很快达到了它现在的尺寸，而大爆炸是相对近期的。哈勃常数如果达到每百万秒差距100公里每秒——当前估计值的上限——意味着宇宙大约有100亿年的历史。但是如果H0低至50，甚至更低一点，那么年龄就接近200亿年。
因此，使用哈勃常数作为测量尺的麻烦在于，没有人知道它有多长。这就是为什么当天文学家撰写技术论文时，他们几乎从不说明某个遥远星系距地球有多少光年；他们以哈勃常数的形式给出距离，本质上是告诉读者插入你认为H0正确的任何值，这将给出距离。这就是为什么像本杂志这样的警觉读者有时会惊讶地发现，宇宙的边缘似乎在一个月内从例如150亿光年远，几个月后又变成了100亿光年远，因为引用了不同的天文学家。只要天文学家之间无法就宇宙的大小达成一致，记者就不愿就此问题采取官方政策。他们也不想每次提到距离时都用宇宙距离测量的复杂性来让读者感到厌烦。
要获得哈勃常数的精确值，从而获得所有宇宙距离的关键，只需确定性地测量一个遥远物体的距离，然后确定它以多快的速度远离。但做到这一点并不容易。首先，该物体必须位于我们银河系附近之外，在那里，星系的向外流动被与空间膨胀无关的局部运动所掩盖。例如，附近的M31星系，也被称为仙女座星系，根本没有远离银河系。这两个巨大的螺旋星系实际上在它们的相互引力作用下相互靠近，而且两者，连同约二十几个星系组成的整个本星系群，都在向——而不是远离——室女座星系团坠落。
哈勃常数必须在深空测量，那里的膨胀速度如此之大，以至于任何局部效应都相形见绌。不幸的是，要到达那里必须走很远——数亿光年——以至于星系太远，无法精确测量它们的距离。天文学家可以根据它们的退行速度精确地告诉它们的相对距离，但它们的实际距离却很模糊。
如果天文学家能找到一个“标准烛光”，即一类所有物体都具有相同固有亮度（可以根据附近的样本确定）且亮度足以在半个宇宙之外都能看到的物体，那么这些问题就都不会存在。这样一来，物体的视亮度就能衡量其距离；它看起来越暗，就越远。然而，到目前为止，还没有人找到一个所有人都同意适用于整个宇宙的标准烛光。相反，天文学家一直不得不通过一系列标准烛光，一步步地运用这种基本方法——通过物体固有亮度变暗的程度来判断距离，每个标准烛光都作为测量下一个物体距离的标尺。每一步本身只有一点点不准确；当它们全部一起使用时，就会变得无法控制。
第一步（也是唯一精确的一步）是三角视差：当地球从太阳的一侧移动到另一侧时，附近的恒星相对于遥远恒星的背景会改变位置。同样的事情也发生在你鼻子前的手指上——当你先用一只眼睛看，然后用另一只眼睛看时，它似乎在视野中跳动。位置变化加上一些高中三角学知识，可以非常准确地给出恒星的距离。
这些近距离恒星——视差可测量的最大距离是4,000光年——然后可用于校准相同类型远距离恒星的距离。从近距离恒星的距离和其视亮度，你可以计算出它的固有亮度，所有同类型恒星的固有亮度都是相同的。当你看到一颗相同类型的远距离恒星时，你可以通过比较它看起来的亮度与它实际的亮度来确定它的距离。这些远距离恒星并不是那么远：它们仍然在我们的星系内，距离地球最多几万光年。但有时，幸运的是，它们与被称为造父变星的恒星一起出现在双星系统中。
顾名思义，造父变星是处于生命晚期的普通恒星，其亮度在几天内会发生巨大变化。造父变星的周期越长，其平均光度就越大——而且这种关系已被充分理解，天文学家所要做的就是测量给定造父变星的周期，以找到其固有的平均亮度，从而确定其距离。造父变星将距离阶梯带出了银河系：自20世纪20年代以来，它们已在仙女座星系中被观测到，因此天文学家知道仙女座星系距离地球约200万光年。假设它是一个具有典型亮度的螺旋星系，那么人们可以估算出更远螺旋星系以及有时与它们聚集的椭圆星系的距离。现在我们处于距离地球数千万光年的范围内。
距离阶梯的最后一步是红移，即随着宇宙膨胀，远离银河系的星系中星光的红化。红移的程度由星系的退行速度精确决定。因此，天文学家们站在他们不稳定的假设阶梯上，计算出中等距离螺旋星系的基于亮度的距离，并利用这些距离和星系的退行速度来计算哈勃常数。然后他们再进一步测量更远星系的距离——甚至测量类星体的距离，这些类星体是可见宇宙边缘极其明亮、星状的光信标。现在我们距离地球100亿光年——或者可能是200亿光年。
一个显而易见的改进距离尺度的方法是提高其中一个步骤的精确度。例如，最近，卡内基天文台的温迪·弗里德曼（Wendy Freedman）和加州理工学院的巴里·马多尔（Barry Madore）再次研究了造父变星。这个阶梯上的一个问题是，距离并不是唯一会使造父变星光线变暗的因素；恒星与我们之间漂浮的任何尘埃云也会导致光线变暗。尘埃遮蔽会使恒星看起来比实际更远。为了解决这个问题，弗里德曼和马多尔观测了造父变星的近红外光，这种光比普通可见光更容易穿透尘埃。重新计算造父变星的距离后，他们得出了85的哈勃常数，这意味着可见宇宙的直径约为220亿光年，年龄为110亿年。
理论上，改进距离阶梯的更好方法是，用更可靠的步骤替换其中一个不稳定的步骤。这正是由基特峰的乔治·雅各比和宾夕法尼亚州立大学的罗宾·夏杜洛领导的行星状星云小组正在努力做的。行星状星云是其他星系中可见的巨大明亮气体团。它们都是以相同的方式产生的——当一颗年老的恒星吹散其大气层时——所以如果你观察一批这样的星云，它们的亮度范围总是相同的。雅各比和夏杜洛没有使用整个仙女座星系作为标准烛光——这是距离阶梯上最不确定的步骤，也是最适合去除的步骤——而是使用行星状星云。通过这种技术，哈勃常数约为80，宇宙年龄约为120亿年。
麻省理工学院的约翰·汤瑞（John Tonry）正在做类似但更复杂的事情。他的标准烛光是遥远星系中的恒星，这些恒星太小，无法单独观测。为了测量它们，他依赖于对包含数千颗恒星的星系斑块亮度的极其精确的测量，以及支配随机自然过程的统计数据。他解释他的方法时说，假设你外面有一堆开着盖子的油漆桶，下了一场冰雹。然后冰雹融化了，桶里有水。现在想象一下你正在观察每个桶中水位的差异。如果冰雹很大，数字会有很大的变化。一个桶可能装了三块冰雹，下一个桶只装了一块——融化后水位会相差很大。但如果冰雹很小，一个桶里可能比下一个桶多一百块，但水位却没有太大差异。其思想是，通过比较水位，即使你无法实际看到单个单位，你也能对其有所了解。
事实证明，星系中的恒星也是如此。通过测量一个星系不同区域的亮度变化，汤瑞可以计算出星系中单个恒星的平均亮度——也就是冰雹的大小。他还可以看到一个区域中恒星的平均颜色。由于恒星的颜色和大小决定了它的固有亮度，他可以通过观察我们银河系中类似的恒星来推断遥远恒星的固有亮度，并通过假设它包含与仙女座星系中类似大小区域相同数量的恒星来推断整个区域的固有亮度。然后，遥远区域的视亮度告诉他遥远星系有多远。汤瑞的哈勃常数，就像行星状星云技术得出的常数一样，约为80。
近年来，三种不同的技术——对造父变星的近红外观测、行星状星云以及托尼的星斑——都趋向于认为宇宙是年轻的，大约110亿到120亿岁。这是否预示着一种趋势的形成？是否预示着共识的开始？远非如此：至少还有三个天文学家团队报告的结果表明宇宙要古老得多，也大得多。其中两个团队正在尝试对宇宙距离阶梯进行迄今为止最雄心勃勃的改进。他们完全抛弃了阶梯，试图一跃跳到宇宙的遥远区域。
其中一个小组由哈佛大学天文学系主任、超新星专家罗伯特·柯什纳（Robert Kirshner）领导。这些爆炸的恒星可以在半个宇宙之外被看到，它们长期以来一直是距离测量方案的一部分。柯什纳的创新（参见《发现》杂志七月刊）是一种巧妙的技术，可以测量爆炸膨胀碎屑壳的视大小和实际大小，然后利用两者推断超新星的距离。尽管他尚未收集到足够的数据来得出他认为的确定性结果，但他的哈勃常数目前徘徊在65左右，这意味着宇宙有150亿年的历史。
另一种打破阶梯的技术是杰奎琳·休伊特（Jacqueline Hewitt）和她的研究生格蕾丝·陈（Grace Chen），以及普林斯顿大学的埃德·特纳（Ed Turner）在甚大阵列（Very Large Array）上研究的技术。这种技术依赖于宇宙海市蜃楼。当一个星系恰好位于一个更遥远的类星体前面时，前者的引力可以充当透镜，通过弯曲后者的光线（或其射电波）来扭曲后者的图像。通常，类星体会被分成两个或更多个独立的图像，因为它的光线分成至少两条不同的路径到达地球。
除非类星体、星系和地球完美对齐，否则其中一条路径会比另一条稍长。在这种情况下，类星体的任何亮度闪烁都会首先在一个图像中看到，然后是另一个。根据光速和闪烁之间的时间延迟，可以计算出路径长度的差异。由此，结合类星体两个视图像之间的角度以及类星体光线弯曲的角度，可以计算出透镜星系的距离。
休伊特和她的研究生约瑟夫·莱哈尔（Joseph Lehár）迄今为止已经为一个引力透镜系统进行了计算——一个双图像类星体，他们观察到它在一个图像中闪烁，然后在大约540天后在第二个图像中闪烁。从时间延迟中，他们确定透镜物体距离为57亿光年——哈勃常数约为40。这意味着宇宙的年龄超过240亿年，是其他一些估计值的两倍。
然而，休伊特的估计仍然非常不确定，她会第一个指出这一点。为了计算类星体光线弯曲了多少，她必须对透镜物体中有多少质量以及质量如何分布做出合理的假设（就像你需要知道玻璃透镜的厚度和曲率才能预测它如何弯曲光线一样）。问题在于，休伊特第一个案例中的透镜物体不仅是一个星系，而是一个星系团。质量分布非常混乱，由此得出的哈勃常数也相应地不确定。
一个更清晰的系统显然会更好，休伊特有一个很好的候选。1986年，她发现了一个被称为爱因斯坦环的物体。这是一个类星体，像许多同类一样，从其核心喷射出两股热气流。未经透镜作用，这个类星体看起来就像一个由两个短划线包围的点。但透镜作用使得其中一个喷流几乎无法看到，并将另一个喷流涂抹成一个完美的环状。类星体本身被复制了，它的两个图像出现在环的两侧。休伊特说，在这种情况下，透镜似乎只是一个单一的星系，这将使系统更容易分析，如果类星体曾经闪烁的话。在对VLA进行了大量工作之后，她仍在等待闪烁。
与此同时，她对哈勃常数较低的初步估计得到了哈勃空间望远镜工作的支持。卡内基天文台的艾伦·桑德奇（Allan Sandage）长期以来一直主张宇宙的年龄较大，他利用空间望远镜观测了所谓的Ia型超新星——桑德奇和他的同事们认为，这类恒星爆炸总是以相同的固有亮度发光，因此非常适合作为标准烛光。研究人员通过观测一个足够近的星系中的这种超新星来确定其固有亮度，该星系的距离可以通过造父变星方法测量。然后他们通过观测其中包含的超新星来测量更远星系的距离。桑德奇的小组得出的哈勃常数是45。
大多数天文学家希望桑德奇和休伊特是正确的，并且所有对哈勃常数的高估都是错误的。埃德·特纳说，原因在于一个年轻的宇宙会带来问题。关于这些问题的严重程度存在一些分歧，但它们确实存在。根据公认的恒星演化理论，银河系中存在至少150亿年的恒星。如果宇宙只有100亿年的历史，那么某些地方就出了严重的问题。特纳说，通过一些调整，你可以将恒星的年龄降低，但不够。
天文学家以前也曾面临过这种困境。在20世纪40年代，哈勃本人提出了一个500的常数，这意味着宇宙只有20亿年的历史。问题是，地质学家已经知道地球上有些岩层形成的时间接近这个数字的两倍。那次危机通过对距离阶梯的仔细重新分析而得以避免，这增加了宇宙的大小和年龄，直到它能够舒适地允许我们的星球存在。
由于引力透镜技术直接测量遥远星系的距离，而不依赖于中间步骤，因此它最有潜力一劳永逸地确定哈勃常数。但是，在休伊特或其他观测者得出所有人都能接受的测量结果之前，天体物理学仍将悬而未决——徘徊在一个舒适的解决方案（宇宙足够古老，足以容纳其恒星）和一个真实、不可避免的危机之间。
