溯流至?xí)r間源頭_穿越平行宇宙

知之為知之，不知為不知，是知也。

孔子

最可怕的無(wú)知，就是拒絕接受你所不知道的東西。

韋恩·戴爾（Wayne Dyer）

我們的太陽(yáng)系從何而來(lái)？我兒子菲利普上二年級(jí)時(shí)，卷入了一場(chǎng)熱烈的討論。

“我認(rèn)為太陽(yáng)系是上帝造出來(lái)的?！彼嗌弦晃慌f(shuō)道。

“但我爸爸說(shuō)太陽(yáng)系是一團(tuán)巨大的分子云造出來(lái)的。”菲利普插嘴說(shuō)。

“那這團(tuán)巨大的分子云又是從哪里來(lái)的呢？”另一位男孩問(wèn)。

“也許是上帝造出了這團(tuán)分子云，然后這團(tuán)分子云再造出了我們的太陽(yáng)系?！钡谝粋€(gè)女孩說(shuō)。

我相信，自從人類(lèi)直立行走以來(lái)，就開(kāi)始仰望夜空，好奇那些星星從何而來(lái)。從古至今，人們都知道，有些事情是可以被理解的，而有些則如秘密般深藏不露、不為人知。比如，我們知道此時(shí)此刻正在發(fā)生什么，也知道那些與我們密切相關(guān)的事情，諸如周遭有何物、早餐吃什么。但是，望向更遙遠(yuǎn)的地方和更久遠(yuǎn)的過(guò)去，我們仿佛遇到了一塊知識(shí)的巨石，橫亙?cè)诼飞?。巨石之外是無(wú)知的世界。在上一章中，我們目睹了人類(lèi)如何用智慧推著這塊巨石往前，將我們對(duì)空間的認(rèn)知逐步擴(kuò)大——從地球到太陽(yáng)系，再到星系，最后到達(dá)數(shù)十億光年外的宇宙深處。那么現(xiàn)在，讓我們開(kāi)始第二段智慧的探險(xiǎn)，一起來(lái)看看人類(lèi)如何推著這塊無(wú)知的巨石溯流而上，到達(dá)時(shí)間的源頭。

“月亮為什么不會(huì)掉下來(lái)呢？”我們用這個(gè)問(wèn)題，來(lái)開(kāi)始這段冒險(xiǎn)。

直到約400年前，“月亮為什么不會(huì)掉下來(lái)呢”這個(gè)問(wèn)題看起來(lái)還毫無(wú)解決的希望。那時(shí)候，人們剛通過(guò)巧妙的觀測(cè)，用肉眼可見(jiàn)的線索確定了太陽(yáng)、月亮、水星、金星、火星、土星和木星的位置。哥白尼、第谷·布拉赫（Tycho Brahe）、約翰尼斯·開(kāi)普勒（Johannes Kepler）等科學(xué)家甚至計(jì)算出了這些天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律——太陽(yáng)系就像鐘表，每個(gè)部分都循著完美的圓形軌道，周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng)著，仿佛永無(wú)止境。沒(méi)有跡象表明它有一天會(huì)停下來(lái)，更不知道它是否始于過(guò)去的某一天。那么，太陽(yáng)系是永續(xù)永存的嗎？如果不是，它是從哪里來(lái)的呢？

當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上賣(mài)的鐘表，對(duì)齒輪、彈簧等部件的工作原理，人們都了如指掌。對(duì)一只特定的鐘表，人們不僅能預(yù)測(cè)它的未來(lái)，還能推知它的過(guò)去。比如，你能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)一只手表會(huì)按穩(wěn)定的速度運(yùn)行下去，但由于摩擦力的存在，如果你不上發(fā)條，它就會(huì)慢慢停下來(lái)。通過(guò)分析，你能知道它上個(gè)月什么時(shí)候上過(guò)發(fā)條。那么，天體也遵循這樣的規(guī)律嗎？是否也存在某種類(lèi)似摩擦力的力，影響著它們的運(yùn)動(dòng)，最終改變它們的軌跡呢？如果事實(shí)果真如此，那我們就能像對(duì)待鐘表一樣，算出它形成的時(shí)間和方式。

答案卻似一記響亮的耳光：“不是！”我們已經(jīng)很了解地球上的物體在空間中的運(yùn)動(dòng)，不管是隨手扔一個(gè)石子，還是古羅馬的投石機(jī)和發(fā)射鐵球的大炮，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡都很容易預(yù)測(cè)，并且無(wú)一例外都會(huì)掉落到地面上。然而，天體們卻仿佛遵循著與地球上的物體完全不同的定律。比如，如果月亮是天上的一塊大石頭，為何它不會(huì)像其他石塊一樣掉到地面上呢？經(jīng)典的回答是：月亮是天堂之物，而天堂之物必然遵循著不同的規(guī)律，不受萬(wàn)有引力的影響，所以它不會(huì)掉下來(lái)。還有一些人進(jìn)一步解釋道：天堂之物之所以與眾不同，是因?yàn)樗鼈兪峭昝赖?。不信你看，它們有著完美的球形外表，它們運(yùn)行的軌跡是完美的圓形——完美的東西才不會(huì)掉到不完美的地面上來(lái)呢。而地球上處處充斥著不完美：摩擦力會(huì)讓物體減速，火焰會(huì)熄滅，人會(huì)死去。而在天堂，物體之間沒(méi)有摩擦力，太陽(yáng)不會(huì)熄滅，時(shí)間一望無(wú)垠，沒(méi)有盡頭。

然而，這種對(duì)天堂的美好幻想禁不起推敲。對(duì)第谷的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析后，開(kāi)普勒總結(jié)道，行星的軌道并不是圓形，而是被拉長(zhǎng)的橢圓形，這可一點(diǎn)也不完美。伽利略用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)也并不完美，上面像銹蝕的鐵片一樣散布著丑陋的黑色斑點(diǎn)；月球就更不用說(shuō)了，它并不是一個(gè)渾圓光滑的完美球體，而是布滿了起伏的丘壑和巨大的凹坑。那么，既然月亮并不完美，為什么它不會(huì)掉下來(lái)呢？

最后，牛頓終于解決了這個(gè)問(wèn)題，他的想法很簡(jiǎn)單，但也很激進(jìn)，那就是：天堂之物遵循著與地球之物完全相同的規(guī)律。既然月亮不會(huì)像石頭一樣掉下來(lái)，那我們能不能扔出一塊石頭，也像月亮一樣永遠(yuǎn)不掉下來(lái)呢？太陽(yáng)比地球重多了，扔出的石頭為何不會(huì)掉到太陽(yáng)上去呢？牛頓猜想，一定是因?yàn)樘?yáng)太遙遠(yuǎn)，萬(wàn)有引力隨距離增大而減小。那么，是否能以極快的速度向上拋出一塊石頭，在引力把它拉回地面之前，就逃脫地球呢？靠牛頓自己的力氣肯定不行，但他意識(shí)到，如果有一架假想的超級(jí)大炮，只要它能給予石頭足夠的速度，那石頭就能逃離地球。正如圖2-1所示，水平射出一枚炮彈，它的命運(yùn)將取決于它的速度——如果它的速度低于某個(gè)神奇的值，那它最終將會(huì)撞毀在地面上。如果你以越來(lái)越快的速度發(fā)射炮彈，那它們?cè)趬嫐е八w行的距離會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)。直到你終于到達(dá)那個(gè)神奇速度，炮彈就不再掉下來(lái)，而是保持在固定的高度，以接近正圓的軌道，繞著地球轉(zhuǎn)圈——和月亮一樣！在地面上，牛頓用很多東西做過(guò)實(shí)驗(yàn)，比如石頭、蘋(píng)果等，最終計(jì)算出了這個(gè)神奇的速度——呼嘯而過(guò)的每秒7.9公里！

牛頓認(rèn)為，如果月球也遵循同樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，他也能算出它保持圓形軌道所需要的速度。可是有個(gè)關(guān)鍵的線索缺失了，即在月球那樣遙遠(yuǎn)的距離，地球的引力會(huì)下降到什么程度呢？由于月球以圓形軌道繞地球旋轉(zhuǎn)，每個(gè)月轉(zhuǎn)一圈，而這個(gè)圓形軌道的半徑早已被阿里斯塔克斯算出來(lái)了，所以牛頓據(jù)此算出了月球的速度——大約每秒1公里，與M16步槍子彈的速度差不多。接下來(lái)，牛頓總結(jié)出了一個(gè)影響深遠(yuǎn)的結(jié)論：假如地球和月球之間的引力與距離的平方成反比，那么，使月球正好繞圓形軌道運(yùn)行的那個(gè)“神奇速度”恰好等于觀測(cè)到的月球速度！這樣，牛頓終于發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律，它放諸四海而皆準(zhǔn)，不論在地球上還是天上，都一樣。

   

圖2-1　如果炮彈發(fā)射的速度大于每秒11.2公里（D），它就能一飛沖天，逃離地球的引力（忽略空氣阻力）。如果速度稍慢一些（C），它將進(jìn)入橢圓軌道，繞地球旋轉(zhuǎn)。如果發(fā)射的速度是每秒7.9公里（B），它的軌道將是一個(gè)完美的正圓形。如果速度再低一些（A），炮彈最終將落回地面上。

一時(shí)間，所有謎題都像拼圖游戲的碎片一樣各自歸位。牛頓將萬(wàn)有引力定律與他制定的運(yùn)動(dòng)定律結(jié)合起來(lái)，不僅能解釋月亮的運(yùn)動(dòng)，還能解釋行星繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。他還通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)出，最常見(jiàn)的軌道形狀是橢圓形，而不是正圓形，這正是開(kāi)普勒百思不得其解的問(wèn)題。

與所有重大的科學(xué)突破一樣，牛頓的發(fā)現(xiàn)能回答的問(wèn)題遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了那些促使他開(kāi)始思考的難題。比如，這一定律還能解釋潮汐現(xiàn)象——太陽(yáng)和月亮的萬(wàn)有引力吸引著地球上的海水，但對(duì)更近那一面的海水吸引力更大一些，使得海水隨地球的自轉(zhuǎn)而被攪動(dòng)起來(lái)。牛頓定律還表明能量是守恒的（在物理學(xué)上，守恒的意思是指一成不變），所以如果能量出現(xiàn)在某處，它一定不是從虛無(wú)中憑空出現(xiàn)的，一定是從別處而來(lái)。潮汐消耗了大量的能量（其中一些被潮力發(fā)電站利用），那這些能量來(lái)自何處呢？大部分來(lái)自地球的自轉(zhuǎn)，所以潮汐的摩擦力使得地球自轉(zhuǎn)變得越來(lái)越慢——如果你總覺(jué)得一天24小時(shí)不夠用，沒(méi)關(guān)系，等到兩億年后，地球上的一天將延長(zhǎng)到25個(gè)小時(shí)！

這說(shuō)明，摩擦力也會(huì)影響天體的運(yùn)動(dòng)，摧毀了“太陽(yáng)系永續(xù)永存”的思想——在過(guò)去，地球的自轉(zhuǎn)一定比現(xiàn)在快。你還能計(jì)算出，今天的地球-月球系統(tǒng)的年齡不會(huì)超過(guò)40億～50億年，否則那時(shí)的地球自轉(zhuǎn)速度會(huì)超級(jí)快，巨大的離心力會(huì)將地球撕得粉碎。我們終于對(duì)太陽(yáng)系的起源有了第一個(gè)線索！“案發(fā)時(shí)間”總算出現(xiàn)了一線曙光。

牛頓的發(fā)現(xiàn)為人類(lèi)思想插上了翅膀，走出了征服空間的第一步。他證明，通過(guò)地面上的實(shí)驗(yàn)，我們也可以發(fā)現(xiàn)物理定律，并能將其推而廣之，解釋天上發(fā)生的事情。盡管牛頓的專(zhuān)長(zhǎng)只是萬(wàn)有引力和運(yùn)動(dòng)，但他的這種思想實(shí)驗(yàn)卻像燎原野火一樣，逐漸蔓延到了其他領(lǐng)域，比如光、氣體、固體、電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象。人們展開(kāi)了大膽的猜測(cè)，不僅對(duì)肉眼可見(jiàn)的宏觀現(xiàn)象，還針對(duì)微觀現(xiàn)象，將牛頓的運(yùn)動(dòng)定律運(yùn)用于原子，來(lái)解釋氣體等許多物質(zhì)的性質(zhì)。一場(chǎng)科學(xué)革命拉開(kāi)了序幕，開(kāi)啟了工業(yè)革命和信息時(shí)代的大門(mén)。反過(guò)來(lái)，這些進(jìn)步幫助我們創(chuàng)造出強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，又幫助我們進(jìn)一步推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展，解開(kāi)物理方程，回答人們?cè)偎疾坏闷浣獾脑S多有趣問(wèn)題。

物理定律可以被運(yùn)用在很多方面。一般情況下，我們希望能用現(xiàn)狀預(yù)測(cè)未來(lái)，比如預(yù)報(bào)天氣；也可以把這些公式反過(guò)來(lái)，用現(xiàn)狀去推演過(guò)去，比如重建哥倫布在牙買(mǎi)加看見(jiàn)的月食的具體細(xì)節(jié)。還有第三種方式是，想象一種假設(shè)的條件，運(yùn)用物理公式推算它隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，比如，模擬一次目的地為火星的火箭發(fā)射，計(jì)算它是否能如期到達(dá)。運(yùn)用第三種方法，我們找到了太陽(yáng)系起源的新線索。

想象一下，外太空有一團(tuán)極大的氣體云，隨著時(shí)間的流逝，它會(huì)發(fā)生什么呢？物理定律認(rèn)為，它的命運(yùn)取決于兩股力量之間無(wú)休止的戰(zhàn)役——萬(wàn)有引力和壓力，前者想壓縮它，而后者則想把它撐大。

如果引力占了上風(fēng)，氣體云開(kāi)始?jí)嚎s，它就會(huì)變得越來(lái)越熱（這就是為什么用氣筒給自行車(chē)打氣時(shí)會(huì)發(fā)熱），這個(gè)過(guò)程反過(guò)來(lái)又增大了壓力，遏制了引力導(dǎo)致的進(jìn)一步壓縮。如果引力和壓力勢(shì)均力敵，相互平衡，這團(tuán)氣體會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定狀態(tài)。但休戰(zhàn)總是短暫的，最終都會(huì)被打破。由于溫度很高，氣體云開(kāi)始閃耀出光芒，把保持壓力的熱能輻射出去。于是壓力變小，引力又會(huì)進(jìn)一步壓縮氣體，長(zhǎng)此以往地進(jìn)行下去。

如果我們將引力和壓力的物理定律輸入計(jì)算機(jī)，就能模擬出這場(chǎng)戰(zhàn)役的各種細(xì)節(jié)。最后，密度最大的區(qū)域變得無(wú)比炙熱和致密，變成了一個(gè)核聚變反應(yīng)堆——在那里，氫原子聚變生成氦，同時(shí)巨大的引力保護(hù)它們不會(huì)炸開(kāi)。此時(shí)，一顆恒星誕生了。這顆新生恒星最外層的氣體非常炎熱，閃耀著令人目眩的光芒。光芒吹散氣體云剩下的部分，讓它顯現(xiàn)在我們望遠(yuǎn)鏡的視野中。

讓我們倒帶，重播一下，再?gòu)牧硗庖粋€(gè)角度看看剛才的過(guò)程。在氣體云逐漸壓縮時(shí)，氣體輕微的旋轉(zhuǎn)將會(huì)被放大，就像冰上舞者收攏手臂時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)得更快一樣，產(chǎn)生巨大的離心力。由于離心力的存在，引力無(wú)法將所有氣體壓縮成一個(gè)點(diǎn)。取而代之的是，引力把氣體壓成了像比薩一樣的形狀——很像我小時(shí)候?qū)W校附近的比薩店廚師用手旋轉(zhuǎn)比薩面餅，讓它變扁平一樣。這個(gè)“宇宙比薩”的主要成分是氫氣和氦氣。但是，如果配料表中還包括一些更重的元素，比如碳、氧和硅，那么，在中心生成炙熱恒星的同時(shí)，外層物質(zhì)將會(huì)形成一種較冷的物體——行星。當(dāng)新生恒星將剩下的“比薩面團(tuán)”吹跑之后，行星就會(huì)顯露出它們的面孔。由于所有的旋轉(zhuǎn)（物理學(xué)家稱(chēng)之為“角動(dòng)量”）都來(lái)自最初那團(tuán)氣體云的旋轉(zhuǎn)，所以，不出所料，太陽(yáng)系的所有行星都往相同的方向公轉(zhuǎn)（如果你從北極的方向往下看，為逆時(shí)針?lè)较颍?，與太陽(yáng)每月自轉(zhuǎn)一周的方向正好相同。

這種太陽(yáng)系起源的理論不僅被理論計(jì)算所支持，還與望遠(yuǎn)鏡對(duì)其他恒星系的觀測(cè)相符。通過(guò)觀測(cè)，我們將許多處在誕生各個(gè)階段的恒星系“抓個(gè)現(xiàn)行”。銀河系里包含著許多巨大的分子云。這些氣體云中包含著大量分子，能幫助它們輻射出熱量，從而逐漸冷卻和收縮。我們?cè)谠S多氣體云中都親眼目睹了恒星的誕生。在一些云里，我們甚至能看到初生的恒星和周?chē)人_狀的原行星盤(pán)，形狀完整，充盈著氣體。近年來(lái)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多恒星系，藏著大量關(guān)于太陽(yáng)系起源的奧秘。

如果太陽(yáng)系真是這樣形成的，那它發(fā)生在何時(shí)呢？大約100年前，人們普遍相信太陽(yáng)系形成于2 000萬(wàn)年前，這是因?yàn)?，如果它在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)之前就存在了，燃燒就會(huì)輻射掉大量能量，引力將會(huì)把太陽(yáng)壓縮得更小，小于我們觀測(cè)的結(jié)果。同樣，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果太陽(yáng)系形成于這個(gè)時(shí)間以前，地球內(nèi)部的大部分熱量（比如火山和熱液噴口）也將早已消散完畢，冷卻殆盡。

直到20世紀(jì)30年代，核聚變的秘密被揭開(kāi)，人們才恍然明白了太陽(yáng)保持炙熱的原因。但早在1896年，放射性的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)摧毀了舊的地球年齡理論，提供了一個(gè)更好的解釋。鈾元素最常見(jiàn)的同位素會(huì)自發(fā)衰變成釷等更輕的元素。其中，一半鈾元素發(fā)生衰變（也就是半衰期）大約需要44.7億年。正是這些放射性元素的衰變產(chǎn)生了足夠的熱量，在數(shù)十億年的時(shí)間里保持著地球核心的炙熱，這也解釋了為何地球年齡老了2 000萬(wàn)年還能繼續(xù)保持溫暖。此外，通過(guò)測(cè)量巖石中鈾元素衰變的比例，我們還能得知巖石的年齡。用這種方法，人們發(fā)現(xiàn)，澳大利亞西部杰克山（Jack Hills）的一些巖石竟然有44.04億年的歷史，而最古老的隕石甚至有45.6億年歷史。這意味著，不止是地球，太陽(yáng)系的一切都形成于45億年以前——正符合對(duì)潮汐的粗略估計(jì)。

總而言之，物理定律的新發(fā)現(xiàn)為我們提供了定性和定量的方法來(lái)回答祖先最困惑的問(wèn)題之一：太陽(yáng)系是何時(shí)、以何種方式形成的？

研究了太陽(yáng)系的形成，我們已經(jīng)把時(shí)間的開(kāi)端往前推進(jìn)到45億年前。那時(shí)，太陽(yáng)系誕生于一團(tuán)因萬(wàn)有引力而坍縮的分子云中。但正如菲利普的同學(xué)所問(wèn)：這團(tuán)分子云又是從哪里來(lái)的呢？

星系的形成

有了望遠(yuǎn)鏡、鉛筆和計(jì)算機(jī)的武裝，天文學(xué)家提供了令人信服的答案，盡管一些重要的細(xì)節(jié)還需要進(jìn)一步探討。我們知道，引力和壓力之戰(zhàn)讓太陽(yáng)系形成了像比薩一樣的圓盤(pán)形狀。其實(shí)，這種戰(zhàn)役在更巨大的尺度上依然在上演——比太陽(yáng)重?cái)?shù)百萬(wàn)倍甚至數(shù)萬(wàn)億倍的分子云被壓縮成了“超級(jí)大比薩”。這種坍縮極其不穩(wěn)定，所以它的中心并不會(huì)像打了雞血一般誕生“超級(jí)巨星”，周?chē)膊粫?huì)形成“超級(jí)行星”。與之不同，它會(huì)碎成無(wú)數(shù)片小一些的氣體云，這些小氣體云各自孕育出各自的太陽(yáng)系——于是，星系誕生了。我們的太陽(yáng)系，只是銀河系中數(shù)千億個(gè)比薩形狀的恒星系之一。太陽(yáng)系大約在銀河系距中心一半的位置，幾億年才繞著銀河系旋轉(zhuǎn)一圈（見(jiàn)圖1-2）。

有時(shí)候，星系之間會(huì)發(fā)生碰撞，就像宇宙版的大撞車(chē)。這聽(tīng)起來(lái)很恐怖，但實(shí)際上并不可怕，因?yàn)閹缀跛泻阈嵌紩?huì)從空隙里穿越過(guò)去，而不會(huì)迎面撞在一起。相撞后，萬(wàn)有引力會(huì)將大部分恒星聚在一起，形成一個(gè)更大的嶄新星系。銀河系和我們最近的鄰居——仙女座星系都呈比薩形，伸展著美麗的懸臂，如水中的旋渦一般，所以被稱(chēng)為旋渦星系（spiral galaxies，見(jiàn)圖1-2）。當(dāng)兩個(gè)旋渦星系相撞時(shí)，一開(kāi)始會(huì)混亂不堪，后來(lái)會(huì)逐漸形成一團(tuán)圓形的恒星群，被稱(chēng)為橢圓星系。這正是我們最終的命運(yùn)，因?yàn)槲覀兊你y河系正在向仙女座星系迎頭撞上去，大約幾十億年后會(huì)相撞——不知道我們的后代會(huì)不會(huì)把這個(gè)新星系稱(chēng)為“銀女座”。我們唯一能確定的是，它一定是一個(gè)橢圓星系。望遠(yuǎn)鏡拍下了許多星系的相撞，展現(xiàn)了這個(gè)過(guò)程的不同階段，都基本符合我們的理論預(yù)測(cè)。

如果今天的星系都是由小星系融合而成，那么最初的小星系究竟有多小呢？這個(gè)問(wèn)題將把我們對(duì)時(shí)間的追溯往前再推進(jìn)一大步。說(shuō)實(shí)話，這也正是我親自參與的第一個(gè)研究項(xiàng)目。項(xiàng)目中，我負(fù)責(zé)弄清楚氣體云中的化學(xué)反應(yīng)，它生成了輻射熱能的分子，從而降低了壓力。但是，每次我以為自己算完了，都會(huì)發(fā)現(xiàn)分子式存在嚴(yán)重的問(wèn)題，導(dǎo)致后面的所有計(jì)算都失效，必須從頭再來(lái)。

我跟著我的研究生導(dǎo)師喬·西爾克（Joe Silk）在這個(gè)問(wèn)題上糾結(jié)了整整4年，我實(shí)在沮喪透了。我甚至去定制了一件T恤，上面印著“我討厭分子”以及我的大敵——?dú)浞肿?，上面有一個(gè)大大的紅叉，就像禁煙標(biāo)志一樣。但接下來(lái)，幸運(yùn)女神降臨了——我去慕尼黑做博士后時(shí)，遇到了一個(gè)友好的大學(xué)生叫湯姆·艾貝爾（Tom Abel），他剛剛完成了一段史詩(shī)般的計(jì)算，包含了我所需要的所有分子。他作為共同作者加入了我們的團(tuán)隊(duì)。24小時(shí)后，大功告成！據(jù)我們預(yù)測(cè)，最早期的星系“只”比太陽(yáng)重100萬(wàn)倍。我們的運(yùn)氣真是太好了，因?yàn)楫?dāng)年的這些發(fā)現(xiàn)與湯姆如今用更精密的計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的結(jié)果仍然基本相符——他現(xiàn)在正在斯坦福大學(xué)當(dāng)教授呢。

永恒的運(yùn)動(dòng)，宇宙的自然狀態(tài)

地球就像一個(gè)舞臺(tái)，上演著一幕偉大的戲劇——斗轉(zhuǎn)星移，生命一代又一代降生到人間，它們相互影響，度過(guò)一生，然后走向死亡。這幕地球戲劇始于45億年前。然而，我們卻發(fā)現(xiàn)，地球只是一幕更宏大的宇宙戲劇中的一小部分。那里就像一個(gè)宇宙級(jí)別的生態(tài)系統(tǒng)，一代又一代的星系誕生、相互影響、最終走向死亡。那么，在此之上，是否存在更高級(jí)別的戲劇，一代代宇宙在其中誕生和死亡呢？更具體地說(shuō)，我們的宇宙是否存在一個(gè)開(kāi)端呢？如果有，是什么時(shí)候呢？

星系為什么不會(huì)坍縮？這個(gè)問(wèn)題將再次把我們對(duì)時(shí)間的認(rèn)知往前推進(jìn)一步。我們知道，月亮不會(huì)掉下來(lái)是因?yàn)樗D(zhuǎn)得極快。宇宙中充滿了星系，星系的運(yùn)動(dòng)方向各不相同，而且并不都是繞著我們旋轉(zhuǎn)，很顯然，月球的理由不適用于它們。如果宇宙是永續(xù)永存的，并且本質(zhì)上是靜止的，那遙遠(yuǎn)的星系相對(duì)我們來(lái)說(shuō)就不會(huì)運(yùn)動(dòng)得太快。那它們?yōu)槭裁床粫?huì)最終墜向我們，就像你突然讓月球停止在軌道上，它一定會(huì)落向地球一樣呢？

在牛頓的時(shí)代，人們當(dāng)然不知道星系的存在。布魯諾通過(guò)冥思苦想，得出宇宙是永恒靜止的，里面均勻地布滿了恒星這一結(jié)論。如果你認(rèn)同布魯諾，那你至少有一個(gè)半生不熟的理由，不用擔(dān)心宇宙會(huì)塌到頭上，那就是，根據(jù)牛頓定律，每顆恒星在每個(gè)方向都會(huì)受到同樣強(qiáng)大的萬(wàn)有引力（實(shí)際上是無(wú)窮大），因?yàn)槊總€(gè)方向上都有無(wú)數(shù)顆恒星，這些引力相互抵消，所以恒星可以保持靜止。

1915年，這個(gè)理由被愛(ài)因斯坦的新引力理論推翻了，這就是廣義相對(duì)論。愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，永恒靜止、均勻布滿恒星的宇宙模型與他的新引力方程不相符。那么，他做了什么呢？毫無(wú)疑問(wèn)，愛(ài)因斯坦繼承了牛頓大膽推測(cè)的精神，一邊探索符合自己方程的宇宙形態(tài)，一邊在觀測(cè)中尋找證據(jù)。然而頗具諷刺意味的是，愛(ài)因斯坦作為人類(lèi)歷史上最具有創(chuàng)造精神、最敢問(wèn)別人之不敢問(wèn)、最敢挑戰(zhàn)權(quán)威的科學(xué)家，卻不敢質(zhì)疑最大的權(quán)威——他自己，以及他對(duì)永恒不變的宇宙的癡迷。結(jié)果，他修改了自己的廣義相對(duì)論方程，在其中加入了一個(gè)額外的常數(shù)，使宇宙變得永恒且穩(wěn)定。他后來(lái)把這個(gè)舉動(dòng)稱(chēng)為自己一生中最大的錯(cuò)誤。更加具有諷刺意味的是，現(xiàn)在看來(lái)，這個(gè)宇宙常數(shù)竟可能真的存在，只不過(guò)是以暗物質(zhì)的形式存在（我們?cè)诤竺鏁?huì)討論到），并且取值也不同，因此不能以此來(lái)保持宇宙的恒常穩(wěn)定。

后來(lái)，終于出現(xiàn)了一個(gè)人，有信心聆聽(tīng)愛(ài)因斯坦方程中的低吟。這個(gè)人就是俄羅斯物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家亞歷山大·弗里德曼。他計(jì)算出了最一般情況下的均質(zhì)宇宙解，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人震驚的事實(shí)——絕大部分解都不是靜止的，而是隨著時(shí)間而變化！愛(ài)因斯坦的靜止宇宙不但只是一個(gè)特例，而且本身也不穩(wěn)定，不能保持很長(zhǎng)時(shí)間。正如牛頓證明太陽(yáng)系的自然狀態(tài)就是永恒運(yùn)動(dòng)一樣（比如地球和月球不可能永遠(yuǎn)保持靜止），弗里德曼的研究揭露出，宇宙的自然狀態(tài)也是永恒運(yùn)動(dòng)的。

然而，究竟是怎樣的運(yùn)動(dòng)呢？弗里德曼發(fā)現(xiàn)，在所有的可能性中，宇宙最自然的狀態(tài)有兩種——不是在膨脹，就是在收縮。如果宇宙在膨脹，這意味著所有分開(kāi)的物體都在相互遠(yuǎn)離，就像正在膨脹的麥芬蛋糕頂上的巧克力片一樣（見(jiàn)圖2-2）。如果這是真的，它們過(guò)去的距離一定比現(xiàn)在更近。實(shí)際上，在弗里德曼關(guān)于膨脹宇宙的最簡(jiǎn)解中，過(guò)去確實(shí)存在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，那時(shí)，我們今天所看到的萬(wàn)物都位于同一個(gè)地方，因此擁有無(wú)限大的密度。換句話說(shuō)，我們的宇宙有一個(gè)開(kāi)端，在無(wú)限的密度中發(fā)生了一場(chǎng)災(zāi)難式的爆炸——宇宙大爆炸。

弗里德曼的大爆炸理論是一記振聾發(fā)聵卻沉默無(wú)語(yǔ)的驚雷。雖然他的論文發(fā)表在了德國(guó)最有威望的物理學(xué)期刊上，連愛(ài)因斯坦等人都對(duì)其進(jìn)行了討論，但卻被大多數(shù)人忽略了，并最終被埋沒(méi)，對(duì)當(dāng)時(shí)的主流物理世界觀沒(méi)有產(chǎn)生任何影響。忽視偉大的見(jiàn)解，是宇宙學(xué)的傳統(tǒng)（其實(shí)在整個(gè)科學(xué)界都這樣）——正如我們前面說(shuō)到的阿里斯塔克斯日心說(shuō)、布魯諾的遙遠(yuǎn)太陽(yáng)系一樣。在后面的章節(jié)中，我們還將遇到很多這樣的例子。

   

圖2-2　遙遠(yuǎn)的星系相互遠(yuǎn)離，就像正在膨脹的麥芬蛋糕頂上的巧克力片（左圖）——在它們中的每一顆看來(lái)，其他巧克力都在后退，速度與距離成比例。但是，如果只有空間在膨脹，像蛋糕的面餅一樣，那么星系和空間之間就沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，空間把所有的距離都均勻地拉大（右圖），就像把尺子上的刻度單位從毫米改成了厘米一樣。

我認(rèn)為弗里德曼被學(xué)術(shù)界忽視的一大原因是，他超越了他所處的時(shí)代——1922年的宇宙觀僅限于銀河系（實(shí)際上，也只是銀河系中能被我們看到的有限部分），而銀河系并沒(méi)有膨脹，數(shù)以千億的恒星被萬(wàn)有引力束縛在軌道上，那宇宙膨脹也無(wú)從說(shuō)起。這正好能回答第1章開(kāi)頭提出的問(wèn)題9：“銀河系在膨脹嗎”。弗里德曼的膨脹理論只適用在極大的尺度。在這個(gè)尺度上，可以完全忽略物質(zhì)碰撞形成星系和星系團(tuán)的過(guò)程。在前文圖1-2中可以看到，在極大的尺度上（比如1億光年的尺度），星系的分布變得相當(dāng)均勻，暗示著弗里德曼的均質(zhì)宇宙是適用的，并且所有距離遙遠(yuǎn)的星系都在相互遠(yuǎn)離。但正如我們之前所討論的，那時(shí)候哈勃還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他星系呢，他到1925年才建立起有關(guān)星系的理論，而那是在弗里德曼發(fā)表膨脹宇宙理論的3年之后！真正到了3年之后，弗里德曼的機(jī)會(huì)終于來(lái)了。然而不幸的是，正是在這一年，傷寒奪去了他年僅37歲的生命。

我認(rèn)為，弗里德曼是宇宙學(xué)歷史上最偉大的無(wú)名英雄。寫(xiě)到這里，我忍不住把他1922年的論文翻出來(lái)讀了一遍。論文最后，他舉了一個(gè)例子，例子中的宇宙質(zhì)量為太陽(yáng)的5億兆倍。據(jù)此，他計(jì)算出這個(gè)宇宙的壽命約為100億年——竟和我們宇宙的年齡差不多！此時(shí)，距離人們發(fā)現(xiàn)其他星系還有好幾年，不知弗里德曼從哪里得到的這些數(shù)字。但對(duì)一篇偉大的論文來(lái)說(shuō)，這個(gè)結(jié)尾再合適不過(guò)了。

我們的宇宙正在瘋狂膨脹

5年后，歷史再次重演。一位MIT的研究生，同時(shí)也是比利時(shí)神父的天體物理學(xué)家喬治·勒梅特（Georges Lema tre），再一次發(fā)表了大爆炸理論。但是他并不知道弗里德曼已經(jīng)發(fā)表過(guò)這個(gè)理論，于是“重新”發(fā)表了一次。結(jié)果，它再一次被學(xué)術(shù)界忽視了。

最終讓大爆炸理論引起人們注意的不是一個(gè)新研究，而是一次新觀測(cè)。埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)系外星系后，人們很自然地想測(cè)出它們?cè)诳臻g中的分布和運(yùn)動(dòng)情況。我在前面章節(jié)里提到過(guò)，物體朝我們而來(lái)或離我們而去的速度通常很容易測(cè)量，因?yàn)檫@種運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致它的光譜線發(fā)生移動(dòng)。彩虹中，頻率最低的是紅光，所以，如果星系正在離我們遠(yuǎn)去，它的所有光譜線將發(fā)生紅移，也就是向紅色的一端移動(dòng)。遠(yuǎn)去的速度越快，紅移的程度越高。如果星系正在朝我們而來(lái)，它將發(fā)生藍(lán)移，光譜線移向藍(lán)色的一端。

假如漫天的星系只是在隨機(jī)地亂動(dòng)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，一半星系在紅移，另一半在藍(lán)移。但令人吃驚的是，哈勃發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的星系都在紅移。為什么它們?nèi)茧x我們而去呢？難道它們不喜歡我們嗎？是我們說(shuō)了什么不好的話嗎？不僅如此，哈勃還發(fā)現(xiàn)，星系與我們的距離（d）越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離我們的速度（v）就越快，并遵循下面這個(gè)公式：

v=Hd

這個(gè)公式被我們稱(chēng)為“哈勃定律”，其中的H是一個(gè)常數(shù)，被稱(chēng)為“哈勃常數(shù)”。在哈勃1929年發(fā)表的學(xué)術(shù)論文中，這個(gè)常數(shù)用一個(gè)謙遜的字母“K”表示。有趣的是，喬治·勒梅特在那篇被忽視的論文中，也預(yù)測(cè)過(guò)膨脹宇宙會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的現(xiàn)象——如果一切都在膨脹，一切都在相互遠(yuǎn)離，那越遠(yuǎn)的星系就遠(yuǎn)離得越快。

如果一個(gè)星系正在遠(yuǎn)離我們，它過(guò)去一定與我們十分靠近。但那又是多久以前呢？如果銀行搶劫犯跳上一輛車(chē)，逃離犯罪現(xiàn)場(chǎng)，你只需要用距離除以車(chē)的速度，就能判斷出搶劫發(fā)生的時(shí)間。如果我們用同樣的方法計(jì)算后退的星系，根據(jù)哈勃定律，每個(gè)星系的“案發(fā)時(shí)間”都是d/v=1/H！用現(xiàn)代觀測(cè)方法，我們知道1/H≈140億年。所以，哈勃的發(fā)現(xiàn)意味著在140億年前的某一刻，發(fā)生了一件相當(dāng)不同凡響的事——大量物質(zhì)擠成一堆，密度高得不得了。但是，正如車(chē)速不是一成不變的一樣，宇宙的膨脹也可能有快有慢?？紤]到這個(gè)，我們需要對(duì)結(jié)論進(jìn)行修正。今天，我們用弗里德曼方程和現(xiàn)代觀測(cè)方法發(fā)現(xiàn)，需要修正的幅度非常小，只占一點(diǎn)點(diǎn)比例——原來(lái)，大爆炸之后，我們的宇宙用了一半的時(shí)間來(lái)減速膨脹，又用了一半的時(shí)間來(lái)加速膨脹，所以誤差就被抵消了。

想要擴(kuò)張，就得從別處搶

哈勃的觀測(cè)結(jié)果公布以后，連愛(ài)因斯坦都心服口服?，F(xiàn)在，宇宙膨脹已是被廣泛接受的事實(shí)?？墒?，宇宙膨脹意味著什么呢？現(xiàn)在，我們準(zhǔn)備回答第1章開(kāi)頭時(shí)提出的其中4個(gè)問(wèn)題。

首先看問(wèn)題8：星系是真的在遠(yuǎn)離我們，還是僅僅只是空間在膨脹？為方便起見(jiàn)，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為這兩個(gè)觀點(diǎn)是等價(jià)的，因?yàn)樗鼈兠枋鲇钪鏁r(shí)同樣有效（見(jiàn)圖2-2），所以你可以自由選擇更加符合你直覺(jué)的那一個(gè)^[4]。第一種觀點(diǎn)（見(jiàn)圖2-2左圖）認(rèn)為，空間并沒(méi)有變化，只是星系相對(duì)于空間在運(yùn)動(dòng)，就像烤麥芬蛋糕時(shí)，由于你在黃油中加入了發(fā)酵粉，所以麥芬蛋糕會(huì)膨脹，導(dǎo)致上面的巧克力片相互遠(yuǎn)離。和巧克力片一樣，所有的星系也都在相互遠(yuǎn)離，并且距離越遠(yuǎn)的星系，相互遠(yuǎn)離的速度就越快。尤其是，如果你站在其中一顆巧克力片（或星系）上，你就能感受到其他巧克力片（或星系）與你之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)符合哈勃定律——它們后退著，兩倍遠(yuǎn)的星系的退行速度也翻一倍。值得注意的是，不管你站在哪顆巧克力片（或星系）上，結(jié)果都是一樣的。所以，如果星系在空間中的分布無(wú)窮無(wú)盡，那宇宙膨脹就沒(méi)有一個(gè)中心點(diǎn)——因?yàn)闊o(wú)論從哪里看，它都是一樣的。

而從第二種觀點(diǎn)來(lái)看，空間很像麥芬蛋糕的面團(tuán)——面團(tuán)會(huì)膨脹，但巧克力片與面團(tuán)之間沒(méi)有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。同樣，第二種觀點(diǎn)認(rèn)為星系與空間之間也沒(méi)有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。星系在空間中的位置是穩(wěn)定的（見(jiàn)圖2-2右圖），但它們之間的距離卻被改寫(xiě)了。這就好像星系間存在一把假想的尺子，空間膨脹后，尺子上的刻度單位必須擦掉重寫(xiě)，如果把刻度由毫米改成厘米，那所有星系之間的距離都是以前的10倍。

這又回答了第1章開(kāi)頭的問(wèn)題7：星系的退行速度比光速還快，這不違背相對(duì)論嗎？哈勃定律v=Hd告訴我們，當(dāng)星系遠(yuǎn)在c/H≈140億光年外時(shí)，它的退行速度將超過(guò)光速c，而我們沒(méi)有理由懷疑這些星系的存在。這與愛(ài)因斯坦在相對(duì)論中所說(shuō)的“沒(méi)有物體的速度能超過(guò)光速”相違背嗎？答案是肯定的，但同時(shí)也是否定的——它確實(shí)違背了愛(ài)因斯坦發(fā)表于1905年的狹義相對(duì)論，但并不違背他發(fā)表于1915年的廣義相對(duì)論，而后者才是愛(ài)因斯坦對(duì)這個(gè)問(wèn)題的最后結(jié)論。所以，不用太擔(dān)心。廣義相對(duì)論解放了速度的上限；狹義相對(duì)論認(rèn)為，無(wú)論在什么情況下，兩個(gè)物體之間的相對(duì)速度都不可能超過(guò)光速。但在廣義相對(duì)論中，只有兩個(gè)物體位于同一地方時(shí)，相對(duì)速度才不可能超過(guò)光速——與之不同的是，那些相對(duì)我們做超光速運(yùn)動(dòng)的星系都位于非常遙遠(yuǎn)的地方。所以，如果考慮到空間的膨脹，那我們就需要重新表述一下——任何物體都不能相對(duì)空間做超光速運(yùn)動(dòng)，但空間本身可以被隨意拉伸，不管多快都行。

說(shuō)到遙遠(yuǎn)的星系，我曾在報(bào)紙上讀到過(guò)，有些星系距離我們有300億光年遠(yuǎn)。第1章開(kāi)頭的問(wèn)題6：如果宇宙的年齡只有140億年，那我們?nèi)绾文芸吹?00億光年遠(yuǎn)的東西？它們的光線是怎么到達(dá)我們的？此外，我們剛剛知道它們正以超光速的速度后退，這樣一來(lái)就更不可能看見(jiàn)它們了。答案是，我們看見(jiàn)的并不是它們現(xiàn)在的樣子，而是它們發(fā)出這些光線的時(shí)候。正如我們看見(jiàn)的太陽(yáng)是8分鐘以前的太陽(yáng)一樣，我們看見(jiàn)的遙遠(yuǎn)星系也是它在130億年前的樣子，它的位置也是130億年前的位置——那時(shí)它與地球的距離比現(xiàn)在近8倍！所以，這個(gè)星系發(fā)出的光線根本不需要在空間中旅行130億光年才到達(dá)地球，因?yàn)橛钪媾蛎浽斐闪诉@個(gè)差別——這就好像你在自動(dòng)扶梯上只走了一步，但實(shí)際上已經(jīng)移動(dòng)了20米。

一切都是演化的造物

在星系都離我們遠(yuǎn)去的遙遠(yuǎn)地方，空間會(huì)不會(huì)因?yàn)榕蛎浂鴶D在一起，發(fā)生宇宙大撞車(chē)？不用擔(dān)心。如果宇宙的膨脹遵循弗里德曼方程，就不會(huì)發(fā)生這樣的事故。如圖2-2所示，不管從哪個(gè)方向看過(guò)去，空間膨脹都是完全一樣的，所以不會(huì)出現(xiàn)這種碰撞點(diǎn)。如果你贊同“遙遠(yuǎn)星系相對(duì)一個(gè)靜止的空間在后退”的觀點(diǎn)，那它們就不會(huì)和更遙遠(yuǎn)的星系相撞，因?yàn)槟切┬窍当人鼈兒笸说酶臁Ｌ豑型車(chē)永遠(yuǎn)無(wú)法追尾飛馳的保時(shí)捷。如果你贊同“空間在膨脹”的觀點(diǎn)，那答案很簡(jiǎn)單——體積是不守恒的。讀一讀中東局勢(shì)，你就會(huì)習(xí)慣這樣的觀點(diǎn)：想要擴(kuò)張自己的地盤(pán)，就得從別人那里搶。然而，廣義相對(duì)論的結(jié)論卻與之不同——在星系間的區(qū)域中，可以創(chuàng)生出更多的空間，而不用擠占其他空間。新的空間會(huì)乖乖地待在原來(lái)這些星系之間（見(jiàn)圖2-2右圖）。

宇宙大講堂

盡管宇宙暴脹理論聽(tīng)起來(lái)很瘋狂，并且違背直覺(jué)，但它不僅符合邏輯，而且與天文觀測(cè)相吻合。實(shí)際上，自埃德溫·哈勃的時(shí)代以來(lái)，我們已經(jīng)累積了相當(dāng)多的觀測(cè)證據(jù)，這要感謝現(xiàn)代觀測(cè)技術(shù)和我們接下來(lái)要討論的新發(fā)現(xiàn)。最基本的結(jié)論是，宇宙本身在不停地改變。當(dāng)我們回望數(shù)十億年前，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)膨脹得不是很厲害的宇宙，因此它也相當(dāng)致密和擁擠。這表明，我們所棲身的空間并不是一成不變、像歐幾里得的定理一樣那般枯燥。相反，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)演進(jìn)的空間，甚至曾經(jīng)有過(guò)“童年時(shí)代”——它誕生在大約140億年前。

如今，望遠(yuǎn)鏡技術(shù)已經(jīng)非常先進(jìn)，讓我們能直接看到宇宙的演化。

想象你在一個(gè)寬敞的大講堂里演講。突然，你注意到觀眾席上一件很有意思的事——離你最近的觀眾席上，坐的全是和你差不多歲數(shù)的人。但是，第10排以后，觀眾全變成了青少年。在青少年的后面，是一些年幼的小孩。再往后，是蹣跚學(xué)步的幼兒。倒數(shù)第二排，竟是一些嗷嗷待哺的嬰兒。而禮堂的最后一排，在你看來(lái)空空如也，什么也沒(méi)有。

當(dāng)你用最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡觀察宇宙時(shí)，你也會(huì)看到類(lèi)似的情境——附近是一些和銀河系類(lèi)似的大型成熟星系；但在極其遙遠(yuǎn)的地方，大部分星系都是很小的“嬰兒”，看起來(lái)還沒(méi)有完全發(fā)育好；再遠(yuǎn)處，則空空如也，完全沒(méi)有星系，只是一片黑暗的深淵。由于遙遠(yuǎn)的光需要很長(zhǎng)時(shí)間才能到達(dá)地球，所以，望向宇宙的遠(yuǎn)方也就等同于望向過(guò)去的時(shí)間。那片沒(méi)有星系的黑暗深淵，就是第一代星系出現(xiàn)之前的紀(jì)元。那時(shí)候，空間中充滿了氫氣和氦氣，萬(wàn)有引力還沒(méi)來(lái)得及將它們壓縮成星系。由于這些氣體都是透明的，就像生日派對(duì)氣球里充滿的氦氣一樣，所以，在望遠(yuǎn)鏡看來(lái)，它們是隱形的。

忽然，你又突然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)秘密：在你演講時(shí)，在空空如也的最后一排，竟然釋放出能量。原來(lái)，最后的黑墻并不是完全的黑暗，而是在隱隱閃著黯淡的微波！這是為什么？聽(tīng)起來(lái)很詭異，但這正是我們凝視宇宙最深處時(shí)所能看到的情景！為了理解這件事，我們需要把時(shí)間繼續(xù)往回推進(jìn)。

從牛頓和愛(ài)因斯坦身上，我學(xué)到了一個(gè)非常關(guān)鍵的準(zhǔn)則：“要敢于推演！”具體地說(shuō)，就是把你已知的物理定律，運(yùn)用在無(wú)人涉足過(guò)的全新領(lǐng)域，看看是否能推斷出什么有趣的結(jié)果，并可用觀測(cè)來(lái)驗(yàn)證。牛頓把伽利略在地球上建立的運(yùn)動(dòng)定律運(yùn)用在了月球及更遠(yuǎn)的物體上；弗里德曼則將愛(ài)因斯坦關(guān)于太陽(yáng)系的引力和運(yùn)動(dòng)定律推演到了整個(gè)宇宙。這個(gè)準(zhǔn)則是如此成功，你可能會(huì)認(rèn)為它一定是科學(xué)界的“模因”（meme），像基因一樣代代相傳。你也可能會(huì)認(rèn)為，1929年，當(dāng)弗里德曼的宇宙膨脹理論終于被人們接受后，全世界的科學(xué)家一定爭(zhēng)先恐后地展開(kāi)系統(tǒng)性的研究，推演時(shí)間的開(kāi)端。如果你真這么認(rèn)為，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了……不管我們科學(xué)家如何強(qiáng)調(diào)自己是真相的理性追隨者，我們都難以克服人類(lèi)的小缺點(diǎn)，比如偏見(jiàn)、同儕壓力和從眾心理。這些缺陷，遠(yuǎn)不是僅靠數(shù)學(xué)天賦就可以戰(zhàn)勝的。

我認(rèn)為，繼弗里德曼之后的第二個(gè)宇宙學(xué)大師，依然是一個(gè)俄羅斯人——喬治·伽莫夫。他在列寧格勒時(shí)的博士生導(dǎo)師不是別人，正是亞歷山大·弗里德曼。盡管弗里德曼只指導(dǎo)了伽莫夫兩年就仙逝了，但他的勇氣和智慧卻被伽莫夫繼承了下去。

宇宙“等離子屏幕”

由于宇宙正在膨脹，在過(guò)去它一定比現(xiàn)在更擁擠和稠密。然而，它一直以來(lái)都是在膨脹嗎？也許并不是。弗里德曼的研究中包含一種可能性——宇宙可能曾經(jīng)處在收縮的狀態(tài)，收縮的速度越來(lái)越慢，朝我們飛來(lái)的物質(zhì)緩緩地慢下來(lái)，停在那里，然后開(kāi)始反彈，并加速遠(yuǎn)離我們。然而，這樣的宇宙大反彈只會(huì)發(fā)生在物質(zhì)密度遠(yuǎn)比今天小的情況下。于是，伽莫夫決定對(duì)另一種可能性進(jìn)行系統(tǒng)探索。這種可能性更一般，也更徹底：宇宙從一開(kāi)始就在膨脹，從來(lái)沒(méi)有收縮過(guò)。

伽莫夫在他1946年寫(xiě)的書(shū)中解釋說(shuō)，如果我們把宇宙想象成一部電影，當(dāng)我們把它逆著時(shí)間往回放，會(huì)發(fā)現(xiàn)密度越來(lái)越大，大到簡(jiǎn)直沒(méi)有極限。由于星系間的空間充滿了氫氣，隨著我們逆著時(shí)間往回放，這些氣體會(huì)被壓縮得越來(lái)越厲害，也越來(lái)越熱。這就好像，如果你加熱一塊冰塊，它會(huì)融化。繼續(xù)加熱融化后的冰水，它會(huì)蒸發(fā)變成氣體——水蒸氣。與之類(lèi)似，如果你不停地加熱氫氣，它會(huì)變成第四種狀態(tài)——等離子體。為什么會(huì)這樣呢？這是因?yàn)椋瑲湓拥慕Y(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，只是一個(gè)電子圍繞著一個(gè)質(zhì)子旋轉(zhuǎn)，氫氣就是這樣一堆原子相互撞來(lái)撞去的結(jié)果。如果溫度足夠高，撞擊會(huì)變得極其猛烈，以至于原子都被撞碎了，電子和質(zhì)子分道揚(yáng)鑣、各走各路——?dú)涞入x子體就是一鍋由自由電子和質(zhì)子熬成的粥。

也就是說(shuō)，伽莫夫認(rèn)為，我們的宇宙起源于一場(chǎng)極熱的大爆炸，那時(shí)，等離子體曾充滿了宇宙空間。更有趣的是，這個(gè)理論可以被檢驗(yàn)——雖然冷氫氣是透明無(wú)形的，但熱氫等離子體卻并不透明，而且能像太陽(yáng)表面一樣發(fā)出耀眼的光芒。這意味著，如果我們從空間的近處望向遠(yuǎn)處（見(jiàn)圖2-3），我們首先會(huì)看到附近的成熟星系，接下來(lái)是越來(lái)越年輕的星系，然后是透明的氫氣，再然后會(huì)遇到一堵看不穿的墻，由發(fā)光的氫等離子體構(gòu)成。我們無(wú)法看透這堵墻，因?yàn)樗遣煌该鞯?，就像一個(gè)宇宙檢查員，阻擋我們窺伺之前發(fā)生的所有事情。此外，不管我們往哪個(gè)方向看，結(jié)果都一樣，因?yàn)椴还芡膫€(gè)方向看，我們都是在望向過(guò)去的時(shí)間（見(jiàn)圖2-4）。于是，我們看起來(lái)就像被一個(gè)巨大的等離子體球所包圍著。

   

圖2-3　由于光線需要一定的時(shí)間才能到達(dá)我們的眼睛，所以望向遠(yuǎn)方其實(shí)相當(dāng)于望向過(guò)去的時(shí)間。在遙遠(yuǎn)的星系以外，我們會(huì)看見(jiàn)一堵不透明的墻，由發(fā)光的氫等離子體組成，這些光花了140億年才到達(dá)我們。這是因?yàn)椋?40億年前，空間中充滿了炙熱的氫等離子體。而那時(shí)，宇宙的年齡只有40萬(wàn)年。（本圖改編自NASA[美國(guó)國(guó)家航空航天局]和WMAP[威爾金森微波各向異性探測(cè)器]研究小組的圖片）

   

圖2-4　看起來(lái)，我們就像位于一個(gè)巨大的等離子體球的中心，因?yàn)椴还芪覀兺膫€(gè)方向看，都會(huì)遇到一堵同樣的等離子體墻。

在1946年的書(shū)里，伽莫夫的大爆炸理論認(rèn)為我們能夠觀察到這個(gè)等離子體球。他讓他的學(xué)生拉爾夫·阿爾菲（Ralph Alpher）和羅伯特·赫爾曼（Robert Herman）進(jìn)行更詳細(xì)的計(jì)算。幾年后，兩人發(fā)表了一篇論文，認(rèn)為這個(gè)等離子體球會(huì)閃耀著只比絕對(duì)零度高5度的溫度。也就是說(shuō)，它發(fā)出的不是可見(jiàn)光，而主要是微波。然而，沒(méi)有一個(gè)天文學(xué)家愿意幫兩人在天空中搜尋這個(gè)宇宙微波背景輻射，結(jié)果，他們的成果也逐漸被人遺忘，就像弗里德曼的膨脹宇宙理論一樣。

看見(jiàn)大爆炸的余暉

1964年，普林斯頓大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種可觀測(cè)的微波信號(hào)可能真的存在，于是計(jì)劃對(duì)其展開(kāi)觀測(cè)和搜尋，但他們被別人搶先了一步。同年早些時(shí)候，阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）在位于美國(guó)新澤西州的貝爾實(shí)驗(yàn)室測(cè)試一個(gè)最先進(jìn)的微波望遠(yuǎn)鏡時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一件奇怪的事——他們的望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到了一個(gè)無(wú)法解釋的信號(hào)，并且，不管往哪個(gè)方向看，這個(gè)信號(hào)都幾乎保持不變。怪哉！他們本來(lái)以為，只有當(dāng)望遠(yuǎn)鏡指向天空里某個(gè)特定的物體時(shí)，才會(huì)接收到信號(hào)，比如太陽(yáng)或者發(fā)射著微波的衛(wèi)星。結(jié)果，整個(gè)天空仿佛都在發(fā)光，閃耀的溫度比絕對(duì)零度高3度——很接近伽莫夫的團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)的5度。他們仔細(xì)檢查了附近可能造成噪聲的東西，甚至一度懷疑是幾只在望遠(yuǎn)鏡上做窩的鴿子拉的鳥(niǎo)屎在作怪。

不久前，我曾和彭齊亞斯一起吃午飯，他告訴我，他們把那幾只可憐的鴿子裝在木頭盒子中，把它們遠(yuǎn)遠(yuǎn)地送到貝爾實(shí)驗(yàn)室的其他園區(qū)里，才放它們出來(lái)。不過(guò)，這些鴿子是信鴿……雖然他在書(shū)里只說(shuō)，當(dāng)信鴿飛回望遠(yuǎn)鏡時(shí)，他們“清除”了它們，然而，在喝了點(diǎn)酒之后，彭齊亞斯向我坦承了一個(gè)悲傷的事實(shí)——他們使用了獵槍……鴿子是走了，神秘的信號(hào)卻依然還在——原來(lái)，他們發(fā)現(xiàn)的是宇宙微波背景輻射，也就是宇宙大爆炸的余暉。

彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)引起了轟動(dòng)，并因此共同獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從伽莫夫和他學(xué)生的計(jì)算中，可以得出，圖2-4中那個(gè)等離子體球應(yīng)該如太陽(yáng)表面的一半那么熱。由于它的熱輻射在空間中穿行了140億年才到達(dá)我們，隨著空間膨脹了幾千倍，它也被冷卻了幾千倍，只剩下了比絕對(duì)零度高3度的余暉。也就是說(shuō)，我們的整個(gè)宇宙曾經(jīng)和恒星一樣炙熱。伽莫夫的熱大爆炸理論經(jīng)受住了檢驗(yàn)，被證明是正確的。

珍貴的宇宙“嬰兒照”

現(xiàn)在，等離子體球已經(jīng)被探測(cè)到了，科學(xué)家們開(kāi)始你追我趕，看誰(shuí)先拍下它的照片。由于各個(gè)方向的輻射溫度相差無(wú)幾，彭齊亞斯和威爾遜拍下的照片很像網(wǎng)上的搞笑圖片“霧霾中的北京”——其實(shí)整張圖片都是白色的。為了得到一張清晰的宇宙“嬰兒照”，你需要把對(duì)比度調(diào)得非常大，以顯示出處處細(xì)微的差別。這些差別必定會(huì)存在，因?yàn)槿绻谶^(guò)去每個(gè)地方都完全相同，那物理定律會(huì)讓這種相同保持到現(xiàn)在，絕不可能出現(xiàn)今天這個(gè)不均勻的、成塊成簇的宇宙——有些地方有星系，有些地方空無(wú)一物。相反，宇宙會(huì)變成一片荒漠。

然而，事實(shí)證明，要拍攝宇宙的“嬰兒照”實(shí)在太困難了，人們花了將近30年的時(shí)間才發(fā)展出足夠的技術(shù)。為了抑制環(huán)境噪聲，彭齊亞斯和威爾遜不得不使用液氦，將他們的探測(cè)器冷卻到接近宇宙微波背景輻射的溫度。然而，天空中不同地方的溫度起伏非常細(xì)微，差別大約只有幾十萬(wàn)分之一，因此，需要比彭齊亞斯和威爾遜當(dāng)年的探測(cè)器靈敏10萬(wàn)倍，才能拍下宇宙的嬰兒照。全球的實(shí)驗(yàn)室都在挑戰(zhàn)這個(gè)領(lǐng)域，但都失敗了。

有人說(shuō)，這個(gè)任務(wù)根本毫無(wú)希望，但有些人卻不肯放棄。1992年5月1日，在我的研究生讀到一半時(shí)，初具規(guī)模的互聯(lián)網(wǎng)上開(kāi)始對(duì)一個(gè)傳言議論紛紛——天體物理學(xué)家喬治·斯穆特（George Smoot）準(zhǔn)備要公布一個(gè)迄今為止最野心勃勃的微波背景實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他采用的是NASA的宇宙背景探測(cè)器——COBE衛(wèi)星（Cosmic Background Explorer），從冰冷黑暗的太空中發(fā)回的數(shù)據(jù)。我的博士生導(dǎo)師喬·西爾克正好被安排去華盛頓主持斯穆特的演講。在他飛去華盛頓之前，我問(wèn)他這個(gè)發(fā)現(xiàn)有多大勝算。西爾克說(shuō)，他認(rèn)為他們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)宇宙中的起伏，只是發(fā)現(xiàn)了來(lái)自銀河系的射電噪聲。

然而，斯穆特的演講并不像許多人想象的那樣虎頭蛇尾。相反，他在科學(xué)界扔下了一顆炸彈，不僅改變了我的職業(yè)生涯，還改變了整個(gè)宇宙學(xué)領(lǐng)域——他的團(tuán)隊(duì)真的發(fā)現(xiàn)了那些起伏！霍金將其譽(yù)為：“如果算不上人類(lèi)歷史上最偉大的發(fā)現(xiàn)，那至少也是本世紀(jì)內(nèi)最偉大的發(fā)現(xiàn)?！蔽覀兘酉聛?lái)將會(huì)看到，這些“嬰兒照”拍下的是宇宙“只有”40萬(wàn)年歷史時(shí)的樣子。它包含著許多關(guān)鍵線索，讓我們得以窺探宇宙的起源。

淘金熱

現(xiàn)在，COBE衛(wèi)星找到了金礦，立刻涌現(xiàn)了一個(gè)熱潮——人們想從里面挖出更多金子。從圖2-5中可以看到，COBE衛(wèi)星拍下的天圖十分模糊，因?yàn)榈头直媛蕦⑿∮?°的差別都抹掉了——你能很自然地想到，下一步工作應(yīng)該是把鏡頭拉近，聚焦在天空中的一小塊區(qū)域，用高分辨率和低噪聲進(jìn)行拍攝。下面我將解釋?zhuān)@樣的高分辨率天圖中暗藏著一些關(guān)鍵的宇宙學(xué)問(wèn)題。

12歲時(shí)，我在斯德哥爾摩遞送信件，賺到了人生第一部照相機(jī)。從那以后，我就很喜歡攝影。所以，給宇宙拍照這個(gè)想法，本能地吸引著我。我也很享受用計(jì)算機(jī)制圖的過(guò)程，不管是為了我的高中校報(bào)《箭毒》（Curare），還是為我自己開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)游戲FRAC——這是一個(gè)三維的俄羅斯方塊游戲，從中我賺到了1991年環(huán)球旅行的旅費(fèi)。所以，當(dāng)許多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家邀請(qǐng)我和他們組成團(tuán)隊(duì)，幫他們將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成天圖時(shí)，我感到由衷的幸運(yùn)。

我交到的第一個(gè)好運(yùn)，就是認(rèn)識(shí)了普林斯頓大學(xué)的年輕教授——萊曼·佩奇（Lyman Page）。我喜歡他孩子氣的頑皮微笑。在他的一次會(huì)議演講后，我鼓起勇氣去詢(xún)問(wèn)他是否有合作的機(jī)會(huì)。當(dāng)他告訴我，他在上研究生之前花了很多年在大西洋上航海之后，我更加欣賞他了。后來(lái)，佩奇委托我對(duì)一個(gè)微波望遠(yuǎn)鏡得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡位于加拿大小城薩斯卡通（Sasktoon）。在那里，他和他的團(tuán)隊(duì)花了三年時(shí)間，用這個(gè)望遠(yuǎn)鏡掃描北極上空的一小片天域。

   

圖2-5　在展示一張全天圖時(shí)，為了方便起見(jiàn)，通常把它投影在一張平面上，就像地圖（上）一樣，看起來(lái)就像是在抬頭看天，而非低頭看地。COBE衛(wèi)星拍攝的宇宙嬰兒照（左下）十分模糊，于是，許多人希望把鏡頭拉近，采用較高的分辨率（中左）拍攝一小塊天空。后來(lái)，WMAP探測(cè)器和普朗克衛(wèi)星發(fā)回了分辨率更高的全天圖片（右），它們的分辨率分別為300萬(wàn)像素和5　000萬(wàn)像素。這些全天圖都相對(duì)地圖旋轉(zhuǎn)了一點(diǎn)，目的并不是讓天圖的中面與地球赤道面相對(duì)應(yīng)，而是讓其與銀河的盤(pán)面對(duì)應(yīng)（左下圖中的灰條帶）；地球北極指向薩斯卡通天圖的中部。（圖片來(lái)源：帕特里克·迪寧[Patrick Dineen]）

把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像是相當(dāng)困難的事情。因?yàn)閱螒{數(shù)據(jù)無(wú)法組成天空的圖片，它們只是裝滿數(shù)字的表格，代表著用各種復(fù)雜的方法對(duì)天區(qū)進(jìn)行加減后測(cè)出的伏特?cái)?shù)。同時(shí)，我也覺(jué)得非常興奮，因?yàn)樗枰以谛畔⒄摵蛿?shù)字計(jì)算上付出極大的努力。在慕尼黑的博士后辦公室里，我度過(guò)了許多個(gè)用麥片來(lái)保持精力的夜晚。終于，我按時(shí)完成了圖2-5中的那個(gè)薩斯卡通天圖。于是，我被邀請(qǐng)到法國(guó)阿爾卑斯山參加一個(gè)大型宇宙學(xué)會(huì)議，并在會(huì)議上演講。

到今天為止，我曾在幾百個(gè)會(huì)議上演講過(guò)，但只有少數(shù)幾個(gè)會(huì)議的經(jīng)歷獨(dú)立于記憶的流逝之外，就像被賦予了魔法一樣歷久彌新，每次想起來(lái)都會(huì)讓我忍不住微笑。阿爾卑斯山的這次會(huì)議，就是其中之一。走上演講臺(tái)時(shí)，我的心簡(jiǎn)直跳到了嗓子眼兒。我環(huán)視了一周，發(fā)現(xiàn)禮堂里擠滿了人，他們中許多人的研究，我都讀過(guò)，但大多數(shù)人并不知道我是誰(shuí)。他們來(lái)這里開(kāi)會(huì)的主要目的是滑雪，而不是聽(tīng)我這樣的新手演講。但是，我不僅僅感到心跳得厲害，還感受到了房間里漣漪般涌動(dòng)的能量。人們?yōu)橛钪嫖⒉ū尘拜椛涞男逻M(jìn)展而興奮，我也為自己能參與其中一小部分工作而感到榮幸。那是在1996年——現(xiàn)在想起來(lái)簡(jiǎn)直像寒武紀(jì)一樣久遠(yuǎn)，那時(shí)候，人們演講用的幻燈片都是透明的塑料片，而我手中正好握著一張塑料片王牌——薩斯卡通天圖的幻燈片（和圖2-5中的一樣）。它相當(dāng)于把COBE衛(wèi)星的圖片拉近了仔細(xì)觀察。我感到房間里流動(dòng)著一股興奮的情緒。在茶歇時(shí)，一堆人擠在高射投影儀旁邊，只為再看一眼那張圖片和提問(wèn)題。宇宙微波背景輻射學(xué)的奠基人之一迪克·邦德（Dick Bond）走過(guò)來(lái)，微笑著對(duì)我說(shuō)：“我簡(jiǎn)直不敢相信，佩奇竟然把數(shù)據(jù)給你了！”

我意識(shí)到，宇宙學(xué)進(jìn)入了一個(gè)黃金時(shí)代。新的發(fā)現(xiàn)吸引了無(wú)數(shù)新人和新資金進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，又再一次促成了新發(fā)現(xiàn)的涌現(xiàn)，構(gòu)成了一個(gè)良性循環(huán)。會(huì)議結(jié)束后的一個(gè)月，也就是1996年4月，兩顆新衛(wèi)星的基金通過(guò)了批準(zhǔn)，它們的分辨率和靈敏度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于COBE衛(wèi)星。其中一個(gè)是NASA的WMAP探測(cè)任務(wù)，是由萊曼·佩奇帶頭的嚴(yán)謹(jǐn)團(tuán)隊(duì)。還有一個(gè)是歐洲的項(xiàng)目——普朗克衛(wèi)星，我為它的基金申請(qǐng)工作做了計(jì)算和預(yù)測(cè)，這讓我非常開(kāi)心。由于空間任務(wù)通常需要花很多年來(lái)做計(jì)劃，于是，為了搶在WMAP探測(cè)器和普朗克衛(wèi)星之前出成果，全球各地的小團(tuán)隊(duì)都在你追我趕，企圖在它們發(fā)射之前摘些酸果子。結(jié)果，薩斯卡通項(xiàng)目搶到了第一個(gè)風(fēng)頭，由此開(kāi)啟了我參與的一系列好玩項(xiàng)目。

接下來(lái)，我和許多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家一起工作。這些實(shí)驗(yàn)的名字都稀奇古怪，比如HACME、QMAP、特納里夫島（Tenerife）、POLAR、PIQ和飛去來(lái)器（Boomerang）。我同他們合作，利用他們的數(shù)據(jù)來(lái)制作宇宙“嬰兒照”，并探索其中關(guān)于宇宙的秘密。我最基本的游戲規(guī)則是擔(dān)任理論與實(shí)驗(yàn)的中間人——我感到，宇宙學(xué)正從一個(gè)極度缺乏數(shù)據(jù)的領(lǐng)域，轉(zhuǎn)變成一個(gè)擁有超多數(shù)據(jù)的領(lǐng)域，這些數(shù)據(jù)多到讓人無(wú)所適從，所以我決定開(kāi)發(fā)一個(gè)工具來(lái)充分處理這種數(shù)據(jù)“雪崩”。具體地說(shuō)，我的戰(zhàn)略是運(yùn)用一種叫信息論的數(shù)學(xué)方法，在一個(gè)給定的數(shù)據(jù)集中搜尋與宇宙相關(guān)的信息。通常，幾兆字節(jié)（MB）、幾吉字節(jié)（GB），甚至幾太字節(jié)（TB）的信息中，只有非常稀少的幾個(gè)比特是關(guān)于宇宙的信息。它們以十分復(fù)雜的方式深深隱藏在紛繁雜亂、數(shù)據(jù)龐大的噪聲中，這些噪聲來(lái)自探測(cè)器的電子設(shè)備、大氣輻射、銀河輻射等各種各樣的源頭。當(dāng)時(shí)，有一個(gè)完美的數(shù)學(xué)方法可以完成這項(xiàng)大海撈針的任務(wù)，但在實(shí)踐中做起來(lái)太復(fù)雜，需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行幾百萬(wàn)年的運(yùn)算。而我發(fā)表的幾個(gè)數(shù)據(jù)分析方法雖然并不完美，但提取信息的速度足夠快，適用于實(shí)踐。

我喜歡宇宙微波背景輻射的原因有很多。比如，它促成了我的第一段婚姻，讓我擁有了兩個(gè)可愛(ài)的兒子，菲利普和亞歷山大。我和我的前妻安赫麗卡·科斯塔（Angélica de Oliveira Costa）走到一起，正是因?yàn)樗龔陌臀鱽?lái)到加州大學(xué)伯克利分校讀喬治·斯穆特的研究生。我們的合作親密無(wú)間，不僅限于給孩子換尿布，還包括我前面提到過(guò)的許多數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目。其中一個(gè)項(xiàng)目是QMAP，它是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，裝在一個(gè)高空氣球上，由萊曼·佩奇和馬克·德夫林（Mark Devlin）等人放飛到高空，以避免受到地球大氣層的微波噪聲干擾。

不好了！1998年5月1日凌晨2點(diǎn)，一切看起來(lái)都糟透了。還有7個(gè)小時(shí)，我們的飛機(jī)就要飛往芝加哥，我將在那里的一場(chǎng)宇宙學(xué)會(huì)議上演講，公布QMAP項(xiàng)目的最新結(jié)論。但此時(shí)此刻，我和安赫麗卡卻在普林斯頓高等研究院的辦公室里焦慮不已。宇宙微波背景輻射實(shí)驗(yàn)容不下一點(diǎn)錯(cuò)誤，也不能忽視任何重要的東西。在科學(xué)界，可信度的關(guān)鍵要素是被另一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。但由于人們聚焦的天區(qū)不同，采用的分辨率也不同，所以根本不可能通過(guò)比較兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論來(lái)驗(yàn)證它們是否相符。然而，薩斯卡通和QMAP的天圖在一處香蕉形狀的天區(qū)正好產(chǎn)生了重疊（見(jiàn)圖2-5）。我和安赫麗卡灰心喪氣地盯著計(jì)算機(jī)屏幕，感到心沉到了谷底——薩斯卡通和QMAP重疊的那部分天圖并排顯示在屏幕上，而它們倆根本沒(méi)有一點(diǎn)相似之處！我們瞇著眼睛仔細(xì)看，企圖把這些差異想象成設(shè)備的噪聲。但這只是美好的幻想。我們所有的努力都表明，這兩張?zhí)靾D中至少有一張是完全錯(cuò)誤的。我怎能拿這個(gè)結(jié)論去演講呢？這不僅是對(duì)我們自己，也是對(duì)所有建造和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家們的羞辱。

安赫麗卡全神貫注地凝視著我們的計(jì)算機(jī)程序，突然間，她發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可疑的負(fù)號(hào)，大概會(huì)使QMAP天圖呈顛倒?fàn)睢Ｎ覀冃拚诉@個(gè)負(fù)號(hào)，重新運(yùn)行代碼。面對(duì)計(jì)算機(jī)屏幕上的結(jié)果，我倆面面相覷，大氣都不敢喘——兩幅天圖幾乎完全一樣！成敗在此一舉！接下來(lái)，我們睡了短短的幾個(gè)小時(shí)，就飛往了芝加哥。把租來(lái)的車(chē)停好后，我?guī)缀跞磕I上腺素驅(qū)動(dòng)，一路小跑到費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室禮堂。時(shí)間不早不晚，剛好輪到我演講。我實(shí)在太興奮了，根本沒(méi)注意到自己已經(jīng)違章停車(chē)。直到晚上，我發(fā)現(xiàn)我的車(chē)離奇地失蹤了。

“你把車(chē)停哪兒了？”保安問(wèn)。

“哦，就停在外面啊，在消防栓的正前方?！蔽一卮鸬?，突然腦袋里“咣”的一聲，一天內(nèi)第二次恍然大悟——車(chē)被交警拖走了。

宇宙的“沙灘球”

宇宙微波背景輻射引起的淘金熱，持續(xù)了好幾年。這期間，有20多個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)室在你追我趕——我會(huì)告訴你一些相關(guān)故事。然后，終于輪到WMAP探測(cè)器粉墨登場(chǎng)了。2003年3月11日下午2點(diǎn)，房間里擠滿了人。我們都擠過(guò)來(lái)看NASA電視臺(tái)，因?yàn)閃MAP項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將要公布他們的結(jié)果。地面實(shí)驗(yàn)和氣球?qū)嶒?yàn)都只能繪制一部分天區(qū)的圖像，但WMAP探測(cè)器卻能像COBE衛(wèi)星一樣，用它超高的分辨率和靈敏度描繪整個(gè)天空。我的感覺(jué)就像小時(shí)候過(guò)圣誕節(jié)，圣誕老人最后終于出現(xiàn)了——唯一不同的是，圣誕節(jié)只需等上幾個(gè)月，而為這一天，我已經(jīng)等了好幾年。事實(shí)證明，等待是值得的——WMAP項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)公布的圖片令人震驚。他們廢寢忘食地工作，從申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)到建設(shè)、發(fā)射、數(shù)據(jù)分析和得出結(jié)論，只用了不到6年的時(shí)間，比COBE衛(wèi)星快3倍。實(shí)際上，為了保持進(jìn)度，WMAP項(xiàng)目的帶頭人查克·班尼特（Chuck Bennett）幾乎害死了自己——該項(xiàng)目的重要貢獻(xiàn)者大衛(wèi)·斯伯格爾（David Spergel）告訴我，在衛(wèi)星發(fā)射后，班尼特的身體崩潰了，不得不住了三個(gè)星期的醫(yī)院。

此外，WMAP項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還在網(wǎng)上公開(kāi)了所有數(shù)據(jù)，這樣，全世界的宇宙學(xué)家都可以嘗試自己分析。對(duì)我這樣的宇宙學(xué)家來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在終于輪到我們來(lái)廢寢忘食地瘋狂工作了，而他們總算可以高枕無(wú)憂地睡大覺(jué)。他們的觀測(cè)結(jié)果很出色，但受到了銀河系射電噪聲的污染。你可以從圖2-5中的COBE天圖里看到，天圖中央有一條水平的條帶。對(duì)于此，有一個(gè)壞消息和一個(gè)好消息。壞消息是，來(lái)自銀河系和其他星系的微波污染遍布整個(gè)天空，幾乎無(wú)處不在，盡管程度很低，而且不容易看到；好消息是，這些污染的顏色與我們想要的信號(hào)不同（顏色取決于頻率），而WMAP探測(cè)器采用了5個(gè)不同的頻率。用這些信息，WMAP項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以清除污染，而我興奮地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更好的方法可以完成此事。

我的方法基于信息論，由此得到了一張更清晰、分辨率更高的照片（見(jiàn)圖2-5右下）。我和安赫麗卡以及我們的老朋友安德魯·漢密爾頓（Andrew Hamilton）一起工作了一個(gè)月，終于提交了一篇論文，之后我的生活才慢慢重回正軌。圖2-4里有一個(gè)球形的微波背景圖像，類(lèi)似的圖像也出現(xiàn)在本書(shū)的封面上。制作這種圖的過(guò)程非常好玩，給我?guī)?lái)了很多快樂(lè)。WMAP項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)也很喜歡干這件事，他們甚至做了一個(gè)自己的版本，并把它印在一個(gè)塑料沙灘球上。這個(gè)球現(xiàn)在還在我的辦公室里，讓整個(gè)屋子蓬蓽生輝。我把它稱(chēng)為“我的宇宙”，因?yàn)樗且粋€(gè)象征、一個(gè)符號(hào)，將我們目之所及的萬(wàn)事萬(wàn)物都被囊括在內(nèi)。

邪惡軸心，天圖的神秘隊(duì)列

接下來(lái)，讓我們來(lái)仔細(xì)看看宇宙微波背景中的那些星羅棋布的斑點(diǎn)。從這些斑點(diǎn)的大小，我們能解答許多關(guān)于宇宙的秘密。我們知道，聲音和顏色都可以被分解成不同頻率的組合。與之類(lèi)似，我們也可以把二維的宇宙微波背景輻射圖分解成若干個(gè)組分（見(jiàn)圖2-6），它們有一個(gè)古怪的名字，叫多極矩（multipoles）。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，這些多極矩天圖包含著大小不一的斑塊。然而，從COBE衛(wèi)星開(kāi)始，人們就注意到了一件可疑的事情——第二個(gè)多極矩，也就是四極矩天圖中，最大的幾個(gè)斑塊比預(yù)計(jì)的弱很多。然而當(dāng)時(shí)沒(méi)人能作出一張四極矩天圖，來(lái)看看究竟發(fā)生了什么，因?yàn)檫@需要一張全天圖，但銀河系的微波干擾對(duì)一些天區(qū)造成了不可修復(fù)的污染。

   

圖2-6　將圖2-5中的WMAP探測(cè)器天圖分解成一組多極矩的加總，可以看到，其中斑點(diǎn)變得越來(lái)越小。最前面的兩個(gè)天圖（左圖和中圖）中，亮斑排列成一個(gè)神秘的隊(duì)列，被稱(chēng)為“邪惡軸心”。不同的顏色代表與平均溫度相比的冷熱程度。下方的色條代表單位是μK，也就是1開(kāi)氏度的百萬(wàn)分之一。

現(xiàn)在，有了WMAP探測(cè)器的結(jié)果，我們終于獲得了清晰的天圖，看起來(lái)可以拿來(lái)一用。那是一個(gè)深夜，在我們提交天圖論文之前不久，安赫麗卡和孩子們都已經(jīng)睡了，我也正準(zhǔn)備上床。但我實(shí)在太好奇了，很想看看那討厭的四極矩會(huì)變成什么樣，所以我決定寫(xiě)一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，生成一張圖片來(lái)看看。當(dāng)圖片從計(jì)算機(jī)屏幕上蹦出來(lái)時(shí)（見(jiàn)圖2-6左圖），我頓時(shí)被迷住了——它不僅比預(yù)想的更弱（較冷和較熱區(qū)域之間的溫度起伏幾乎接近零），并且沿著一條有方向的一維條帶分布，而不是理論預(yù)測(cè)的隨機(jī)分布，所以看起來(lái)十分有趣。我當(dāng)時(shí)已經(jīng)困得要死，但為了獎(jiǎng)勵(lì)自己深夜還在工作，我決定再調(diào)試一張新圖片，于是我把2改為3，得到了一張第三極矩，也就是八極矩的圖片。天呢！這究竟是什么？屏幕上出現(xiàn)的圖片中，斑塊的分布同樣遵循一個(gè)一維的條帶，方向與四極矩基本相符（見(jiàn)圖2-6中圖）。這可不是宇宙應(yīng)該有的樣子?。『臀覀兤綍r(shí)拍的照片不同，宇宙的照片不應(yīng)該存在一個(gè)特殊的方向，比如“上”——它應(yīng)該看起來(lái)很隨機(jī)，不管你怎么旋轉(zhuǎn)照片，看起來(lái)應(yīng)該都一樣。然而，我屏幕上的這張宇宙“嬰兒照”卻擁有斑馬一樣的條紋，排列在一個(gè)特別的方向上。我懷疑我寫(xiě)的代碼有問(wèn)題，于是又把3改成4，出現(xiàn)了第三張圖（見(jiàn)圖2-6右圖），這次和預(yù)測(cè)的完全一樣——斑點(diǎn)隨機(jī)分布，沒(méi)有特殊的方向。

安赫麗卡再次檢查了數(shù)據(jù)，確認(rèn)一切無(wú)誤之后，我們把這個(gè)驚奇的發(fā)現(xiàn)寫(xiě)進(jìn)了天圖論文。令我驚訝的是，《紐約時(shí)報(bào)》竟然提到了我的論文，還派了一個(gè)攝影師過(guò)來(lái)給我拍大頭照。接下來(lái)，包括我們?cè)趦?nèi)的許多團(tuán)隊(duì)都對(duì)數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)進(jìn)行了更深入的研究。有些人把那個(gè)特殊的方向戲稱(chēng)為“邪惡軸心”；一些人則辯稱(chēng)這是統(tǒng)計(jì)學(xué)上的巧合，或者是來(lái)自銀河的干擾。還有人認(rèn)為，事實(shí)應(yīng)該比我們想象的更神秘，并聲稱(chēng)他們用不同的方法在第4和第5極矩中也找到了類(lèi)似的異常現(xiàn)象。此外，還涌現(xiàn)了一些新奇的解釋?zhuān)热?，我們生活在一個(gè)小小的“面包圈宇宙”中，空間轉(zhuǎn)一圈后與自身相連，但后續(xù)的分析認(rèn)定這是不可能的。直到今天，我對(duì)“邪惡軸心”的困惑與那天晚上相比，一點(diǎn)也沒(méi)有減少。

從0到1，宇宙微波背景理論的歷程

2006年，安赫麗卡和我被邀請(qǐng)到斯德哥爾摩，慶祝COBE衛(wèi)星的研究成果獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。不出所料，COBE團(tuán)隊(duì)內(nèi)部開(kāi)始爭(zhēng)搶功勞。最后，獎(jiǎng)項(xiàng)由喬治·斯穆特和約翰·馬瑟（John Mather）二人分享?？吹剿麄z和解，我十分欣慰。整個(gè)COBE團(tuán)隊(duì)都被邀請(qǐng)過(guò)去，沐浴在當(dāng)之無(wú)愧的榮耀中。我感到，那些不愉快的嫌隙被無(wú)休止的高雅酒會(huì)用一個(gè)明顯的事實(shí)所黏合了，那就是，他們完成了一項(xiàng)偉大的工作，不僅讓兩個(gè)人同時(shí)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，更重要的是，他們拍下的第一張宇宙“嬰兒照”創(chuàng)造出了一個(gè)生機(jī)勃勃的新領(lǐng)域，把宇宙學(xué)的研究帶進(jìn)了一個(gè)嶄新的時(shí)代。我多么希望，喬治·伽莫夫、拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼也出現(xiàn)在這里。

2013年3月21日清晨，我5點(diǎn)就起床了，為了看一個(gè)巴黎的網(wǎng)絡(luò)直播——普朗克衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)即將公布他們的第一張宇宙微波背景輻射圖像。過(guò)去的10年里，ACBAR、ACT、南極望遠(yuǎn)鏡等實(shí)驗(yàn)設(shè)備都曾拓寬我們對(duì)宇宙微波背景的知識(shí)，但普朗克衛(wèi)星才是WMAP探測(cè)器以來(lái)最大的里程碑。我正在刮胡子時(shí)，喬治·艾夫斯塔休（George Efstathiou）正在向公眾講述他們的成果，突然一股懷舊和興奮交織的感覺(jué)涌上了我的心頭。我仿佛回到了1995年3月，當(dāng)時(shí)艾夫斯塔休邀請(qǐng)我到牛津大學(xué)去和他合作，為還未發(fā)射的普朗克衛(wèi)星開(kāi)發(fā)一種新算法。這是我第一次被邀請(qǐng)參加學(xué)術(shù)合作，感到十分榮幸。我們一起開(kāi)發(fā)出了一種去除干擾信號(hào)的新方法，幫助普朗克項(xiàng)目得到了歐洲空間局（ESA）的資金。時(shí)光荏苒，現(xiàn)在浴室鏡里這個(gè)老了8歲、正在刮胡子的我，終于要看到這個(gè)項(xiàng)目的成果了。

當(dāng)艾夫斯塔休展示普朗克衛(wèi)星最新的天圖時(shí)，我忍不住放下刮胡刀，找出我們之前清除了前景干擾的WMAP探測(cè)器天圖放在筆記本電腦屏幕旁邊。它們幾乎嚴(yán)絲合縫！宇宙邪惡軸心依然存在！我把這兩張圖都放到了圖2-5中，好讓你進(jìn)行對(duì)比。你可以看到，所有大尺度結(jié)構(gòu)都能精致地吻合在一起，但普朗克天圖中有更多的小斑點(diǎn)。這是由于它有出眾的靈敏度和分辨率，能拍下WMAP探測(cè)器因無(wú)法辨認(rèn)而模糊掉的小細(xì)節(jié)。普朗克衛(wèi)星證明，我們多年的等待是值得的！由于它出色的質(zhì)量，普朗克衛(wèi)星總算為WMAP探測(cè)器之前的表現(xiàn)提供了一份可對(duì)照的答題卡。仔細(xì)消化普朗克衛(wèi)星的結(jié)果后，我認(rèn)為WMAP項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的工作完全能得A+。當(dāng)然，普朗克衛(wèi)星項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)也是如此。然而我認(rèn)為，普朗克衛(wèi)星給人們最大的驚喜就是：沒(méi)有驚喜——從本質(zhì)上說(shuō)，它再一次確認(rèn)了我們已經(jīng)相信的宇宙圖景，只是更加精確。宇宙微波背景輻射，終于成熟了。

泰格馬克教授將普朗克衛(wèi)星天圖投影到了一個(gè)球體上，讀者可以仔細(xì)端詳它豐富的色彩和細(xì)節(jié)。

到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)將最早的時(shí)間由140億年前撥回到大爆炸后40萬(wàn)年，看見(jiàn)周?chē)目臻g充滿了炙熱的等離子體。那時(shí)候，沒(méi)有人，沒(méi)有行星，沒(méi)有恒星，也沒(méi)有星系——只有原子在彈來(lái)蹦去，輻射出耀眼的光芒。然而，更加神秘的問(wèn)題浮出水面：這些原子從何而來(lái)？

宇宙，一個(gè)熊熊燃燒的核聚變反應(yīng)堆

之前我們講到，伽莫夫?qū)τ钪娴倪^(guò)去進(jìn)行了大膽的推演，成功預(yù)測(cè)了宇宙微波背景，為我們呈現(xiàn)了絕妙的宇宙“嬰兒照”。然而對(duì)他來(lái)說(shuō)，這個(gè)了不起的成就還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，于是，他把時(shí)間往回推演到了更早的時(shí)候，并算出了結(jié)論。時(shí)間越早，溫度越高。我們知道，大爆炸后40萬(wàn)年時(shí)，幾千攝氏度的氫元素充滿了宇宙空間，幾乎有太陽(yáng)表面一半那么熱，所以那時(shí)氫元素發(fā)生的事，和太陽(yáng)表面正在發(fā)生的一樣——發(fā)光。所以產(chǎn)生了宇宙微波背景輻射。伽莫夫還意識(shí)到，大爆炸后僅1分鐘時(shí)，氫的溫度大約高達(dá)10億℃，比太陽(yáng)內(nèi)核還炙熱，所以它一定也會(huì)發(fā)生太陽(yáng)內(nèi)核正在發(fā)生的事——核聚變，將氫元素聚變成氦元素。然而不久之后，宇宙逐漸膨脹和冷卻，冷到不足以發(fā)生核聚變時(shí)，就像一只無(wú)形的手關(guān)掉了這個(gè)宇宙核聚變反應(yīng)堆的開(kāi)關(guān)。那時(shí)，還沒(méi)來(lái)得及把所有氫都轉(zhuǎn)化為氦。受到伽莫夫的啟發(fā)，他的學(xué)生阿爾菲和赫爾曼對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步計(jì)算。那時(shí)還是20世紀(jì)40年代，由于沒(méi)有現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，他們的工作受到了極大的限制。

宇宙在最初的40萬(wàn)年里是不透明的，之前發(fā)生的事都被藏在宇宙微波背景的等離子屏幕后。那么，要如何檢驗(yàn)伽莫夫的這個(gè)預(yù)測(cè)呢？伽莫夫意識(shí)到，這個(gè)情況和對(duì)恐龍的研究很相似——你根本不可能直接看到發(fā)生了什么事，但你能找到化石證據(jù)！用現(xiàn)代觀測(cè)到的數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)重新運(yùn)行他們的計(jì)算過(guò)程，你能預(yù)測(cè)出，當(dāng)宇宙還是一個(gè)核聚變反應(yīng)堆時(shí)，有25%的質(zhì)量生成了氦。當(dāng)你用望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)遙遠(yuǎn)星系的光譜來(lái)測(cè)算它們的氦含量時(shí)，你會(huì)得到一個(gè)數(shù)字：25%！對(duì)我來(lái)說(shuō)，這和發(fā)現(xiàn)霸王龍股骨化石一樣令人印象深刻——這就是瘋狂往事的直接證據(jù)。只不過(guò)這件事的瘋狂之處在于，萬(wàn)事萬(wàn)物都熱得瘋狂，就像太陽(yáng)的核心一樣。此外，氦元素并不是唯一的“化石證據(jù)”。隨著伽莫夫的理論變得廣為人知，太初核合成理論（也就是大爆炸核合成）預(yù)測(cè)，三十萬(wàn)分之一的原子是氘^[5]，五十億分之一的原子是鋰。這兩個(gè)比例都已被觀測(cè)證實(shí)，并與理論值完美契合。

都錯(cuò)了！大爆炸有麻煩了！

沒(méi)有人能隨隨便便成功——伽莫夫的熱大爆炸理論遭到了冷遇。實(shí)際上，“大爆炸”這個(gè)名字還是得自一個(gè)批評(píng)者——弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle），他最初是想以此來(lái)嘲笑它的荒謬。根據(jù)20世紀(jì)50年代的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，大爆炸理論的兩個(gè)主要預(yù)測(cè)——宇宙的年齡和原子的豐度，都是錯(cuò)誤的。根據(jù)哈勃最初對(duì)宇宙膨脹的測(cè)算預(yù)計(jì)，宇宙的年齡不會(huì)超過(guò)20億年。地質(zhì)學(xué)家們因此感到很困惑，因?yàn)榈厍蛏弦恍r石的年齡都比這個(gè)老。此外，伽莫夫、阿爾菲和赫爾曼當(dāng)時(shí)還希望能證明我們周遭的所有原子都以正確的比例誕生于太初核合成，但他們發(fā)現(xiàn)這是不可能的，太初核合成甚至不能產(chǎn)生足夠的碳，更不用說(shuō)氧和其他日常常見(jiàn)的元素了——它只能孕育出氦、氘和一點(diǎn)點(diǎn)的鋰。

我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，哈勃極大地低估了星系之間的距離。正因如此，他得出了錯(cuò)誤的結(jié)論。他所算出的宇宙膨脹速度比真實(shí)速度快了7倍，這意味著，宇宙的年齡應(yīng)該比他所算出來(lái)的老7倍。20世紀(jì)50年代，人們對(duì)星系距離的觀測(cè)越來(lái)越精確，這個(gè)錯(cuò)誤逐漸被修正。那些不高興的地質(zhì)學(xué)家終于得到了安慰。

大爆炸預(yù)測(cè)的第二個(gè)“謬誤”——原子豐度的錯(cuò)誤，也在同一時(shí)代消融了。伽莫夫在恒星核聚變上做了很多開(kāi)創(chuàng)性的研究。他和其他科學(xué)家的工作都表明，恒星能產(chǎn)生出氦和一點(diǎn)點(diǎn)其他元素，正如我們的太陽(yáng)現(xiàn)在正在做的一樣。那么，其他元素從何而來(lái)呢？伽莫夫希望太初核合成能完成這項(xiàng)任務(wù)。然而，20世紀(jì)50年代，另一個(gè)看起來(lái)令人吃驚的核物理發(fā)現(xiàn)將氦、鈹、碳和氧連接起來(lái)了。霍伊爾第一個(gè)意識(shí)到，恒星在生命末期會(huì)將氦變成碳、氧和大部分常見(jiàn)的元素，正是這些元素組成了你和我。此外，恒星結(jié)束自己生命的時(shí)候會(huì)發(fā)生爆炸，將它孕育的大部分原子都回饋到宇宙空間，形成氣體云，將來(lái)又能從中誕生出新的恒星和行星，最終誕生你我。換句話說(shuō)，我們與天堂之間的聯(lián)系，比祖輩想象的要緊密得多——我們都是星塵。我們位于宇宙之中，宇宙也存在于我們之中。洞悉了這一點(diǎn)，伽莫夫的太初核合成理論經(jīng)歷了從失敗到成功的騰飛。原來(lái)，宇宙在最初的幾分鐘內(nèi)，確實(shí)只生成了氦以及一點(diǎn)點(diǎn)氘和鋰，而之后的所有原子都是由恒星創(chuàng)造出來(lái)的^[6]。原子從何而來(lái)的問(wèn)題最終被解決了。不鳴則已，一鳴驚人。正如熱大爆炸理論在“冷宮”里平步青云一樣，1964年，伽莫夫的另一個(gè)預(yù)言也被觀測(cè)證實(shí)，并震驚了宇宙學(xué)界，這就是犧牲幾只鴿子才確認(rèn)的大爆炸余暉——宇宙微波背景輻射。

到底什么是大爆炸

現(xiàn)在，我們已經(jīng)把時(shí)間回溯到了140億年前，那時(shí)候整個(gè)宇宙是一個(gè)熊熊燃燒的核聚變反應(yīng)堆。當(dāng)我說(shuō)了“我相信大爆炸假說(shuō)”時(shí)，只是指我被這個(gè)理論說(shuō)服了，但僅此而已。

大爆炸假說(shuō)

那時(shí)，我們現(xiàn)在所能看到的一切都比太陽(yáng)的內(nèi)核還熱，它們膨脹得相當(dāng)迅速，一秒鐘內(nèi)就能膨脹到兩倍那么大。

這個(gè)爆炸真的很大，所以我們管它叫“大爆炸”。然而，你也許已經(jīng)注意到，我給它下的定義十分保守，并沒(méi)有提到它之前發(fā)生的任何事。比如，我并沒(méi)有暗示宇宙當(dāng)時(shí)的年齡為1秒鐘，也沒(méi)有暗示它的密度曾經(jīng)無(wú)限大或者源自某種令數(shù)學(xué)規(guī)律崩潰掉的奇點(diǎn)。對(duì)第1章開(kāi)頭的問(wèn)題10“大爆炸奇點(diǎn)的存在有證據(jù)嗎”，答案很簡(jiǎn)單：“沒(méi)有！”當(dāng)然，如果我們把弗里德曼方程向時(shí)間的源頭一步步推演，它們會(huì)在太初核合成1秒鐘前一個(gè)無(wú)限致密的奇點(diǎn)崩潰，但在第6章中我們將會(huì)看到，量子力學(xué)會(huì)讓這些方程在還沒(méi)到達(dá)奇點(diǎn)時(shí)就失效。我認(rèn)為，區(qū)分一件事是“有確鑿證據(jù)”還是“高度推測(cè)”，是非常重要的。在這件事上，對(duì)大爆炸之前的事，盡管我們有許多令人興奮的理論和暗示（我們將在第4章繼續(xù)討論），但坦白講，我們其實(shí)什么都不知道。目前，這就是我們知識(shí)的邊界。實(shí)際上，我們甚至不能肯定宇宙是否真有一個(gè)開(kāi)端，還是在太初核合成之前就已經(jīng)經(jīng)歷了超出人類(lèi)理解范圍的永恒時(shí)間。

總的來(lái)說(shuō)，人類(lèi)對(duì)時(shí)間的認(rèn)知已被推進(jìn)到相當(dāng)久遠(yuǎn)的過(guò)去，揭示出一條宇宙的故事線（我畫(huà)在了圖2-7中）。大爆炸后100萬(wàn)年，空間中充滿了相當(dāng)均勻的透明氣體。如果把宇宙這幕戲劇倒著播放，我們會(huì)看到這些氣體變得越來(lái)越炙熱，因?yàn)槠渲械脑踊ハ嘧矒舻膹?qiáng)度越來(lái)越大，直到碎裂成原子核和自由電子——等離子體。接下來(lái)，我們會(huì)看到氦原子被撞碎，分裂成質(zhì)子和中子。然后，它們也被撞碎，變成更基本的粒子——夸克。再往后，我們會(huì)跨越人類(lèi)知識(shí)的邊界，進(jìn)入一個(gè)全憑推測(cè)的疆域——在第4章，我們將探討圖2-7中標(biāo)著“暴脹”和“量子謎題”的兩個(gè)階段?，F(xiàn)在，讓我們?cè)偬酱蟊ê?00萬(wàn)年，讓時(shí)間往后流逝，我們會(huì)看到萬(wàn)有引力放大氣體間輕微的不均勻，最終形成了我們今天所看到的星系、恒星和豐富多彩的宇宙結(jié)構(gòu)。

   

圖2-7　盡管我們對(duì)宇宙的終極起源知之甚少，但我們對(duì)其后140億年中發(fā)生的事卻已經(jīng)了解了很多。隨著宇宙的膨脹和冷卻，夸克組成了質(zhì)子（也就是氫核）和中子，接著又聚變成氦核。然后，這些原子核捕獲電子，形成原子。在萬(wàn)有引力的作用下，這些原子坍縮成我們今天所觀測(cè)到的星系、恒星和行星。

不過(guò)，萬(wàn)有引力只能將宇宙間輕微的起伏放大，卻無(wú)法從虛無(wú)中創(chuàng)造出起伏。如果宇宙過(guò)去是絕對(duì)均勻和統(tǒng)一的，萬(wàn)有引力也無(wú)計(jì)可施，它會(huì)永遠(yuǎn)保持均勻的狀態(tài)，不可能創(chuàng)造出任何稠密的塊簇，更別說(shuō)星系了。這意味著，在很早的時(shí)候，宇宙中一定撒下了這些起伏的種子，得以讓引力來(lái)放大，這就像一張宇宙的藍(lán)圖，決定了哪些地方會(huì)生成星系。那這些起伏的種子從何而來(lái)呢？換句話說(shuō)，我們已經(jīng)看到了宇宙中原子的起源，但是這些原子何以會(huì)排列成龐大的星際結(jié)構(gòu)呢？宇宙大尺度結(jié)構(gòu)從何而來(lái)呢？在我們所問(wèn)的所有宇宙學(xué)問(wèn)題中，我認(rèn)為這是最碩果累累的。為什么？我們將在接下來(lái)的兩章探索這個(gè)問(wèn)題。

◆由于遙遠(yuǎn)的光線到達(dá)我們需要很長(zhǎng)的時(shí)間，所以望遠(yuǎn)鏡向我們展開(kāi)了宇宙的歷史畫(huà)卷。

◆大約140億年前，我們今天所能看到的一切都比太陽(yáng)核心還炙熱，膨脹得相當(dāng)快，一秒鐘內(nèi)就能膨脹到兩倍大。這就是我所說(shuō)的“大爆炸”。雖然我們對(duì)那之前發(fā)生了什么不甚明了，但我們知道許多那之后發(fā)生的事——膨脹和聚集。

◆宇宙在核聚變反應(yīng)堆的狀態(tài)下僅保持了幾分鐘，那時(shí)就像太陽(yáng)的內(nèi)核一樣，將氫轉(zhuǎn)變成氦和其他較輕的元素，直到劇烈的膨脹稀釋和冷卻了宇宙，核聚變才停止了。根據(jù)計(jì)算，我們預(yù)測(cè)25%的氫元素變成了氦；觀測(cè)結(jié)果不僅與這個(gè)預(yù)測(cè)完美吻合，還符合對(duì)其他輕元素的預(yù)測(cè)。

◆經(jīng)歷了40萬(wàn)年的膨脹和稀釋?zhuān)瑲?氦等離子體冷卻成了透明的氣體。我們能看到這個(gè)轉(zhuǎn)變，在遙遠(yuǎn)的宇宙深處，有一堵等離子體組成的墻，發(fā)出暗淡的光芒，這就是宇宙微波背景，此項(xiàng)研究獲得了兩枚諾貝爾獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

◆在接下來(lái)的幾十年中，萬(wàn)有引力改變了宇宙的圖景，從無(wú)聊的均勻一致到有趣的成塊成簇，放大了我們?cè)谟钪嫖⒉ū尘吧纤吹降募?xì)微密度差別，最終形成了我們今天看見(jiàn)的行星、恒星、星系和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。

◆宇宙暴脹理論預(yù)測(cè)，遙遠(yuǎn)的星系會(huì)遵循一個(gè)簡(jiǎn)單的方程，離我們遠(yuǎn)去，這和我們的觀測(cè)十分相符。

◆簡(jiǎn)單的物理定律就能準(zhǔn)確地描述宇宙的整個(gè)歷史，也讓我們能從過(guò)去預(yù)測(cè)未來(lái)，并從未來(lái)推斷過(guò)去。這些支配著宇宙歷史的物理定律，都是以數(shù)學(xué)公式的形式呈現(xiàn)，所以，我們對(duì)宇宙歷史最精確的描述，都是數(shù)學(xué)描述。