數(shù)字中的宇宙_穿越平行宇宙

宇宙學(xué)家經(jīng)常會犯錯(cuò)，但他們從不優(yōu)柔寡斷。

列夫·朗道（Lev Landau）

從理論上說，理論和實(shí)踐是一樣的，但從實(shí)踐的角度來說，它們卻截然不同。

愛因斯坦

“哇！”我驚訝得下巴幾乎掉到了地上。我站在路邊，一句話也說不出來。眼前的這番景象，我每天都會看到，但卻從沒好好地端詳過它。此時(shí)，正是凌晨5點(diǎn)鐘，我把車停在一條橫穿亞利桑那州沙漠地帶的高速公路邊，正在查看地圖。突然間，我被深深觸動了——看，天空！這不再是我從小看到的那片被光污染得糟透了的斯德哥爾摩的天空，因?yàn)槟抢镏荒芸吹奖倍菲咝呛蛶最w稀疏又暗淡的星星。而此時(shí)此刻，我正凝視著的是一片蔚為壯觀、攝人心魂的浩瀚蒼穹，成千上萬顆明亮的光點(diǎn)，匯成了美不勝收的各種形態(tài)。銀河閃耀其上，就像一條壯麗的星系高速公路，橫跨整個(gè)蒼穹。

在干燥的沙漠空氣中，我的視野被放大，能看到海拔2 000米以上。但我相信，你也曾在遠(yuǎn)離城市燈光的地方見過這樣的美景，你一定和我一樣，心中充滿了敬畏。那么，這一敬畏又源于何處？毫無疑問，一部分是因?yàn)樾切呛瓦@遼闊的一切。但是，還有一些其他的東西令我們驚訝萬分，那就是星星組成的形態(tài)。我們的祖先對這些形態(tài)十分好奇，為了解釋它們而創(chuàng)造出了許多神話故事。一些文明把星星分組，想象成一個(gè)個(gè)星座，并用神話中的人物來描繪它們。很顯然，恒星在夜空中并不是像波點(diǎn)圖案一樣均勻分布，而是成團(tuán)成簇的。那天凌晨，我所看見的最大的星際形態(tài)，不是別的，正是我們的銀河。利用望遠(yuǎn)鏡，我們會發(fā)現(xiàn)，星系與星系一起也能聚集成團(tuán)簇狀的結(jié)構(gòu)，擁有著迷人的形態(tài)，組成了星系群和星系團(tuán)以及碩大無朋的絲狀結(jié)構(gòu)，盤踞著億萬光年的宇宙空間。那么，這些形態(tài)是怎么形成的呢？這些巨大的宇宙結(jié)構(gòu)究竟源于何處呢？

在上一章的結(jié)尾，我們了解到萬有引力會帶來不穩(wěn)定性，這同樣使我們開始疑惑宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的起源。換句話說，我們的理性探討和對星空的敬畏之情，兩者殊途同歸，都提出了同樣的一個(gè)問題：這些宇宙結(jié)構(gòu)源自何方？這就是本章將要探索的關(guān)鍵問題。

正如我們在上一章所看到的那樣，人類依然不理解宇宙的終極起源，尤其不知道在宇宙成為核聚變反應(yīng)堆、一秒鐘能膨脹兩倍之前發(fā)生了什么事。不過，那之后的140億年發(fā)生的事情，我們已經(jīng)了解得很多了，那就是膨脹和聚集成團(tuán)。這兩個(gè)過程都受到萬有引力的控制，將炙熱、平滑的“夸克粥”轉(zhuǎn)變成今天這個(gè)點(diǎn)綴著燦爛星辰的宇宙。在上一章里，我們把宇宙的歷史快放了一遍，其中，宇宙膨脹逐漸稀釋和冷卻了基本粒子，讓它們能夠聚集成較大的結(jié)構(gòu)，比如原子核、原子、分子、恒星和星系。自然界存在4種基本作用力，其中3種力輪流驅(qū)動著聚集成團(tuán)的過程：首先是強(qiáng)相互作用力將原子核黏合在一起，接著是電磁力造就了原子和分子，最后是萬有引力編織出了讓夜空熠熠生輝的大尺度結(jié)構(gòu)。

萬有引力是如何做到這一點(diǎn)的？如果你騎自行車時(shí)遇到紅燈，你會捏緊剎車閘，此時(shí)你就會立刻感受到引力導(dǎo)致的不穩(wěn)定——因?yàn)槟銜_始不由自主地左右搖晃。為了保持平衡，你只好把其中一只腳放在地上，才不至于摔倒。這些不穩(wěn)定性的本質(zhì)是由于細(xì)微的波動被放大了。在自行車的例子中，你離平衡狀態(tài)越遠(yuǎn)，引力就越容易將你拉倒。而對宇宙來說，宇宙離完美的均質(zhì)越遠(yuǎn)，聚集的程度就越容易被引力放大。如果一個(gè)區(qū)域的密度比周圍稍稍大一些，引力就會把鄰近的物質(zhì)也拉過來，讓它的密度變得更大，這樣它的引力也就變得更大，使得它累積質(zhì)量的速度也越快。這就好像當(dāng)你本身就很有錢時(shí)，賺錢就變得更容易一樣，當(dāng)質(zhì)量很大時(shí)，累積更多質(zhì)量的過程就變得很容易。140億年的光陰，萬有引力帶來的不穩(wěn)定性已經(jīng)足夠?qū)⒛呐乱欢↑c(diǎn)兒的密度起伏放大為巨大致密的團(tuán)簇，比如星系，從而將曾經(jīng)無聊透頂?shù)挠钪嫱磕ǖ枚嘧硕嗖省?/p>

過去幾十年里，宇宙膨脹和聚集成團(tuán)的大格局已被人們所知，但直到我開始上研究生并最初接觸宇宙學(xué)的1990年，人們對它細(xì)節(jié)的認(rèn)知還是霧里看花、水中望月。那時(shí)，人們尚在辯論宇宙的年齡究竟是100億年還是200億年，反映出長期以來人們對宇宙膨脹速度的不同理解。宇宙現(xiàn)在和過去分別膨脹得多快呢？人們對這個(gè)問題已經(jīng)爭論了很長時(shí)間。而關(guān)于宇宙聚集的討論則建立在更加搖搖欲墜的基礎(chǔ)上，因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)，觀測值和理論值大相徑庭，反映出一個(gè)令人震驚的事實(shí)：宇宙中有95%的組成部分，我們竟全然不知它們?yōu)楹挝铮?/span>COBE實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)顯示，在宇宙大爆炸40萬年后，宇宙只有0.002%的聚集度，這顯然說明了，僅靠萬有引力，根本不足以把這些微弱的聚集放大到今天我們看到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，除非存在一種隱藏的物質(zhì)形式，來貢獻(xiàn)額外的引力。

這種神秘的物質(zhì)被稱為“暗物質(zhì)”，這個(gè)名字正好反映了我們對它的無知。其實(shí)，“不可見物質(zhì)”這個(gè)名字會更適合一點(diǎn)，因?yàn)樗雌饋硎峭该鞯?，而不是黑暗的。如果它穿越你的手掌，你將完全察覺不到。確實(shí)是這樣，來自太空的暗物質(zhì)穿透地球時(shí)，對地球沒有任何影響，而當(dāng)它穿過整個(gè)地球后，會毫發(fā)無傷地出現(xiàn)在另一邊。如果你覺得暗物質(zhì)還不夠瘋狂，下面我將向你介紹另一種神秘物質(zhì)。有它的存在，宇宙膨脹和聚集的理論預(yù)測才能與觀測結(jié)果相符，它就是暗能量（見圖3-1）。人們假定，暗能量只會促使宇宙膨脹，但對聚集成團(tuán)沒有一點(diǎn)貢獻(xiàn)，并且暗能量永遠(yuǎn)都是均勻分布在宇宙中的。

   

圖3-1　暗物質(zhì)和暗能量都是不可見的，這意味著，它們之間的相互作用不會產(chǎn)生光線和其他電磁現(xiàn)象。我們只能通過萬有引力的作用來判斷它們的存在。

暗物質(zhì)和暗能量飽受爭議已經(jīng)許多年。對暗能量來說，最簡單的候選者就是所謂的宇宙學(xué)常數(shù)。我們之前提到過，宇宙學(xué)常數(shù)是愛因斯坦為自己的引力理論所加上的荒唐數(shù)字，后來又自稱為他一生最大的錯(cuò)誤。1934年，為了解釋將星系團(tuán)聚攏在一起的額外引力，天文學(xué)家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）提出了暗物質(zhì)假說。到了20世紀(jì)60年代，薇拉·魯賓（Vera Rubin）發(fā)現(xiàn)，旋渦星系的自轉(zhuǎn)速度非常快，如果僅靠可見物質(zhì)提供的萬有引力，它們早就分崩離析了，所以它們一定包含著某種看不見的物質(zhì)，以提供額外的萬有引力，維系星系的完整。這些假說遭到了強(qiáng)烈的質(zhì)疑——如果我們將這些無法解釋的現(xiàn)象都?xì)w咎于某些可以穿墻而過的不可見物質(zhì)，那我們是不是應(yīng)該相信鬼魂的存在？

歷史上也曾有過令人不安的荒謬先例。在古希臘，當(dāng)托勒密意識到行星軌道并不是完美的正圓形時(shí)，他炮制出一個(gè)復(fù)雜的理論，聲稱行星先是繞著較小的圓圈旋轉(zhuǎn)（稱為“本輪”[epicycles]），再由這些小圓圈繞著大圓圈旋轉(zhuǎn)。正如我之前講到的那樣，更精確的萬有引力理論扼殺了本輪理論，預(yù)測出行星的軌道是橢圓形，而不是正圓形。說不定在未來，我們還會發(fā)現(xiàn)一個(gè)更精確的萬有引力理論，這樣，暗物質(zhì)和暗能量也能像本輪理論那樣“退休”了。如果真發(fā)生了這種事，我們還能不能把今天的宇宙學(xué)當(dāng)真呢？

這是我上研究生時(shí)所問的問題。要回答這些問題，需要更精確的觀測，將宇宙學(xué)從一個(gè)極度缺乏數(shù)據(jù)、高度依賴推測的領(lǐng)域轉(zhuǎn)變?yōu)橐婚T精密的科學(xué)。幸運(yùn)的是，這正是目前正在發(fā)生的事。

我們在圖2-6中看到了由宇宙微波背景實(shí)驗(yàn)所生成的宇宙“嬰兒照”，它可以被分解成一組不同天圖的組合，即“多極矩”。從本質(zhì)上講，每個(gè)多極矩中都包含著大小不一的斑點(diǎn)。圖3-2中展現(xiàn)了每個(gè)多極矩中溫度起伏的總量。這條曲線被稱為宇宙微波背景的“頻譜”（power spectrum），展示了天圖中隱藏的宇宙學(xué)信息。翻到圖2-4，你會看見圖中有許多斑點(diǎn)狗一樣的斑塊——這些斑塊大小不一，有的占據(jù)天空中1°的范圍，有的跨越2°，諸如此類。在頻譜中，你能看出每種大小斑塊的數(shù)量有多少。

頻譜最大的好處在于，我們不僅可以測量它，還可以預(yù)測它——對于許多關(guān)于宇宙膨脹和聚集的數(shù)學(xué)模型來說，我們可以準(zhǔn)確地計(jì)算出它們的頻譜長什么樣，而且不同模型預(yù)測出的曲線相去甚遠(yuǎn)（見圖3-2）。如今，圖3-2中的曲線幾乎都被觀測結(jié)果否定了，只剩下唯一的一條。但在我上研究生時(shí)，這些被否定掉的曲線中的每一條，都至少有一位德高望重的同行全心全意地相信它是正確的。頻譜的曲線形狀取決于很多復(fù)雜的因素，包括影響宇宙聚集成團(tuán)的所有因素（比如原子的密度、暗物質(zhì)的密度、暗能量的密度和“種子”起伏的性質(zhì)），所以，如果我們能調(diào)整關(guān)于這些因素的前提假設(shè)，讓預(yù)測符合觀測，那我們就能找到一個(gè)完美的模型，不僅可以進(jìn)行預(yù)測，還可以測算這些重要的物理量。

   

圖3-2　對宇宙微波背景中各個(gè)起伏所占的角度進(jìn)行精密地測量后，許多曾流行一時(shí)的理論模型都被排除了，但是標(biāo)準(zhǔn)模型卻與之完美相符。在這張圖里，你能欣賞到現(xiàn)代宇宙學(xué)最卓越的成就，而不用擔(dān)心細(xì)節(jié)問題——現(xiàn)代高度精密的測量結(jié)果都與理論預(yù)測值相符。

望遠(yuǎn)鏡和計(jì)算機(jī)，改變和顛覆

當(dāng)我在研究生階段首次知道宇宙微波背景時(shí)，根本沒有頻譜這種東西。后來，COBE衛(wèi)星給我們創(chuàng)造了機(jī)會，讓我們第一次接觸到這種歪歪扭扭、深?yuàn)W難懂的曲線。這種曲線最左端的高度大約為0.001%，那里附近的傾斜度幾乎為水平。COBE衛(wèi)星的頻譜中隱藏著很多信息，但是當(dāng)時(shí)沒有人能夠把這些信息挖出來，因?yàn)檫@需要處理一個(gè)占據(jù)31MB空間的沉悶數(shù)表，稱為“矩陣”。在今天看來，31MB的數(shù)據(jù)量簡直小得可笑，你手機(jī)上的一段短視頻都有這么大。但是，在1992年，這是一個(gè)令人望而生畏的數(shù)字。所以，我和同班同學(xué)泰德·邦恩（Ted Bunn）暗中打起了小算盤。我們系的馬克·戴維斯（Marc Davis）教授有一臺叫作“魔豆”（magicbean）的計(jì)算機(jī)，擁有32MB內(nèi)存。在無人注意的凌晨，我常常偷偷摸摸地登錄這臺計(jì)算機(jī)，讓它分析我們的數(shù)據(jù)。幾個(gè)星期的秘密行動后，我們終于發(fā)表了一篇論文，里面包含著當(dāng)時(shí)對頻譜曲線形狀最精確的測算。

這段經(jīng)歷讓我意識到，正如望遠(yuǎn)鏡改變了天文學(xué)一樣，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展也將讓天文學(xué)發(fā)生翻天覆地的變化，并跨上一個(gè)新臺階?，F(xiàn)在，你使用的計(jì)算機(jī)性能已非常強(qiáng)大，可以在幾分鐘內(nèi)完成我和泰德用戴維斯教授的計(jì)算機(jī)算了幾個(gè)星期的程序。看到那么多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家為了收集宇宙的數(shù)據(jù)而鞠躬盡瘁，我感覺我們欠他們很多，于是決定幫助他們處理數(shù)據(jù)，就像擠牛奶一樣，直到擠完數(shù)據(jù)中的最后一滴精華。接下來的10年中，這成了我的主要工作。

我最著迷的一件事是如何更好地繪制頻譜圖。有的方法速度很快，但是不太精確，并且存在一些其他問題。后來，我的好友安德魯·漢密爾頓找到了一種理想的方法，但卻需要超大量的計(jì)算，運(yùn)算量相當(dāng)于天圖像素?cái)?shù)的6次冪。也就是說，用這種方法測算COBE衛(wèi)星天圖的頻譜，需要的時(shí)間比宇宙的年齡還長。

1996年11月21日，新澤西州的普林斯頓高等研究院里顯得安靜又黑暗。在這兒的辦公室里，我在咖啡的陪伴下又度過了一個(gè)瘋狂的夜晚。我為自己的一個(gè)新想法而感到興奮，因?yàn)檫@將把漢密爾頓方法中的6次冪降低到3次冪，這樣，我就可以在一小時(shí)內(nèi)算出COBE衛(wèi)星最精確的頻譜。當(dāng)時(shí)，我正在手忙腳亂地完成次日會議的一篇論文。在物理學(xué)界，一旦我們完成一篇論文，就會立刻把它上傳到一個(gè)免費(fèi)網(wǎng)站http：//arXiv.org/上，這樣我們的同行就能盡早地讀到它們，以免在審稿和出版過程中陷入泥淖。對此，我有一個(gè)壞習(xí)慣——在我寫完論文的前一天上傳，時(shí)間點(diǎn)選在那天上傳的最后期限剛剛結(jié)束之后。這樣，我的論文就會成為第二天的論文列表中的第一個(gè)。但這有一個(gè)壞處，如果我沒有在24小時(shí)內(nèi)寫完論文，我就會因上傳一篇沒有寫完的草稿而在全世界的同行面前丟盡老臉，成為愚蠢的紀(jì)念碑。

這一次，我的策略終于“后院起火”。我打算在凌晨4點(diǎn)左右上傳完整的論文，然而，歐洲那邊“早起的鳥兒們已經(jīng)開始吃蟲子了”，他們看到的是尚未完成、一團(tuán)亂麻的討論。在第二天的會議上，我的好友勞埃德·諾克斯（Lloyd Knox）遞交了一篇論文，描述了一種和我差不多的方法，這是他和安德魯·杰菲（Andrew Jaffe）、迪克·邦德在多倫多得出來的成果，但還沒有寫完發(fā)表。當(dāng)我宣布我的結(jié)果時(shí)，勞埃德微笑著對迪克說：“泰格馬克真是小快手！”結(jié)果證明，我們的方法相當(dāng)有用。從那時(shí)起，幾乎所有的微波背景頻譜都采用這種方法來測算。有趣的是，我和諾克斯循著兩條幾乎完全相同的平行線在生活——我們在同一時(shí)間想到了同一個(gè)點(diǎn)子（實(shí)際上，他比我更早想到一個(gè)很酷的方程，可以用來處理微波背景天圖的噪聲），我們同時(shí)有了兩個(gè)兒子，我們甚至在同一時(shí)間離了婚。

山中寶藏

隨著實(shí)驗(yàn)方法、計(jì)算機(jī)和研究方法的進(jìn)步，圖3-2中頻譜的測算方法逐步優(yōu)化。正如圖中所示，這些曲線的形狀看起來有點(diǎn)像起伏的群山，有著一系列明顯的波峰。如果你測量了許多大丹犬、獅子狗和吉娃娃的大小，并在坐標(biāo)系中標(biāo)出它們大小的分布情況，那你會得到三個(gè)峰值。同樣的道理，如果你測量圖2-4中的宇宙微波背景斑點(diǎn)，并標(biāo)出它們大小的分布情況，你會發(fā)現(xiàn)，其中有幾種特別的尺寸十分常見。圖3-2中最突出的峰值對應(yīng)著角距離約為1°的斑點(diǎn)。這是為什么呢？原來，這些斑點(diǎn)是由聲波所引起的。這些聲波在宇宙等離子體中以接近光速的速度橫沖直撞。由于宇宙等離子體存在于大爆炸后40萬年，這些斑點(diǎn)的大小也擴(kuò)大到大約40萬光年。40萬光年的斑點(diǎn)在140億年后將在天空中覆蓋多大的角距離呢？如果你計(jì)算一下，得到的結(jié)果就是大約1°。除非，空間是彎曲的……

正如我們在第1章中討論的那樣，均勻的三維空間并不只有一種。除了我們在中學(xué)所學(xué)的平滑的歐幾里得幾何學(xué)之外，還有一些彎曲的空間，其中的角度遵循著截然不同的公理。

●中學(xué)時(shí)，老師告訴我們，在一張平坦的紙面上，三角形的內(nèi)角和等于180°。

●如果你把三角形畫在橙子彎曲的表面上，它的內(nèi)角和加起來將超過180°。

●如果你把它畫在一個(gè)馬鞍上，它的內(nèi)角和會小于180°（見圖1-7）。

同樣地，如果我們的物理空間彎曲得像一個(gè)球面，那么微波背景斑點(diǎn)所覆蓋的角距離就會超過1°，使得頻譜曲線的峰值向左移動全角；如果空間像馬鞍一樣彎曲，那這些斑點(diǎn)的角距離就會小于1°，使得頻譜曲線的峰值向右移動。

在我看來，愛因斯坦的引力理論中最令人傾心的理念就是，幾何并不只是數(shù)學(xué)的，也是物理的。尤其是，愛因斯坦的方程告訴我們，空間中包含的物質(zhì)越多，彎曲得就越厲害。在這種彎曲的空間中，物體并不是沿直線運(yùn)動，而是彎向有質(zhì)量的物體——以一種幾何的方式解釋了萬有引力。這開啟了一種測量我們宇宙的全新方式——只需要測量一下宇宙微波背景頻譜曲線中的第一個(gè)峰值！如果峰值的位置表明宇宙是平的，那根據(jù)愛因斯坦的方程，宇宙的平均密度就是10^-26kg/m³，相當(dāng)于每個(gè)地球大小的體積內(nèi)包含10毫克物質(zhì)，或者每立方米包含6個(gè)氫原子。如果第一個(gè)峰值非?？孔螅芏染蜁兇?，反之亦然。面對暗物質(zhì)和暗能量所帶來的困惑，測算宇宙的密度變得異常重要，所以，全世界各地的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)都在爭先恐后地測算第一個(gè)峰值的位置。它也被認(rèn)為是最容易測算的一個(gè)峰值，因?yàn)闇y量大斑點(diǎn)肯定比測量小斑點(diǎn)容易。

1996年，萊曼·佩奇的學(xué)生巴斯·尼特菲爾德（Barth Netterfield）利用薩斯卡通的數(shù)據(jù)率先發(fā)表了一篇論文，讓我第一次得以窺見這個(gè)飽受關(guān)注的峰值?？吹竭@篇論文，我在心里歡呼了一聲，忍不住放下滿勺子的麥片，開始認(rèn)真讀起來。我的大腦告訴我，這個(gè)頻譜峰值背后的理論非常優(yōu)雅，但我內(nèi)心卻感到，人類的推演不可能做好這件事。3年后，萊曼·佩奇的另一位學(xué)生安伯·米勒（Amber Miller）又帶頭發(fā)表了一篇論文，對第一個(gè)峰值進(jìn)行了更精確的測算，發(fā)現(xiàn)它的位置大概對應(yīng)一個(gè)平坦的宇宙。但我依然不太敢相信這是真的。到了2000年4月，我終于接受了這一點(diǎn)。一個(gè)名為“飛去來器”的微波望遠(yuǎn)鏡，懸掛于一個(gè)足球場那么大的高空氣球下面，在南極上空環(huán)航了11天，終于得到了當(dāng)時(shí)最精確的頻譜數(shù)據(jù)。其中的第一個(gè)峰值堪稱完美，剛好處于平坦宇宙的位置。于是，我們終于知道了宇宙的空間平均密度。

“遠(yuǎn)浮于世煙云外”的暗能量

如果把宇宙中的物質(zhì)納入考慮，這個(gè)測量結(jié)果就顯得十分有趣了。根據(jù)圖3-3中第一個(gè)峰值的位置，我們知道了宇宙的總量，它就好像一個(gè)“總預(yù)算”。我們也知道普通物質(zhì)的密度，并通過測量宇宙聚集成團(tuán)的引力效應(yīng)了解了暗物質(zhì)的密度。然而，普通物質(zhì)和暗物質(zhì)的總量加起來卻只有“總預(yù)算”的32%，那剩下的68%是什么呢？一定是某種特殊的、不會聚集成團(tuán)的東西，我們把它稱為“暗能量”。

   

圖3-3　宇宙的“總預(yù)算”。宇宙微波背景頻譜峰值的水平位置告訴我們，宇宙空間是平坦的，宇宙的平均密度大約是水的密度的1/10³⁰。峰值的高度告訴我們，宇宙有32%是由普通物質(zhì)和暗物質(zhì)組成，所以剩下的68%一定由其他東西組成，這就是暗能量。

下面我來請出一位重磅嘉賓——超新星。關(guān)于宇宙膨脹（而非聚集）的眾多獨(dú)立證據(jù)向我們證明，暗能量所占的比例不多不少，正好是68%。之前我們曾談到，科學(xué)家用造父變星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”來測量宇宙中的距離，現(xiàn)在，我們宇宙學(xué)家的工具箱中多了一個(gè)更加明亮的標(biāo)準(zhǔn)燭光，它在幾百萬光年，甚至數(shù)十億光年外也清晰可見。這就是宇宙中的超級大爆發(fā)——Ia型超新星，它們在幾秒內(nèi)釋放出的能量甚至超過了10億億個(gè)太陽。

還記得《小星星》這首歌嗎？當(dāng)簡·泰勒（Jane Taylor）寫下歌詞“遠(yuǎn)浮于世煙云外，似若鉆石夜空明”（Up above the world so high, Like a diamond in the sky）時(shí)，她并不知道自己是多么有預(yù)見性——再過50億年，當(dāng)我們的太陽走到生命的盡頭，它會變成一顆白矮星，那是一個(gè)主要由碳元素組成的巨球，就像鉆石一樣。今天，我們的宇宙中充滿了白矮星，它們都是古老恒星的遺物。其中許多白矮星的重量都還在持續(xù)增加，因?yàn)樗鼈冋峭袒⒀实貜陌樾悄抢镂怏w。當(dāng)超重時(shí)（達(dá)到1.4倍太陽質(zhì)量），它們就會突發(fā)恒星版的“心臟病”——變得極其不穩(wěn)定，并發(fā)生超大規(guī)模的熱核爆炸，這就是Ia型超新星。由于這些宇宙炸彈都擁有相同的質(zhì)量，所以，它們的能量也幾乎一樣強(qiáng)大。

此外，人們還發(fā)現(xiàn)，每顆Ia型超新星爆炸的能量有著輕微的差別，這些差別與爆炸的光譜以及明暗變化的速度相關(guān)，而這些因素都可以被測量。這樣，Ia型超新星就變成了天文學(xué)家手中精密的標(biāo)準(zhǔn)燭光。

索爾·佩爾穆特（Saul Perlmutter）、亞當(dāng)·里斯（Adan Riess）、布萊恩·施密特（Brain Schmidt）、羅伯特·科什納（Robert Kirshner）等人運(yùn)用這種技術(shù)，精確地測量出了大量Ia型超新星之間的距離，并根據(jù)紅移計(jì)算出了它們的退行速度。根據(jù)這些計(jì)算結(jié)果，他們重構(gòu)出當(dāng)時(shí)最精密的宇宙膨脹模型，揭示出宇宙在過去不同的時(shí)間段里不同的膨脹速度。1998年，他們宣布了一個(gè)令人驚訝的結(jié)論，并最終獲得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，即宇宙在最初的70億年里都在減速膨脹，但是從那之后，宇宙竟然開始加速膨脹！如果你向空中拋出一塊石頭，地球的萬有引力會降低它遠(yuǎn)離地球的速度，然而宇宙加速膨脹卻揭示出一種奇怪的“引力”，它并非吸引，而是相斥。下一章我將進(jìn)一步探討，愛因斯坦的引力理論預(yù)測到暗能量正好擁有這種反引力的作用。超新星的研究團(tuán)隊(duì)們發(fā)現(xiàn)，68%這個(gè)比例正好能和他們的觀測結(jié)果完美地吻合。

喜憂參半

對我來說，當(dāng)科學(xué)家最好玩的事情就是可以和很酷的人合作。與我合作論文最多的是一個(gè)友善的阿根廷人，名叫馬蒂亞斯·扎爾達(dá)瑞亞（Matias Zaldarriaga）。我和前妻私下里給他起了個(gè)昵稱叫“偉大的扎爾達(dá)”（Great Zalda），并一致認(rèn)同，他的幽默感甚至超越了他的科學(xué)天賦。如果要預(yù)測圖3-2中的頻譜曲線，就必須用到他參與編寫的計(jì)算機(jī)程序。有一次，馬蒂亞斯還跟人賭一張去阿根廷的機(jī)票，只因有人說他的預(yù)測是錯(cuò)誤的、根本沒有什么峰值。

為了給“飛去來器”團(tuán)隊(duì)的結(jié)果做準(zhǔn)備，我們加快了計(jì)算速度，并構(gòu)建了一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫，裝滿了用來同觀測進(jìn)行對比的模型。當(dāng)“飛去來器”團(tuán)隊(duì)公開數(shù)據(jù)時(shí)，我再一次向http：//arXiv.org/網(wǎng)站上傳了一篇沒寫完的論文，接著，我們興高采烈、夜以繼日地工作，爭取能在星期日晚上之前完成它。普通物質(zhì)（也就是原子）聚集形成的物體能被暗物質(zhì)毫發(fā)無傷地穿過去，所以二者在宇宙空間中的運(yùn)動方式是不一樣的。這意味著，普通物質(zhì)和暗物質(zhì)影響宇宙聚集成團(tuán)和宇宙微波背景頻譜曲線（見圖3-2）的方式也截然不同。具體地說，在宇宙“總預(yù)算”中增加原子的數(shù)量，會降低頻譜中的第二個(gè)峰值?！帮w去來器”團(tuán)隊(duì)的頻譜曲線中，第二個(gè)峰值非常微弱，我和馬蒂亞斯發(fā)現(xiàn)，這需要宇宙中包含至少6%的普通物質(zhì)才會有這樣的結(jié)果。但是，第2章中提到的宇宙核聚變反應(yīng)堆——也就是太初核合成只有在原子只占5%的情況下才起效果，所以，一定有哪里出錯(cuò)了！

當(dāng)時(shí)，我將要在阿爾伯克基市（Albuquerque）進(jìn)行演講，我在那里度過了難忘的幾天。我很振奮，因?yàn)槲覍延钪嫘孤督o我們的全新線索告訴聽眾。手忙腳亂中，我和馬蒂亞斯差點(diǎn)錯(cuò)過上傳論文的截止時(shí)間，但我們還是比“飛去來器”團(tuán)隊(duì)的分析論文早了一步。他們很不幸地被一臺老舊的計(jì)算機(jī)給拖累了，只因?yàn)檎撐闹幸粋€(gè)圖名長出了一個(gè)單詞。

交叉球棍在冰球比賽中可不是什么好事，但交叉檢驗(yàn)對科學(xué)卻大有裨益，因?yàn)樗梢宰岆[藏的錯(cuò)誤無處遁形?！帮w去來器”讓宇宙學(xué)家們得以有機(jī)會對宇宙“總預(yù)算”進(jìn)行兩次交叉檢驗(yàn)：

●我們用兩種不同的方法測算了暗能量的比率（分別是Ia型超新星和宇宙微波背景頻譜峰值），結(jié)果都是一樣的。

●我們用兩種不同的方法測算了普通物質(zhì)的比率（分別是太初核合成和宇宙微波背景頻譜峰值），結(jié)果卻不一樣。所以，這兩種方法中，至少有一個(gè)是錯(cuò)誤的。

三位圣誕老人的禮物

一年后，在華盛頓特區(qū)的一場富麗堂皇的新聞發(fā)布會現(xiàn)場，我的屁股簡直像粘在了椅子上，感覺就像圣誕老人來臨了三次。第一個(gè)“圣誕老人”是天文學(xué)家約翰·卡爾斯特姆（John Carlstrom），他宣布了自己用南極的DASI微波望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的結(jié)果。他先講了一段冗長的技術(shù)細(xì)節(jié)，這些我都已經(jīng)知道了。接著，他公布了一張頻譜曲線圖，這是我當(dāng)時(shí)見過的最驚艷的一張！

接下來，“圣誕老人二號”出現(xiàn)了，他是來自“飛去來器”團(tuán)隊(duì)的約翰·魯爾（John Ruhl）。他和卡爾斯特姆一樣，也先講了一段冗長的話。接著，又是一張令人吃驚的頻譜圖，包含三個(gè)峰值，和DASI的圖像完美地吻合。這一次，曾經(jīng)羸弱的第二峰值變大了，因?yàn)樗麄兏倪M(jìn)了望遠(yuǎn)鏡的建模系統(tǒng)。

最后，“圣誕老人三號”保羅·理查茲（Paul Richards）公布了氣球?qū)嶒?yàn)MAXIMA的結(jié)果，與前兩個(gè)結(jié)果相當(dāng)一致。我簡直驚呆了。這么多年里，我一直夢想著能夠從微波背景中得到那些神出鬼沒的線索，現(xiàn)在它們就近在眼前！宇宙只有幾十萬年歷史時(shí)發(fā)生的事，像畫卷一般徐徐展開在人們面前——人類想破解這個(gè)秘密，曾經(jīng)聽起來是多么傲慢，但現(xiàn)在它真的發(fā)生了！

那天晚上，我趕緊用這些新數(shù)據(jù)重新運(yùn)行了我的模型擬合軟件，第二個(gè)峰值真的變高了，我的代碼預(yù)測出原子的比率為5%，與太初核合成完美吻合。原子的交叉檢驗(yàn)終于從失敗的深淵爬上了勝利的頂峰，宇宙終于重新恢復(fù)了秩序，并一直保持著——到現(xiàn)在，WMAP探測器、普朗克衛(wèi)星等對頻譜曲線又進(jìn)行了更精確的測量（見圖3-2），我們能從中看到，原來那些早期的實(shí)驗(yàn)一直都是正確的。

到2003年，宇宙微波背景輻射大概是宇宙學(xué)領(lǐng)域最成功的故事。它成了一劑靈丹妙藥，仿佛可以解決所有問題，讓我們能測量出宇宙學(xué)模型中的所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)。但這種看法是錯(cuò)誤的。假設(shè)我的體重是90公斤，光靠這個(gè)信息顯然不足以讓你得知我的身高和胖瘦，因?yàn)檫@兩者都是體重的決定因素——我可能又高又瘦，或者又矮又胖。我們在測算宇宙其他的重要數(shù)據(jù)時(shí)，也會遇到類似的問題。比如，那些特殊的宇宙微波背景斑點(diǎn)的大小與圖3-2中頻譜峰值的位置相對應(yīng)，這些斑點(diǎn)的大小取決于兩個(gè)因素——空間曲率和暗能量密度，前者會放大或縮小斑點(diǎn)，后者會影響宇宙膨脹的速度，從而影響斑點(diǎn)所在的等離子體與我們之間的距離，也就能影響它們看起來的大小。

所以，盡管許多記者聲稱“飛去來器”團(tuán)隊(duì)和WMAP項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)都表明我們的宇宙空間是平坦的，但事實(shí)可能并非如此——如果暗能量的占比約為70%，宇宙就是平坦的；但如果暗能量的占比不是70%，空間就是彎曲的。除此之外，還有一些參數(shù)對無法從微波背景的數(shù)據(jù)中提取出來，比如早期宇宙中的聚團(tuán)程度和第一批恒星形成的時(shí)間，這兩個(gè)數(shù)據(jù)都會以相似的方式影響圖3-2中的頻譜曲線（都會改變峰值高度）。我們在中學(xué)課堂上就已經(jīng)學(xué)到，要算出兩個(gè)未知數(shù)，至少要有兩個(gè)方程。在宇宙學(xué)中，我們希望確定7個(gè)未知數(shù)，但僅靠微波背景，不足以提供那么多信息。所以，我們還需要更多的宇宙測量數(shù)據(jù)，比如一個(gè)三維的星系圖。

星系紅移巡天

在繪制三維的星系圖之前，我們首先需要分析二維的天圖，從中發(fā)現(xiàn)星系的影蹤，接下來再測量它們各自的距離。迄今為止最雄心勃勃的三維星系圖計(jì)劃是“斯隆數(shù)字化巡天”（Sloan Digital Sky Survey, SDSS）。我在普林斯頓大學(xué)做博士后時(shí)，有幸參與到了這個(gè)項(xiàng)目中。在此之前，已有一小撥人為籌劃這個(gè)項(xiàng)目而工作了將近10年的時(shí)間。他們搭建了望遠(yuǎn)鏡的硬件設(shè)施，讓一切走上正軌。這個(gè)定制的2.5米望遠(yuǎn)鏡位于新墨西哥州，它花了十幾年的時(shí)間掃描了超過1/3的天空，繪制了一幅二維的天圖（見圖3-4）。吉姆·岡恩（Jim Gunn）是普林斯頓大學(xué)的一名教授，他總讓我想起長著大胡子的友善巫師。他施展自己的魔力，為這個(gè)望遠(yuǎn)鏡造了一臺神奇的數(shù)碼相機(jī)，這是當(dāng)時(shí)天文學(xué)領(lǐng)域最大的照相機(jī)。

   

圖3-4　SDSS計(jì)劃中包含著超巨量的信息。左圖中的球體代表整個(gè)天空，其中包含大約1萬億像素，是100萬像素的100萬倍。你可以把鏡頭拉近，就像第二張圖片一樣，聚焦在北斗七星之后的一個(gè)旋渦星系。在SDSS的天圖中，每個(gè)地方都可以這樣拉近，讓你仔細(xì)查看。（圖片來源：麥克·布爾頓[Mike Blanton]、大衛(wèi)·霍格[David Hogg]/SDSS）

如果仔細(xì)觀察SDSS的天圖（見圖3-5），你將會發(fā)現(xiàn)數(shù)不清的恒星和星系等物體——實(shí)際上，大約超過5億個(gè)。這個(gè)數(shù)字非常龐大，如果你讓一個(gè)研究生把這些物體一個(gè)個(gè)找出來，假設(shè)他的速度為每秒一個(gè)，每天不休息地工作8小時(shí)，一周工作7天，沒有周末和節(jié)假日，那也得等上50年。即便對計(jì)算機(jī)來說，這個(gè)任務(wù)也陷阱重重——它需要區(qū)分出星系（看起來真的很模糊）、恒星（如果沒有大氣層干擾，看起來就是一個(gè)針尖似的亮點(diǎn)）、彗星、衛(wèi)星和各種人造物體。更糟糕的是，這些物體經(jīng)常相互重疊在一起，比如，一顆較近的恒星擋在了一個(gè)遙遠(yuǎn)星系的前面。很多人為這個(gè)問題傷透了腦筋，花費(fèi)了很多年的時(shí)間。最終，這個(gè)問題被一個(gè)英雄般的程序解決了。寫這個(gè)程序的人叫羅伯特·盧普頓（Robert Lupton），是一個(gè)活潑可愛的英國人，他在電子郵件里用“好人羅伯特·盧普頓”作為自己的簽名，并且不愛穿鞋，總喜歡光著腳走來走去。

   

圖3-5　普林斯頓大學(xué)天文學(xué)系里，有一整面墻都用SDSS的一小塊天圖來裝飾。第二張照片里，盧普頓正在和我的兒子們一起仔細(xì)觀察這張?zhí)靾D。盧普頓的軟件辨識出天圖中所有物體之后，我們已經(jīng)測出了大部分有趣的星系與地球之間的距離，創(chuàng)建了一個(gè)三維的天圖（左圖）。這個(gè)天圖中，地球位于中心，每個(gè)點(diǎn)都代表一個(gè)星系?！八孤￠L城”（Sloan Great Wall）位于圖中從上往下約1/3的地方。

下一步工作，就是測出每個(gè)星系的距離了。在第2章，我們介紹了埃德溫·哈勃的定律v=Hd，這意味著宇宙在膨脹，并且星系的距離d越大，它遠(yuǎn)離我們的速度v就越快。如今，哈勃定律已經(jīng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，我們可以把它反著算，先用星系光譜線呈現(xiàn)出的紅移測出它的退行速度v，再用v來計(jì)算星系的距離d。從根本上說，在天文學(xué)里，測量紅移和速度比測量距離要簡單得多，所以哈勃定律可以為我們節(jié)省大量的工作——我們只需要先用較近的星系測出哈勃常數(shù)H，然后測出遙遠(yuǎn)星系的紅移譜線，得出速度v，再除以H，就可以得到一個(gè)八九不離十的距離d了。

盧普頓的軟件解決了物體分類的問題，接下來我們測量了100萬個(gè)星系的光譜。在哈勃的年代，他發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹用了24個(gè)星系的光譜，而這24個(gè)光譜花了好幾個(gè)星期的時(shí)間才獲得。相比之下，SDSS簡直可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)——每小時(shí)能生成640個(gè)光譜，并同時(shí)進(jìn)行測算。它的訣竅就是將640根光纖排布于望遠(yuǎn)鏡的焦面上，置于盧普頓的軟件認(rèn)定有星系的地方，用這些光纖將星系的光線導(dǎo)入光譜儀，光譜儀再將數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖像分解成640個(gè)單獨(dú)的彩虹。大衛(wèi)·施萊格爾（David Schlegel）等人開發(fā)了另一個(gè)軟件包，用來分析這些彩虹，并根據(jù)光譜的紅移程度計(jì)算出它們的距離以及星系的其他性質(zhì)。

在圖3-5左圖中，我切下了一片宇宙的三維天圖，其中的每個(gè)亮點(diǎn)代表一個(gè)星系。每當(dāng)我想遠(yuǎn)離塵世時(shí)，就會用一個(gè)三維的宇宙飛行模擬器在其中飛來飛去，穿行在星系間。這種經(jīng)歷展示了一個(gè)壯美的事實(shí)：我們是某種更龐大的造物的一部分——這不僅僅是在說地球是太陽系的一部分、太陽系是銀河系的一部分。事實(shí)上，我們的銀河系也只是一張巨網(wǎng)的一小部分，而這張巨網(wǎng)由星系群、星系團(tuán)、超星系團(tuán)以及龐大的絲狀結(jié)構(gòu)編織而成。當(dāng)我凝視著SDSS天圖時(shí)，我注意到了一個(gè)明顯的結(jié)構(gòu)，它的尺度是如此震懾人心，簡直讓我目瞪口呆，懷疑自己的程序出錯(cuò)了。這個(gè)結(jié)構(gòu)后來被稱為“斯隆長城”（見圖3-5左圖）。它的出現(xiàn)絕對不是錯(cuò)誤，而是真實(shí)的存在。我的一些同事也注意到了它的存在。它的長度有140億光年，是我們的宇宙中目前已知的最大結(jié)構(gòu)。這些大尺度團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，是宇宙學(xué)的寶藏，包含著許多價(jià)值連城的信息，而這正是宇宙微波背景所缺少的。

從被嘲笑的宇宙學(xué)到精密宇宙學(xué)

這些星系分布的模式，對應(yīng)著宇宙微波背景天圖中所呈現(xiàn)的模式——只不過晚了億萬年，同時(shí)被引力所放大了。假如一個(gè)區(qū)域的氣體密度比周圍大0.001%，那它可能在WMAP探測器天圖（見圖2-4）中形成一個(gè)斑點(diǎn)，而到了今天，此處可能就聚集著幾百個(gè)星系。從這個(gè)意義上說，我們可以把宇宙微波背景起伏看作宇宙的DNA，它是一個(gè)藍(lán)圖，決定著宇宙將變成什么樣。將宇宙微波背景中過去的微弱聚集與三維星系圖中現(xiàn)在的明顯團(tuán)簇進(jìn)行對比，我們就能測量出那些用引力促成這些聚集的物質(zhì)具有什么性質(zhì)。

我們之前提到，宇宙微波背景中的聚集可以用頻譜曲線（見圖2-2）來表示，星系的聚集也同樣可以。然而，要精確地繪出這條曲線卻十分困難——我花了整整6年的時(shí)間來完成SDSS的星系頻譜曲線（見圖2-6），這還沒有算上其他同行給予我的大量幫助。這是我這一生最筋疲力盡的項(xiàng)目。一次又一次，我對自己說：“感謝上帝，我就要做完了，因?yàn)槲以僖彩懿涣肆耍　比欢?，一次又一次，我又會在分析中發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的大問題。

為什么這個(gè)任務(wù)如此之難，竟難于上青天？其實(shí)，如果我們知道每個(gè)星系的準(zhǔn)確位置，同時(shí)擁有一臺無限強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來分析它們，那這件事其實(shí)相當(dāng)容易。但是在實(shí)踐中，因?yàn)楦鞣N各樣的原因，許多星系都不為我們所見，即使是我們能看見的星系，有一些距離和亮度也與我們認(rèn)為的不一樣。如果我們忽略這些事實(shí)，就無法繪制出準(zhǔn)確的頻譜曲線，從中得出的結(jié)論也將錯(cuò)漏百出。

   

圖3-6　宇宙中物質(zhì)的聚集情況可以用這個(gè)頻譜曲線來表示。橫坐標(biāo)10億光年處對應(yīng)的曲線值大致等于10%，意思是說，當(dāng)你測量宇宙中半徑為10億光年的球形空間內(nèi)的質(zhì)量時(shí)，你測得的結(jié)果會根據(jù)這個(gè)球形空間在宇宙中的不同位置而變化，變動區(qū)間為10%。和我剛開始工作時(shí)不同，現(xiàn)在有了高度精確的測量結(jié)果，并且它們都符合理論預(yù)測。上圖中，你可以看到，5個(gè)不同實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果都相互吻合，盡管它們的數(shù)據(jù)、團(tuán)隊(duì)和方法大相徑庭。在我看來，這是一件非常了不起的事情。

最早的三維星系圖實(shí)在太小了，沒辦法進(jìn)行分析。我的同事邁克爾·福格勒（Michael Vogeley）曾經(jīng)給了我一張圖，其中匯集了到1996年為止最全面的測量結(jié)果。我問他為什么不在其中加上誤差棒來標(biāo)注測量的不確定度，他說：“因?yàn)槲也幌嘈潘鼈??！彼膽岩蓱B(tài)度事出有因：有些團(tuán)隊(duì)聲稱自己比其他團(tuán)隊(duì)強(qiáng)大10倍，所以，他們不可能都是對的。

全世界各地的研究團(tuán)隊(duì)逐漸繪制出更大的三維星系圖，并把它們共享到互聯(lián)網(wǎng)上。我覺得，既然這么多人花了這么多心思在繪制天圖上，那必須有人來好好分析這些數(shù)據(jù)，才對得起他們。所以，我和朋友安德魯·漢密爾頓組建了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，采用我們在分析宇宙微波時(shí)所用的信息論方法來測算星系頻譜圖，幫他們添磚加瓦。

安德魯是英國人，他是個(gè)不可救藥的開心果，臉上總掛著淘氣的微笑，他也是我最喜歡的合作者之一。有一次，我、安德魯、韋恩·胡（Wayne Hu）和新剃了光頭的大衛(wèi)·霍格（David Hogg）約在一個(gè)餐廳見面。我遲到了，于是詢問女服務(wù)員有沒有看見三個(gè)人，分別長得像演員羅伯特·雷德福（Robert Redford）、李小龍和偵探科杰克（Kojak），她想了想，笑著說：“羅伯特·雷德福在那邊……”

我和安德魯分析了各種各樣的三維天圖，它們的尺度日漸增大，并且都有著令人費(fèi)解的名字，比如IRAS、PSCz、UZC和2dF，分別包含有5 000、1.5萬、2萬和10萬個(gè)星系。安德魯住在科羅拉多州，我們通過電子郵件和電話討論了無數(shù)次關(guān)于頻譜測算中的艱難之處。我們還在阿爾卑斯山和落基山脈一起遠(yuǎn)足，期間探討的話題也都離不開這個(gè)。

SDSS以全數(shù)字化成像和細(xì)致的質(zhì)量控制為基礎(chǔ)，繪制出了最大、最清晰的天圖，所以我認(rèn)為它完全值得用最小心翼翼的態(tài)度來分析。由于擔(dān)心成為薄弱環(huán)節(jié)，我花了很多年的時(shí)間來處理許多被不少人認(rèn)為是最無聊的事情。這個(gè)項(xiàng)目的推動者之一吉爾·克納普教授（Jill Knapp），是吉姆·岡恩的妻子，她每周都會在普林斯頓大學(xué)召開例會。每到那時(shí)，她就會用很多好吃的食物來招待我們，與此同時(shí)，我們在分析室里努力辨認(rèn)所有構(gòu)架，試圖找出處理它們的方法。比如，某一個(gè)特定的方向上能繪制出多少星系取決于很多因素，例如，拍攝那天的天氣如何，有多少星際塵埃擋在中間，光纖擋住的可見星系所占的比例等。老實(shí)說，這些事真的很枯燥，但我從許多人那里獲得了極大的幫助，尤其是邁克爾·斯特勞斯教授（Michael Strauss）和他當(dāng)時(shí)的研究生麥克·布蘭頓（Mike Blanton）。與此同時(shí)，我還常需要讓計(jì)算機(jī)花幾星期時(shí)間，無窮無盡地循環(huán)計(jì)算多達(dá)幾個(gè)太字節(jié)的矩陣數(shù)表，還要時(shí)刻盯著算出來的混亂圖形，調(diào)試代碼，并一遍又一遍地重試。

就這樣過了6年，2003年，我終于提交了兩篇論文，每一篇的共同作者都超過了60人。我的一生中，從未有過這樣如釋重負(fù)的感覺——也許寫這本書除外。第一篇論文考量了圖3-6中的星系頻譜圖，第二篇?jiǎng)t將其與微波背景頻譜圖結(jié)合起來，從中得出一些宇宙參數(shù)的度量值。我將一些重點(diǎn)列在了表3-1中；在此我更新了數(shù)據(jù)，采用了其他人的最新成果，然而，盡管不確定性在下降，但數(shù)值并沒有太大變化。（表3-1顯示，將宇宙微波背景天圖與三維星系天圖結(jié)合起來，我們能測算出一些關(guān)鍵的宇宙參數(shù)，誤差率僅在幾個(gè)百分點(diǎn)。）在我上研究生時(shí)，人們?yōu)橛钪婺挲g是100億年還是200億年而爭論得不可開交，對此我到現(xiàn)在還記憶猶新。而現(xiàn)在，我們爭論的焦點(diǎn)已經(jīng)變成了宇宙年齡究竟是137億年還是138億年！精密宇宙學(xué)的時(shí)代終于來臨了，我因自己能參與其中小小的一部分而感到興奮和榮幸。

表3-1　對一些關(guān)鍵宇宙參數(shù)的測算值及誤差率

對我個(gè)人來說，幸運(yùn)女神也隨之降臨——2004年秋天，我因MIT的終身教職而接受了評估。我被告知，要想獲得這個(gè)職位，我需要“一個(gè)全壘打或者幾個(gè)二壘安打”。正如音樂家們需要有一張作品的銷售前十排行榜一樣，我們科學(xué)家也需要類似的東西——引用列表。每次有人引用你的論文，就好像在你的帽子上添了一根羽毛。引用這檔子事兒有時(shí)候很隨機(jī)，也很愚蠢，人都有從眾的傾向，因?yàn)橐恍卸璧淖髡邥苯映u別人的引文，根本連讀都不讀一下原文。但是晉升委員會還是會把引用率納入考量，就像棒球教練會考慮擊球率一樣。就在我祈禱好運(yùn)時(shí)，這兩篇論文突然間一躍成為我有史以來引用率最高的論文，其中一篇甚至一度飆升為2004年物理學(xué)界引用最多的論文——盡管占據(jù)榜首的時(shí)間并不長，但對終身教職來說已經(jīng)足夠了。我的好運(yùn)悄無聲息地持續(xù)著?！犊茖W(xué)》雜志決定將“2003年科學(xué)突破”之首頒發(fā)給宇宙學(xué)，因?yàn)橛钪鎸W(xué)終于變成了一門可以信賴的科學(xué)，并提到WMAP項(xiàng)目和SDSS的分析結(jié)果功不可沒。

平心而論，這些數(shù)據(jù)根本算不上什么突破，只是近年來全球宇宙學(xué)家共同推進(jìn)的一個(gè)緩慢而堅(jiān)定的進(jìn)步過程。我們的工作算不上具有革命性，也并沒有什么令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。相反，我們只是簡單地讓宇宙學(xué)變得更加可信，讓它成長為一種更成熟的科學(xué)。對我而言，最大的驚喜就是沒有驚喜。

蘇聯(lián)著名物理學(xué)家列夫·朗道曾說過：“宇宙學(xué)家經(jīng)常會犯錯(cuò)，但他們從不優(yōu)柔寡斷?！庇刑嗬涌梢宰C明這句話了——阿里斯塔克斯所聲稱的太陽距離比實(shí)際近8倍，哈勃聲稱的宇宙膨脹速度比實(shí)際快7倍。好在這種野蠻生長的狀態(tài)已經(jīng)結(jié)束了——我們看到了太初核合成和宇宙聚集對原子密度的各自預(yù)測完美吻合，Ia型超新星和宇宙聚集對暗能量密度的分別測算也相互印證。在這些交叉檢驗(yàn)中，我最喜歡的是圖3-6中展現(xiàn)的那個(gè)——圖中，我畫出了5個(gè)不同的測量結(jié)果所對應(yīng)的頻譜曲線，盡管它們各自使用的數(shù)據(jù)、測量團(tuán)隊(duì)、所使用的方法有著天壤之別，但你可以從圖中看到它們彼此是多么吻合。

還有很多未知區(qū)域

現(xiàn)在，我正坐在我的床上，手上敲著這些字，心里想著宇宙學(xué)的變遷史。當(dāng)我還在做博士后時(shí)，我們常常談?wù)?，如果能獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)并最終精確地算出宇宙參數(shù)的值，那將是一件多酷的事情。而現(xiàn)在，我們終于可以說：“我們做到了。”答案就在表3-1中。那么，下一步要做什么呢？宇宙學(xué)是否已走到盡頭？我們宇宙學(xué)家是不是該換工作了？

我的答案是：“不！”為了說明宇宙學(xué)里還有很多有趣的領(lǐng)域尚未被探索，讓我們擦亮眼睛看一看宇宙學(xué)家的成就有多么微不足道吧——我們只是將自己的無知參數(shù)化了而已，因?yàn)樵诒?-1中的每一個(gè)參數(shù)背后，都隱藏著無人知曉的奧秘。比如：

●我們已經(jīng)測出了暗物質(zhì)的密度，可是暗物質(zhì)到底是什么？

●我們已經(jīng)測出了暗能量的密度，可是暗能量到底是什么？

●我們已經(jīng)測出了原子的密度（1個(gè)原子對應(yīng)20億個(gè)光子），但是這個(gè)數(shù)量是怎么產(chǎn)生的？

●我們已經(jīng)測量了種子起伏的水平大約為0.002%，但是它們從何而來呢？

隨著數(shù)據(jù)越來越精確，我們將能越來越精確地測算表3-1中的數(shù)值，小數(shù)點(diǎn)后的位數(shù)也會越來越多。但是，比起把舊參數(shù)變得更精確，我更想用它們來測量新的參數(shù)。比如，我們可以嘗試著測量暗物質(zhì)和暗能量除密度之外的其他性質(zhì)。暗物質(zhì)有壓力嗎？有速度嗎？有溫度嗎？這將闡明它的本質(zhì)。暗能量的密度真如目前看起來的那樣絕對恒定嗎？如果我們能測量出暗能量隨時(shí)間發(fā)生著輕微的改變，或者在宇宙中不是絕對均勻分布的，這將是一個(gè)關(guān)鍵的線索，讓我們更能理解它的本質(zhì)，以及它將如何影響我們宇宙的未來。種子起伏除0.002%的振幅外，還有其他性質(zhì)和模式嗎？這將讓我們得以窺見宇宙的起源。

要如何解決這些問題，我真的想了很多很多，但有趣的是，它們的解決方案都一樣——繪制宇宙的地圖！特別是，我們應(yīng)該盡可能地用三維方法來繪制。目前，我們能繪制的最大范圍是光線能有足夠的時(shí)間到達(dá)地球的宇宙區(qū)域。從本質(zhì)上說，這個(gè)區(qū)域就是等離子體球（見圖3-7左圖）的內(nèi)部。我們已經(jīng)探索了等離子體球，但正如你在圖3-7中所看到的那樣，這個(gè)球內(nèi)部超過99.9%的區(qū)域都沒有被我們研究過。你還能看到，迄今為止最雄心勃勃的三維星系圖計(jì)劃——SDSS只覆蓋了一小塊地方，只能算宇宙的“后院”，我們的宇宙實(shí)在是太龐大了！如果我把天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的最遠(yuǎn)星系加到這張圖中，它們距離邊界還有一半的距離。所以，這張圖里的內(nèi)容還太少，距離一張有用的三維天圖，我們還有很長的路要走。

   

圖3-7　在我們的可觀測宇宙中（左圖），繪制了天圖的部分是如此之小（中圖），所占的比例還不到0.1%。正如1838年的澳大利亞（右圖），那時(shí)我們只沿著澳大利亞的輪廓描繪了一條細(xì)細(xì)的邊界，而內(nèi)部的絕大部分地區(qū)都是無人涉足過的處女地。在中圖里，圓圈附近的區(qū)域是等離子體（我們今天看到的宇宙微波背景輻射只是來自它暗淡的內(nèi)邊緣），而圓心部分那個(gè)嬌小玲瓏的小結(jié)構(gòu)，則是迄今為止最龐大的三維星系圖——SDSS天圖。

假如我們能用某種方法繪出那片處女地的地圖，這對宇宙學(xué)來說簡直太棒了。這不僅將讓我們掌握的宇宙學(xué)信息量翻上1 000倍，還會因?yàn)檫h(yuǎn)方等價(jià)于過去，而向我們揭開宇宙前半生的神秘面紗，窺見它年輕時(shí)發(fā)生的事。但是，用何種方法才能實(shí)現(xiàn)呢？我們討論過的所有技術(shù)都正在令人欣喜地飛速發(fā)展，但不幸的是，看起來沒有一個(gè)能在近期描繪出那99.9%的未知空間。宇宙微波背景實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的主要是這個(gè)區(qū)域的邊界，因?yàn)槠鋬?nèi)部對微波來說幾乎是完全透明的。在這樣極遠(yuǎn)的距離，大多數(shù)星系都非常暗淡，即使用我們最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡也難以望其項(xiàng)背。更不幸的是，如此遙遠(yuǎn)的區(qū)域包含的星系數(shù)量極其稀少——我們在那里看見的是如此久遠(yuǎn)的過去，那時(shí)候絕大部分星系都壓根兒還沒出現(xiàn)。

用氫氣來畫地圖

萬幸的是，還有一種繪圖的方法，甚至可能表現(xiàn)更佳。正如我們之前所講的，看起來空無一物的宇宙空間其實(shí)并不是空蕩蕩的——它充滿了氫氣。物理學(xué)家們早就知道，氫氣會發(fā)出波長為21厘米的射電波，可以被射電望遠(yuǎn)鏡所探測到。（曾經(jīng)，我的同學(xué)泰德·邦恩在加州大學(xué)伯克利分校教書時(shí)，一個(gè)學(xué)生問了他一個(gè)時(shí)下的經(jīng)典問題：“21厘米線的波長是什么呢？”）這意味著，從原則上講，我們能用射電望遠(yuǎn)鏡真的“看到”早在恒星和星系形成之前就遍及宇宙的氫元素，那時(shí)的它們對普通望遠(yuǎn)鏡都是隱形的。更棒的是，我們能用前文提到的紅移方法來繪制一張氫氣的三維天圖——由于這些射電波被宇宙膨脹拉長了，根據(jù)它們到達(dá)地球時(shí)的波長，我們就能得知它們來自多遠(yuǎn)的地方（也能知道它們來自多早之前的過去）。比如，我們測到一段射電波的波長為210厘米，那么它在路途中一定被拉伸了10倍，所以在它發(fā)射時(shí)，宇宙應(yīng)該是現(xiàn)在的1/10。這種技術(shù)被稱為“21厘米層析”（21-centimeter tomography）。由于它可能成為下一個(gè)宇宙學(xué)中的大贏家，所以它吸引了大量的關(guān)注。全世界很多科研團(tuán)隊(duì)正在你追我趕，希望能第一個(gè)成功探測到氫元素的信號，這些信號神出鬼沒，穿越半個(gè)宇宙才來到地球。然而，到現(xiàn)在為止，沒有人成功。

老實(shí)說，到底什么是望遠(yuǎn)鏡

為什么探測氫元素的信號如此之難？因?yàn)檫@些信號非常微弱。那么，要探測微弱的信號，需要什么東西呢？答案是，一個(gè)非常巨大的望遠(yuǎn)鏡。如果能占地一平方公里就好了。那么，要修建如此巨大的望遠(yuǎn)鏡，又需要什么東西呢？當(dāng)然是一筆巨額的預(yù)算。究竟需要多少預(yù)算？這個(gè)問題真的很有趣！對圖3-8背景里的那種傳統(tǒng)射電望遠(yuǎn)鏡來說，規(guī)模擴(kuò)大兩倍，則需要遠(yuǎn)超過兩倍的錢，所以超過一定尺寸后，這個(gè)預(yù)算就會變成天文數(shù)字。如果你叫一個(gè)做結(jié)構(gòu)工程師的朋友幫你建造一個(gè)口徑為一平方公里的望遠(yuǎn)鏡，還要配備上馬達(dá)，可以任意指向天空中的每個(gè)方向，那他一定再也不想和你做朋友了。

   

圖3-8　射電天文望遠(yuǎn)鏡的預(yù)算可以很大（背景的那種），也可以很?。ㄇ熬暗哪欠N）。圖中，我的研究生安迪·魯托米爾斯基（Andy Lutomirski）正在調(diào)試我們的電子元件。我們?nèi)ノ鞲ゼ醽喼莸木G岸鎮(zhèn)（Green Bank）考察時(shí)，它們被放置在一個(gè)帳篷里以防雨。

正因如此，21厘米層析領(lǐng)域中的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家都采用一種更加先進(jìn)的射電望遠(yuǎn)鏡——干涉儀（interferometer）。由于光和射電波實(shí)際上都是電磁現(xiàn)象，它們穿行于空間中時(shí)，在不同地方之間會產(chǎn)生電壓。當(dāng)然，這些電壓非常微弱，大部分都小于手電筒電池兩極間的1.5伏特，但是用很好的天線和放大器，它們還是足以被探測到。干涉儀的基本原理是用射電天線陣列來測量許多的上述電壓，然后讓計(jì)算機(jī)據(jù)此建模，重構(gòu)出天空的模樣。如果所有天線都像圖3-8前景中那樣，排列在一個(gè)水平面上，那么，一段豎直下落的波就會同時(shí)到達(dá)這些天線。其他方向的波則會按順序先后到達(dá)不同的天線，利用這個(gè)差別，計(jì)算機(jī)就能計(jì)算出它們來自哪個(gè)方向。

實(shí)際上，你的大腦也是用同樣的方法來判斷聲音來自何方——如果你的左耳比右耳先聽到一段聲音，那聲音肯定就是來自左邊，并且，大腦還能通過雙耳接收聲音的時(shí)間差，來評估聲音是直直地來自左方，還是有一個(gè)角度。由于你只有兩只耳朵，所以你不能非常準(zhǔn)確地指出這個(gè)角度，但是如果你周身長出100個(gè)耳朵，就像一個(gè)射電干涉儀，那你就能做得更好（盡管看起來不怎么好看），準(zhǔn)確地指出聲音的方向。自天文學(xué)家馬丁·賴爾（Martin Ryle）1946年開拓了干涉儀這個(gè)新領(lǐng)域以來，已經(jīng)取得了巨大的成功，并為他贏得了1974年的諾貝爾獎(jiǎng)。

不過，最拖后腿的，莫過于計(jì)算這些時(shí)間差了。要計(jì)算時(shí)間差，你需要計(jì)算每一對天線（或耳朵）之間的數(shù)據(jù)，所以，隨著天線數(shù)量的增加，天線對數(shù)量增加的比例幾乎等于天線數(shù)量的平方。這意味著，如果你把天線數(shù)量增加1 000倍，需要的計(jì)算量就會增加100萬倍——我的天！你需要的只是一個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡，可不是天文數(shù)字的預(yù)算！因?yàn)檫@個(gè)原因，干涉儀的規(guī)模被局限在幾十或幾百個(gè)天線陣列，而無法達(dá)到幾百萬個(gè)，而后者才是21厘米層析最需要的。

當(dāng)我搬到MIT時(shí)，美國和澳大利亞合作的21厘米層析實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)大方地接納了我。這個(gè)實(shí)驗(yàn)由我的同事杰基·休伊特（Jackie Hewitt）推動。在項(xiàng)目會議上，我常常幻想著，是否有某種方法能讓修建大型望遠(yuǎn)鏡變得便宜一些。一天下午，我們正在哈佛大學(xué)開會，我的腦子里突然冒出一個(gè)想法——我想到了一個(gè)便宜的方法！

“萬遠(yuǎn)鏡”

在我看來，望遠(yuǎn)鏡就是光波的分選器。如果你想測出你的長相，光看著你的手、測出穿過它的光線強(qiáng)度是不夠的，因?yàn)樵谀闶植科つw的每一點(diǎn)上，都混雜著來自你臉上各個(gè)部位的光波。但是，如果你能按照來源方向?qū)@些光波進(jìn)行分選，讓方向相同的光線落在你手上的同一區(qū)域，這樣，你就能得到一張臉部圖像。這正是相機(jī)鏡頭、望遠(yuǎn)鏡鏡頭和眼睛里的晶狀體所起的作用，也是圖3-8中那種曲面鏡的功能。在數(shù)學(xué)里，這種光波分選過程有一個(gè)玄妙又嚇人的名字——傅里葉變換（Fourier transforming）。所以，望遠(yuǎn)鏡本質(zhì)上就是一個(gè)傅里葉變換器。傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡用模擬的方法進(jìn)行傅里葉變換，采用的是透鏡或曲面鏡。干涉儀則與之不同，采用的是數(shù)字的方法，工具則是計(jì)算機(jī)。這樣，光波不僅能按照來源方向進(jìn)行分選，還能根據(jù)波長進(jìn)行分選——對可見光來說，不同波長意味著不同的顏色。

在哈佛大學(xué)的那個(gè)下午，我腦子里冒出來的想法是設(shè)計(jì)一個(gè)巨大的射電干涉儀，其中的天線并不是像我們之前計(jì)劃的那樣隨機(jī)分布，而是遵循一個(gè)簡單而規(guī)律的模式。對一個(gè)擁有100萬個(gè)天線的望遠(yuǎn)鏡陣列來說，可以使用一些聰明的數(shù)學(xué)技巧來窮舉這些模式，將使傅里葉變換的速度提高為原來的25 000倍——基本上也可以把望遠(yuǎn)鏡的預(yù)算降低為原來的1/25 000。

我說服了我的好友馬蒂亞斯·扎爾達(dá)瑞亞，他也認(rèn)同這個(gè)想法是可行的。然后，我倆開始詳細(xì)地研究這種方法，并發(fā)表了兩篇與之有關(guān)的論文，證明了那種基本數(shù)學(xué)技巧可適用于多種多樣的天線陣列模式。我們把我們提出的這種望遠(yuǎn)鏡稱為“萬遠(yuǎn)鏡”（Omniscope），因?yàn)樗仁侨轿坏模ū举|(zhì)上能同時(shí)拍下整個(gè)天空的圖像），又是全彩色的（能同時(shí)拍下大范圍的波長，也就是不同顏色的圖像）。

據(jù)說，愛因斯坦曾說過：“從理論上說，理論和實(shí)踐是一樣的。但從實(shí)踐的角度來說，它們卻截然不同?！庇谑?，我們決定建造出一個(gè)小型樣品，看看它是否真的有用。我發(fā)現(xiàn)，萬遠(yuǎn)鏡的基本思想在20年前就已經(jīng)有一個(gè)日本團(tuán)隊(duì)嘗試過，只不過是為了其他目的，而且由于當(dāng)時(shí)電子設(shè)備的能力有限，他們的天線數(shù)量被限制在了64個(gè)。得益于后來的手機(jī)技術(shù)革命，如今，我們建造樣品所需要的關(guān)鍵元件的價(jià)格已經(jīng)暴跌，所以我們只用拿一點(diǎn)小錢就能作出整個(gè)陣列。同時(shí)，我也很幸運(yùn)地得到了MIT一組出色的學(xué)生的幫助，其中一些來自電氣工程系，他們對電路板設(shè)計(jì)和數(shù)字信號處理的魔法了如指掌。其中有一位名叫內(nèi)瓦達(dá)·桑切斯（Nevada Sanchez），他教會了我電子學(xué)“魔法煙霧理論”，后來在我們的實(shí)驗(yàn)室里得到了證實(shí)——電子零件能正常工作是因?yàn)樗鼈儼鴰Хǖ臒熿F。所以，如果你不小心讓魔法煙霧溜走了，它們就罷工了……

過去，我的整個(gè)學(xué)術(shù)生涯都是在搞理論研究和數(shù)據(jù)分析，突然間，我進(jìn)入了建造實(shí)驗(yàn)的新領(lǐng)域，這和我過去的經(jīng)歷可完全不同，我非常喜歡做這件事。它把我?guī)Щ亓耸畮讱q時(shí)在地下室里搗鼓小玩意兒的快樂時(shí)光，唯一不同的是，我們現(xiàn)在建造的東西更加激動人心，整個(gè)團(tuán)隊(duì)在這個(gè)過程中都非常愉快。到現(xiàn)在，我們羽翼初豐的萬遠(yuǎn)鏡做得還不錯(cuò)，但現(xiàn)在斷言說我們或其他人已有能力讓21厘米層析發(fā)揮出最大潛能，還為時(shí)過早。

萬遠(yuǎn)鏡還教會了我一些其他事情——與我個(gè)人有關(guān)的事。對我來說，最有趣的事就是團(tuán)隊(duì)探險(xiǎn)，我們把所有的設(shè)備都裝進(jìn)一輛面包車，把它開到人跡罕至的郊外，遠(yuǎn)離無線電臺、手機(jī)等人類產(chǎn)生的射電波。在這些妙不可言的日子里，我那充斥著電子郵件、教書上課、文山會海和家務(wù)事的碎片生活，被一種充滿喜悅、目標(biāo)明確、禪宗般的狀態(tài)所取代。遠(yuǎn)郊沒有手機(jī)信號、沒有互聯(lián)網(wǎng)、沒有外界的打擾，團(tuán)隊(duì)的每一個(gè)人都能把全部精力集中在實(shí)驗(yàn)工作的共同目標(biāo)上。有時(shí)候我會問自己，在這個(gè)年代，我們總是會同時(shí)處理幾種不同的任務(wù)，我是不是應(yīng)該經(jīng)常像這樣消失一段時(shí)間，比如去寫一本書……

本章，我們介紹了精確的數(shù)據(jù)像雪崩一樣改變了宇宙學(xué)，讓它從一門以推測為主、略帶哲學(xué)意味的領(lǐng)域轉(zhuǎn)變?yōu)榻裉煳覀兯吹降木芸茖W(xué)。其中，我們測量宇宙年齡的誤差已經(jīng)下降到1%。在科學(xué)中，回答老問題常會衍生出新問題，所以，我預(yù)計(jì)，宇宙學(xué)正面臨著激動人心的10年，因?yàn)槿澜缍荚诮⑿吕碚?、建造新?shí)驗(yàn)，嘗試揭開暗物質(zhì)、暗能量等未解之謎的神秘面紗。在結(jié)語里，我們將重新回到這個(gè)問題，探尋它對宇宙終極命運(yùn)的預(yù)示。

我認(rèn)為，精密宇宙學(xué)最讓我詫異的一件事就是，整個(gè)宇宙的運(yùn)轉(zhuǎn)被簡單的數(shù)學(xué)規(guī)律控制著，甚至可以一直追溯到它熾烈暴躁的開端。比如，愛因斯坦廣義相對論中的方程精確地控制著宇宙中的萬有引力，其空間范圍可以從毫米一直延伸到10²⁶米；而原子核物理學(xué)的方程精確控制宇宙的時(shí)間范圍從大爆炸后第一秒一直到140億年后的今天。與經(jīng)濟(jì)學(xué)中模棱兩可的公式不同，這些方程的精確度令人瞠目結(jié)舌，正如圖3-2中所展現(xiàn)的那樣。所以，精密宇宙學(xué)凸顯出了數(shù)學(xué)在理解世界過程中的神秘作用。我們將在第9章回到這個(gè)問題，并探討一個(gè)激進(jìn)的解釋。

從精密宇宙學(xué)身上，我還學(xué)到一件令人驚異的事情，那就是，它并不完備。我們知道，我們今天觀測的萬事萬物都起源于一場熾烈的大爆炸。那時(shí)候，宇宙中分布著幾近均勻的炙熱氣體，和太陽內(nèi)核一樣熱，并迅速膨脹，一秒鐘內(nèi)就脹到了兩倍大。然而，是誰安排了這一切？我喜歡把這個(gè)問題稱為“爆炸問題”。到底是誰把這個(gè)爆炸變成了宇宙大爆炸？那些膨脹的炙熱氣體從何而來？它們?yōu)槭裁磿鶆蚍植迹繛楹纹渲胁赜?.002%的種子起伏，最終成長為今天我們所看到的星系和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)？簡而言之就是，這一切是如何開始的？我們將會看到，把弗里德曼的膨脹宇宙方程推演到更加遙遠(yuǎn)的過去，將遇到難以解決的問題。這意味著，我們需要一個(gè)徹底的新理論，才能理解宇宙的終極起源。這正是下一章要探討的問題。

◆近年來，關(guān)于宇宙微波背景和星系聚集等的數(shù)據(jù)，像雪崩一樣改變了宇宙學(xué)，將它變成了一門精確的科學(xué)。比如，它把我們對宇宙年齡是100億年還是200億年的爭論，精確到了137億年還是138億年。

◆盡管有爭議，愛因斯坦的引力理論還是打破了紀(jì)錄，成了最具有數(shù)學(xué)美感的理論，用幾何的方式展現(xiàn)了萬有引力。它認(rèn)為，空間中所包含的質(zhì)量越大，空間的彎曲度就越大。這種空間彎曲使得其中的物體不會沿直線運(yùn)動，而是彎向較重的物體。

◆通過測量宇宙大小的三角形的幾何性質(zhì)，愛因斯坦的理論讓我們估算出了整個(gè)宇宙的質(zhì)量。令人驚訝的是，組成日常物體的物質(zhì)在宇宙中只占4%，剩下的96%是什么呢？無人知曉。

◆這部分失落的質(zhì)量就像幽靈一般，不僅不可見，還能從普通物質(zhì)中毫發(fā)無傷地穿過去，而你卻絲毫注意不到。根據(jù)它們表現(xiàn)出來的引力特性，可以分為兩種不同的東西，暗物質(zhì)和暗能量：暗物質(zhì)會聚集成團(tuán)，暗能量則相反；暗物質(zhì)膨脹時(shí)會被稀釋，暗能量則不會；暗物質(zhì)相互吸引，暗能量相互排斥；暗物質(zhì)促進(jìn)星系的形成，暗能量則暗中搞破壞。

◆精密宇宙學(xué)告訴我們，宇宙受到簡單數(shù)學(xué)規(guī)律的支配，這個(gè)過程甚至可以一直追溯到宇宙熾烈的誕生之時(shí)。

◆盡管看起來很優(yōu)雅，但經(jīng)典的大爆炸理論卻無法解釋很多問題，這意味著，要理解宇宙的終極起源，我們需要在這個(gè)謎語里加上其他關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。