知之为知之，不知为不知，是知也。
孔子
最可怕的无知，就是拒绝接受你所不知道的东西。
韦恩·戴尔（Wayne Dyer）
我们的太阳系从何而来？我儿子菲利普上二年级时，卷入了一场热烈的讨论。
“我认为太阳系是上帝造出来的。”他班上一位女生说道。
“但我爸爸说太阳系是一团巨大的分子云造出来的。”菲利普插嘴说。
“那这团巨大的分子云又是从哪里来的呢？”另一位男孩问。
“也许是上帝造出了这团分子云，然后这团分子云再造出了我们的太阳系。”第一个女孩说。
我相信，自从人类直立行走以来，就开始仰望夜空，好奇那些星星从何而来。从古至今，人们都知道，有些事情是可以被理解的，而有些则如秘密般深藏不露、不为人知。比如，我们知道此时此刻正在发生什么，也知道那些与我们密切相关的事情，诸如周遭有何物、早餐吃什么。但是，望向更遥远的地方和更久远的过去，我们仿佛遇到了一块知识的巨石，横亘在路上。巨石之外是无知的世界。在上一章中，我们目睹了人类如何用智慧推着这块巨石往前，将我们对空间的认知逐步扩大——从地球到太阳系，再到星系，最后到达数十亿光年外的宇宙深处。那么现在，让我们开始第二段智慧的探险，一起来看看人类如何推着这块无知的巨石溯流而上，到达时间的源头。
“月亮为什么不会掉下来呢？”我们用这个问题，来开始这段冒险。
直到约400年前，“月亮为什么不会掉下来呢”这个问题看起来还毫无解决的希望。那时候，人们刚通过巧妙的观测，用肉眼可见的线索确定了太阳、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）、约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）等科学家甚至计算出了这些天体的运动规律——太阳系就像钟表，每个部分都循着完美的圆形轨道，周而复始地运动着，仿佛永无止境。没有迹象表明它有一天会停下来，更不知道它是否始于过去的某一天。那么，太阳系是永续永存的吗？如果不是，它是从哪里来的呢？
当时市场上卖的钟表，对齿轮、弹簧等部件的工作原理，人们都了如指掌。对一只特定的钟表，人们不仅能预测它的未来，还能推知它的过去。比如，你能准确预测一只手表会按稳定的速度运行下去，但由于摩擦力的存在，如果你不上发条，它就会慢慢停下来。通过分析，你能知道它上个月什么时候上过发条。那么，天体也遵循这样的规律吗？是否也存在某种类似摩擦力的力，影响着它们的运动，最终改变它们的轨迹呢？如果事实果真如此，那我们就能像对待钟表一样，算出它形成的时间和方式。
答案却似一记响亮的耳光：“不是！”我们已经很了解地球上的物体在空间中的运动，不管是随手扔一个石子，还是古罗马的投石机和发射铁球的大炮，它们的运动轨迹都很容易预测，并且无一例外都会掉落到地面上。然而，天体们却仿佛遵循着与地球上的物体完全不同的定律。比如，如果月亮是天上的一块大石头，为何它不会像其他石块一样掉到地面上呢？经典的回答是：月亮是天堂之物，而天堂之物必然遵循着不同的规律，不受万有引力的影响，所以它不会掉下来。还有一些人进一步解释道：天堂之物之所以与众不同，是因为它们是完美的。不信你看，它们有着完美的球形外表，它们运行的轨迹是完美的圆形——完美的东西才不会掉到不完美的地面上来呢。而地球上处处充斥着不完美：摩擦力会让物体减速，火焰会熄灭，人会死去。而在天堂，物体之间没有摩擦力，太阳不会熄灭，时间一望无垠，没有尽头。
然而，这种对天堂的美好幻想禁不起推敲。对第谷的观测结果进行分析后，开普勒总结道，行星的轨道并不是圆形，而是被拉长的椭圆形，这可一点也不完美。伽利略用望远镜发现，太阳也并不完美，上面像锈蚀的铁片一样散布着丑陋的黑色斑点；月球就更不用说了，它并不是一个浑圆光滑的完美球体，而是布满了起伏的丘壑和巨大的凹坑。那么，既然月亮并不完美，为什么它不会掉下来呢？
最后，牛顿终于解决了这个问题，他的想法很简单，但也很激进，那就是：天堂之物遵循着与地球之物完全相同的规律。既然月亮不会像石头一样掉下来，那我们能不能扔出一块石头，也像月亮一样永远不掉下来呢？太阳比地球重多了，扔出的石头为何不会掉到太阳上去呢？牛顿猜想，一定是因为太阳太遥远，万有引力随距离增大而减小。那么，是否能以极快的速度向上抛出一块石头，在引力把它拉回地面之前，就逃脱地球呢？靠牛顿自己的力气肯定不行，但他意识到，如果有一架假想的超级大炮，只要它能给予石头足够的速度，那石头就能逃离地球。正如图2-1所示，水平射出一枚炮弹，它的命运将取决于它的速度——如果它的速度低于某个神奇的值，那它最终将会撞毁在地面上。如果你以越来越快的速度发射炮弹，那它们在坠毁之前所飞行的距离会越来越长。直到你终于到达那个神奇速度，炮弹就不再掉下来，而是保持在固定的高度，以接近正圆的轨道，绕着地球转圈——和月亮一样！在地面上，牛顿用很多东西做过实验，比如石头、苹果等，最终计算出了这个神奇的速度——呼啸而过的每秒7.9公里！
牛顿认为，如果月球也遵循同样的运动规律，他也能算出它保持圆形轨道所需要的速度。可是有个关键的线索缺失了，即在月球那样遥远的距离，地球的引力会下降到什么程度呢？由于月球以圆形轨道绕地球旋转，每个月转一圈，而这个圆形轨道的半径早已被阿里斯塔克斯算出来了，所以牛顿据此算出了月球的速度——大约每秒1公里，与M16步枪子弹的速度差不多。接下来，牛顿总结出了一个影响深远的结论：假如地球和月球之间的引力与距离的平方成反比，那么，使月球正好绕圆形轨道运行的那个“神奇速度”恰好等于观测到的月球速度！这样，牛顿终于发现了万有引力定律，它放诸四海而皆准，不论在地球上还是天上，都一样。
图2-1 如果炮弹发射的速度大于每秒11.2公里（D），它就能一飞冲天，逃离地球的引力（忽略空气阻力）。如果速度稍慢一些（C），它将进入椭圆轨道，绕地球旋转。如果发射的速度是每秒7.9公里（B），它的轨道将是一个完美的正圆形。如果速度再低一些（A），炮弹最终将落回地面上。
一时间，所有谜题都像拼图游戏的碎片一样各自归位。牛顿将万有引力定律与他制定的运动定律结合起来，不仅能解释月亮的运动，还能解释行星绕太阳旋转的运动。他还通过数学推导出，最常见的轨道形状是椭圆形，而不是正圆形，这正是开普勒百思不得其解的问题。
与所有重大的科学突破一样，牛顿的发现能回答的问题远远超过了那些促使他开始思考的难题。比如，这一定律还能解释潮汐现象——太阳和月亮的万有引力吸引着地球上的海水，但对更近那一面的海水吸引力更大一些，使得海水随地球的自转而被搅动起来。牛顿定律还表明能量是守恒的（在物理学上，守恒的意思是指一成不变），所以如果能量出现在某处，它一定不是从虚无中凭空出现的，一定是从别处而来。潮汐消耗了大量的能量（其中一些被潮力发电站利用），那这些能量来自何处呢？大部分来自地球的自转，所以潮汐的摩擦力使得地球自转变得越来越慢——如果你总觉得一天24小时不够用，没关系，等到两亿年后，地球上的一天将延长到25个小时！
这说明，摩擦力也会影响天体的运动，摧毁了“太阳系永续永存”的思想——在过去，地球的自转一定比现在快。你还能计算出，今天的地球-月球系统的年龄不会超过40亿～50亿年，否则那时的地球自转速度会超级快，巨大的离心力会将地球撕得粉碎。我们终于对太阳系的起源有了第一个线索！“案发时间”总算出现了一线曙光。
牛顿的发现为人类思想插上了翅膀，走出了征服空间的第一步。他证明，通过地面上的实验，我们也可以发现物理定律，并能将其推而广之，解释天上发生的事情。尽管牛顿的专长只是万有引力和运动，但他的这种思想实验却像燎原野火一样，逐渐蔓延到了其他领域，比如光、气体、固体、电现象和磁现象。人们展开了大胆的猜测，不仅对肉眼可见的宏观现象，还针对微观现象，将牛顿的运动定律运用于原子，来解释气体等许多物质的性质。一场科学革命拉开了序幕，开启了工业革命和信息时代的大门。反过来，这些进步帮助我们创造出强大的计算机，又帮助我们进一步推动了科学的发展，解开物理方程，回答人们曾百思不得其解的许多有趣问题。
物理定律可以被运用在很多方面。一般情况下，我们希望能用现状预测未来，比如预报天气；也可以把这些公式反过来，用现状去推演过去，比如重建哥伦布在牙买加看见的月食的具体细节。还有第三种方式是，想象一种假设的条件，运用物理公式推算它随时间的变化趋势，比如，模拟一次目的地为火星的火箭发射，计算它是否能如期到达。运用第三种方法，我们找到了太阳系起源的新线索。
想象一下，外太空有一团极大的气体云，随着时间的流逝，它会发生什么呢？物理定律认为，它的命运取决于两股力量之间无休止的战役——万有引力和压力，前者想压缩它，而后者则想把它撑大。
如果引力占了上风，气体云开始压缩，它就会变得越来越热（这就是为什么用气筒给自行车打气时会发热），这个过程反过来又增大了压力，遏制了引力导致的进一步压缩。如果引力和压力势均力敌，相互平衡，这团气体会长时间保持稳定状态。但休战总是短暂的，最终都会被打破。由于温度很高，气体云开始闪耀出光芒，把保持压力的热能辐射出去。于是压力变小，引力又会进一步压缩气体，长此以往地进行下去。
如果我们将引力和压力的物理定律输入计算机，就能模拟出这场战役的各种细节。最后，密度最大的区域变得无比炙热和致密，变成了一个核聚变反应堆——在那里，氢原子聚变生成氦，同时巨大的引力保护它们不会炸开。此时，一颗恒星诞生了。这颗新生恒星最外层的气体非常炎热，闪耀着令人目眩的光芒。光芒吹散气体云剩下的部分，让它显现在我们望远镜的视野中。
让我们倒带，重播一下，再从另外一个角度看看刚才的过程。在气体云逐渐压缩时，气体轻微的旋转将会被放大，就像冰上舞者收拢手臂时会转得更快一样，产生巨大的离心力。由于离心力的存在，引力无法将所有气体压缩成一个点。取而代之的是，引力把气体压成了像比萨一样的形状——很像我小时候学校附近的比萨店厨师用手旋转比萨面饼，让它变扁平一样。这个“宇宙比萨”的主要成分是氢气和氦气。但是，如果配料表中还包括一些更重的元素，比如碳、氧和硅，那么，在中心生成炙热恒星的同时，外层物质将会形成一种较冷的物体——行星。当新生恒星将剩下的“比萨面团”吹跑之后，行星就会显露出它们的面孔。由于所有的旋转（物理学家称之为“角动量”）都来自最初那团气体云的旋转，所以，不出所料，太阳系的所有行星都往相同的方向公转（如果你从北极的方向往下看，为逆时针方向），与太阳每月自转一周的方向正好相同。
这种太阳系起源的理论不仅被理论计算所支持，还与望远镜对其他恒星系的观测相符。通过观测，我们将许多处在诞生各个阶段的恒星系“抓个现行”。银河系里包含着许多巨大的分子云。这些气体云中包含着大量分子，能帮助它们辐射出热量，从而逐渐冷却和收缩。我们在许多气体云中都亲眼目睹了恒星的诞生。在一些云里，我们甚至能看到初生的恒星和周围比萨状的原行星盘，形状完整，充盈着气体。近年来，天文学家发现了许多恒星系，藏着大量关于太阳系起源的奥秘。
如果太阳系真是这样形成的，那它发生在何时呢？大约100年前，人们普遍相信太阳系形成于2 000万年前，这是因为，如果它在这个时间点之前就存在了，燃烧就会辐射掉大量能量，引力将会把太阳压缩得更小，小于我们观测的结果。同样，通过计算发现，如果太阳系形成于这个时间以前，地球内部的大部分热量（比如火山和热液喷口）也将早已消散完毕，冷却殆尽。
直到20世纪30年代，核聚变的秘密被揭开，人们才恍然明白了太阳保持炙热的原因。但早在1896年，放射性的发现已经摧毁了旧的地球年龄理论，提供了一个更好的解释。铀元素最常见的同位素会自发衰变成钍等更轻的元素。其中，一半铀元素发生衰变（也就是半衰期）大约需要44.7亿年。正是这些放射性元素的衰变产生了足够的热量，在数十亿年的时间里保持着地球核心的炙热，这也解释了为何地球年龄老了2 000万年还能继续保持温暖。此外，通过测量岩石中铀元素衰变的比例，我们还能得知岩石的年龄。用这种方法，人们发现，澳大利亚西部杰克山（Jack Hills）的一些岩石竟然有44.04亿年的历史，而最古老的陨石甚至有45.6亿年历史。这意味着，不止是地球，太阳系的一切都形成于45亿年以前——正符合对潮汐的粗略估计。
总而言之，物理定律的新发现为我们提供了定性和定量的方法来回答祖先最困惑的问题之一：太阳系是何时、以何种方式形成的？
研究了太阳系的形成，我们已经把时间的开端往前推进到45亿年前。那时，太阳系诞生于一团因万有引力而坍缩的分子云中。但正如菲利普的同学所问：这团分子云又是从哪里来的呢？
星系的形成
有了望远镜、铅笔和计算机的武装，天文学家提供了令人信服的答案，尽管一些重要的细节还需要进一步探讨。我们知道，引力和压力之战让太阳系形成了像比萨一样的圆盘形状。其实，这种战役在更巨大的尺度上依然在上演——比太阳重数百万倍甚至数万亿倍的分子云被压缩成了“超级大比萨”。这种坍缩极其不稳定，所以它的中心并不会像打了鸡血一般诞生“超级巨星”，周围也不会形成“超级行星”。与之不同，它会碎成无数片小一些的气体云，这些小气体云各自孕育出各自的太阳系——于是，星系诞生了。我们的太阳系，只是银河系中数千亿个比萨形状的恒星系之一。太阳系大约在银河系距中心一半的位置，几亿年才绕着银河系旋转一圈（见图1-2）。
有时候，星系之间会发生碰撞，就像宇宙版的大撞车。这听起来很恐怖，但实际上并不可怕，因为几乎所有恒星都会从空隙里穿越过去，而不会迎面撞在一起。相撞后，万有引力会将大部分恒星聚在一起，形成一个更大的崭新星系。银河系和我们最近的邻居——仙女座星系都呈比萨形，伸展着美丽的悬臂，如水中的旋涡一般，所以被称为旋涡星系（spiral galaxies，见图1-2）。当两个旋涡星系相撞时，一开始会混乱不堪，后来会逐渐形成一团圆形的恒星群，被称为椭圆星系。这正是我们最终的命运，因为我们的银河系正在向仙女座星系迎头撞上去，大约几十亿年后会相撞——不知道我们的后代会不会把这个新星系称为“银女座”。我们唯一能确定的是，它一定是一个椭圆星系。望远镜拍下了许多星系的相撞，展现了这个过程的不同阶段，都基本符合我们的理论预测。
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？这个问题将把我们对时间的追溯往前再推进一大步。说实话，这也正是我亲自参与的第一个研究项目。项目中，我负责弄清楚气体云中的化学反应，它生成了辐射热能的分子，从而降低了压力。但是，每次我以为自己算完了，都会发现分子式存在严重的问题，导致后面的所有计算都失效，必须从头再来。
我跟着我的研究生导师乔·西尔克（Joe Silk）在这个问题上纠结了整整4年，我实在沮丧透了。我甚至去定制了一件T恤，上面印着“我讨厌分子”以及我的大敌——氢分子，上面有一个大大的红叉，就像禁烟标志一样。但接下来，幸运女神降临了——我去慕尼黑做博士后时，遇到了一个友好的大学生叫汤姆·艾贝尔（Tom Abel），他刚刚完成了一段史诗般的计算，包含了我所需要的所有分子。他作为共同作者加入了我们的团队。24小时后，大功告成！据我们预测，最早期的星系“只”比太阳重100万倍。我们的运气真是太好了，因为当年的这些发现与汤姆如今用更精密的计算机模拟出来的结果仍然基本相符——他现在正在斯坦福大学当教授呢。
永恒的运动，宇宙的自然状态
地球就像一个舞台，上演着一幕伟大的戏剧——斗转星移，生命一代又一代降生到人间，它们相互影响，度过一生，然后走向死亡。这幕地球戏剧始于45亿年前。然而，我们却发现，地球只是一幕更宏大的宇宙戏剧中的一小部分。那里就像一个宇宙级别的生态系统，一代又一代的星系诞生、相互影响、最终走向死亡。那么，在此之上，是否存在更高级别的戏剧，一代代宇宙在其中诞生和死亡呢？更具体地说，我们的宇宙是否存在一个开端呢？如果有，是什么时候呢？
星系为什么不会坍缩？这个问题将再次把我们对时间的认知往前推进一步。我们知道，月亮不会掉下来是因为它旋转得极快。宇宙中充满了星系，星系的运动方向各不相同，而且并不都是绕着我们旋转，很显然，月球的理由不适用于它们。如果宇宙是永续永存的，并且本质上是静止的，那遥远的星系相对我们来说就不会运动得太快。那它们为什么不会最终坠向我们，就像你突然让月球停止在轨道上，它一定会落向地球一样呢？
在牛顿的时代，人们当然不知道星系的存在。布鲁诺通过冥思苦想，得出宇宙是永恒静止的，里面均匀地布满了恒星这一结论。如果你认同布鲁诺，那你至少有一个半生不熟的理由，不用担心宇宙会塌到头上，那就是，根据牛顿定律，每颗恒星在每个方向都会受到同样强大的万有引力（实际上是无穷大），因为每个方向上都有无数颗恒星，这些引力相互抵消，所以恒星可以保持静止。
1915年，这个理由被爱因斯坦的新引力理论推翻了，这就是广义相对论。爱因斯坦发现，永恒静止、均匀布满恒星的宇宙模型与他的新引力方程不相符。那么，他做了什么呢？毫无疑问，爱因斯坦继承了牛顿大胆推测的精神，一边探索符合自己方程的宇宙形态，一边在观测中寻找证据。然而颇具讽刺意味的是，爱因斯坦作为人类历史上最具有创造精神、最敢问别人之不敢问、最敢挑战权威的科学家，却不敢质疑最大的权威——他自己，以及他对永恒不变的宇宙的痴迷。结果，他修改了自己的广义相对论方程，在其中加入了一个额外的常数，使宇宙变得永恒且稳定。他后来把这个举动称为自己一生中最大的错误。更加具有讽刺意味的是，现在看来，这个宇宙常数竟可能真的存在，只不过是以暗物质的形式存在（我们在后面会讨论到），并且取值也不同，因此不能以此来保持宇宙的恒常稳定。
后来，终于出现了一个人，有信心聆听爱因斯坦方程中的低吟。这个人就是俄罗斯物理学家、数学家亚历山大·弗里德曼。他计算出了最一般情况下的均质宇宙解，发现了一个令人震惊的事实——绝大部分解都不是静止的，而是随着时间而变化！爱因斯坦的静止宇宙不但只是一个特例，而且本身也不稳定，不能保持很长时间。正如牛顿证明太阳系的自然状态就是永恒运动一样（比如地球和月球不可能永远保持静止），弗里德曼的研究揭露出，宇宙的自然状态也是永恒运动的。
然而，究竟是怎样的运动呢？弗里德曼发现，在所有的可能性中，宇宙最自然的状态有两种——不是在膨胀，就是在收缩。如果宇宙在膨胀，这意味着所有分开的物体都在相互远离，就像正在膨胀的麦芬蛋糕顶上的巧克力片一样（见图2-2）。如果这是真的，它们过去的距离一定比现在更近。实际上，在弗里德曼关于膨胀宇宙的最简解中，过去确实存在一个时间点，那时，我们今天所看到的万物都位于同一个地方，因此拥有无限大的密度。换句话说，我们的宇宙有一个开端，在无限的密度中发生了一场灾难式的爆炸——宇宙大爆炸。
弗里德曼的大爆炸理论是一记振聋发聩却沉默无语的惊雷。虽然他的论文发表在了德国最有威望的物理学期刊上，连爱因斯坦等人都对其进行了讨论，但却被大多数人忽略了，并最终被埋没，对当时的主流物理世界观没有产生任何影响。忽视伟大的见解，是宇宙学的传统（其实在整个科学界都这样）——正如我们前面说到的阿里斯塔克斯日心说、布鲁诺的遥远太阳系一样。在后面的章节中，我们还将遇到很多这样的例子。
图2-2 遥远的星系相互远离，就像正在膨胀的麦芬蛋糕顶上的巧克力片（左图）——在它们中的每一颗看来，其他巧克力都在后退，速度与距离成比例。但是，如果只有空间在膨胀，像蛋糕的面饼一样，那么星系和空间之间就没有相对运动，空间把所有的距离都均匀地拉大（右图），就像把尺子上的刻度单位从毫米改成了厘米一样。
我认为弗里德曼被学术界忽视的一大原因是，他超越了他所处的时代——1922年的宇宙观仅限于银河系（实际上，也只是银河系中能被我们看到的有限部分），而银河系并没有膨胀，数以千亿的恒星被万有引力束缚在轨道上，那宇宙膨胀也无从说起。这正好能回答第1章开头提出的问题9：“银河系在膨胀吗”。弗里德曼的膨胀理论只适用在极大的尺度。在这个尺度上，可以完全忽略物质碰撞形成星系和星系团的过程。在前文图1-2中可以看到，在极大的尺度上（比如1亿光年的尺度），星系的分布变得相当均匀，暗示着弗里德曼的均质宇宙是适用的，并且所有距离遥远的星系都在相互远离。但正如我们之前所讨论的，那时候哈勃还没有发现其他星系呢，他到1925年才建立起有关星系的理论，而那是在弗里德曼发表膨胀宇宙理论的3年之后！真正到了3年之后，弗里德曼的机会终于来了。然而不幸的是，正是在这一年，伤寒夺去了他年仅37岁的生命。
我认为，弗里德曼是宇宙学历史上最伟大的无名英雄。写到这里，我忍不住把他1922年的论文翻出来读了一遍。论文最后，他举了一个例子，例子中的宇宙质量为太阳的5亿兆倍。据此，他计算出这个宇宙的寿命约为100亿年——竟和我们宇宙的年龄差不多！此时，距离人们发现其他星系还有好几年，不知弗里德曼从哪里得到的这些数字。但对一篇伟大的论文来说，这个结尾再合适不过了。
我们的宇宙正在疯狂膨胀
5年后，历史再次重演。一位MIT的研究生，同时也是比利时神父的天体物理学家乔治·勒梅特（Georges Lema tre），再一次发表了大爆炸理论。但是他并不知道弗里德曼已经发表过这个理论，于是“重新”发表了一次。结果，它再一次被学术界忽视了。
最终让大爆炸理论引起人们注意的不是一个新研究，而是一次新观测。埃德温·哈勃发现系外星系后，人们很自然地想测出它们在空间中的分布和运动情况。我在前面章节里提到过，物体朝我们而来或离我们而去的速度通常很容易测量，因为这种运动会导致它的光谱线发生移动。彩虹中，频率最低的是红光，所以，如果星系正在离我们远去，它的所有光谱线将发生红移，也就是向红色的一端移动。远去的速度越快，红移的程度越高。如果星系正在朝我们而来，它将发生蓝移，光谱线移向蓝色的一端。
假如漫天的星系只是在随机地乱动，我们会发现，一半星系在红移，另一半在蓝移。但令人吃惊的是，哈勃发现，几乎所有的星系都在红移。为什么它们全都离我们而去呢？难道它们不喜欢我们吗？是我们说了什么不好的话吗？不仅如此，哈勃还发现，星系与我们的距离（d）越远，远离我们的速度（v）就越快，并遵循下面这个公式：
v=Hd
这个公式被我们称为“哈勃定律”，其中的H是一个常数，被称为“哈勃常数”。在哈勃1929年发表的学术论文中，这个常数用一个谦逊的字母“K”表示。有趣的是，乔治·勒梅特在那篇被忽视的论文中，也预测过膨胀宇宙会出现类似的现象——如果一切都在膨胀，一切都在相互远离，那越远的星系就远离得越快。
如果一个星系正在远离我们，它过去一定与我们十分靠近。但那又是多久以前呢？如果银行抢劫犯跳上一辆车，逃离犯罪现场，你只需要用距离除以车的速度，就能判断出抢劫发生的时间。如果我们用同样的方法计算后退的星系，根据哈勃定律，每个星系的“案发时间”都是d/v=1/H！用现代观测方法，我们知道1/H≈140亿年。所以，哈勃的发现意味着在140亿年前的某一刻，发生了一件相当不同凡响的事——大量物质挤成一堆，密度高得不得了。但是，正如车速不是一成不变的一样，宇宙的膨胀也可能有快有慢。考虑到这个，我们需要对结论进行修正。今天，我们用弗里德曼方程和现代观测方法发现，需要修正的幅度非常小，只占一点点比例——原来，大爆炸之后，我们的宇宙用了一半的时间来减速膨胀，又用了一半的时间来加速膨胀，所以误差就被抵消了。
想要扩张，就得从别处抢
哈勃的观测结果公布以后，连爱因斯坦都心服口服。现在，宇宙膨胀已是被广泛接受的事实。可是，宇宙膨胀意味着什么呢？现在，我们准备回答第1章开头时提出的其中4个问题。
首先看问题8：星系是真的在远离我们，还是仅仅只是空间在膨胀？为方便起见，爱因斯坦的广义相对论认为这两个观点是等价的，因为它们描述宇宙时同样有效（见图2-2），所以你可以自由选择更加符合你直觉的那一个[4]。第一种观点（见图2-2左图）认为，空间并没有变化，只是星系相对于空间在运动，就像烤麦芬蛋糕时，由于你在黄油中加入了发酵粉，所以麦芬蛋糕会膨胀，导致上面的巧克力片相互远离。和巧克力片一样，所有的星系也都在相互远离，并且距离越远的星系，相互远离的速度就越快。尤其是，如果你站在其中一颗巧克力片（或星系）上，你就能感受到其他巧克力片（或星系）与你之间的相对运动符合哈勃定律——它们后退着，两倍远的星系的退行速度也翻一倍。值得注意的是，不管你站在哪颗巧克力片（或星系）上，结果都是一样的。所以，如果星系在空间中的分布无穷无尽，那宇宙膨胀就没有一个中心点——因为无论从哪里看，它都是一样的。
而从第二种观点来看，空间很像麦芬蛋糕的面团——面团会膨胀，但巧克力片与面团之间没有发生相对运动。同样，第二种观点认为星系与空间之间也没有发生相对运动。星系在空间中的位置是稳定的（见图2-2右图），但它们之间的距离却被改写了。这就好像星系间存在一把假想的尺子，空间膨胀后，尺子上的刻度单位必须擦掉重写，如果把刻度由毫米改成厘米，那所有星系之间的距离都是以前的10倍。
这又回答了第1章开头的问题7：星系的退行速度比光速还快，这不违背相对论吗？哈勃定律v=Hd告诉我们，当星系远在c/H≈140亿光年外时，它的退行速度将超过光速c，而我们没有理由怀疑这些星系的存在。这与爱因斯坦在相对论中所说的“没有物体的速度能超过光速”相违背吗？答案是肯定的，但同时也是否定的——它确实违背了爱因斯坦发表于1905年的狭义相对论，但并不违背他发表于1915年的广义相对论，而后者才是爱因斯坦对这个问题的最后结论。所以，不用太担心。广义相对论解放了速度的上限；狭义相对论认为，无论在什么情况下，两个物体之间的相对速度都不可能超过光速。但在广义相对论中，只有两个物体位于同一地方时，相对速度才不可能超过光速——与之不同的是，那些相对我们做超光速运动的星系都位于非常遥远的地方。所以，如果考虑到空间的膨胀，那我们就需要重新表述一下——任何物体都不能相对空间做超光速运动，但空间本身可以被随意拉伸，不管多快都行。
说到遥远的星系，我曾在报纸上读到过，有些星系距离我们有300亿光年远。第1章开头的问题6：如果宇宙的年龄只有140亿年，那我们如何能看到300亿光年远的东西？它们的光线是怎么到达我们的？此外，我们刚刚知道它们正以超光速的速度后退，这样一来就更不可能看见它们了。答案是，我们看见的并不是它们现在的样子，而是它们发出这些光线的时候。正如我们看见的太阳是8分钟以前的太阳一样，我们看见的遥远星系也是它在130亿年前的样子，它的位置也是130亿年前的位置——那时它与地球的距离比现在近8倍！所以，这个星系发出的光线根本不需要在空间中旅行130亿光年才到达地球，因为宇宙膨胀造成了这个差别——这就好像你在自动扶梯上只走了一步，但实际上已经移动了20米。
一切都是演化的造物
在星系都离我们远去的遥远地方，空间会不会因为膨胀而挤在一起，发生宇宙大撞车？不用担心。如果宇宙的膨胀遵循弗里德曼方程，就不会发生这样的事故。如图2-2所示，不管从哪个方向看过去，空间膨胀都是完全一样的，所以不会出现这种碰撞点。如果你赞同“遥远星系相对一个静止的空间在后退”的观点，那它们就不会和更遥远的星系相撞，因为那些星系比它们后退得更快——福特T型车永远无法追尾飞驰的保时捷。如果你赞同“空间在膨胀”的观点，那答案很简单——体积是不守恒的。读一读中东局势，你就会习惯这样的观点：想要扩张自己的地盘，就得从别人那里抢。然而，广义相对论的结论却与之不同——在星系间的区域中，可以创生出更多的空间，而不用挤占其他空间。新的空间会乖乖地待在原来这些星系之间（见图2-2右图）。
宇宙大讲堂
尽管宇宙暴胀理论听起来很疯狂，并且违背直觉，但它不仅符合逻辑，而且与天文观测相吻合。实际上，自埃德温·哈勃的时代以来，我们已经累积了相当多的观测证据，这要感谢现代观测技术和我们接下来要讨论的新发现。最基本的结论是，宇宙本身在不停地改变。当我们回望数十亿年前，你会发现一个膨胀得不是很厉害的宇宙，因此它也相当致密和拥挤。这表明，我们所栖身的空间并不是一成不变、像欧几里得的定理一样那般枯燥。相反，它是一个动态演进的空间，甚至曾经有过“童年时代”——它诞生在大约140亿年前。
如今，望远镜技术已经非常先进，让我们能直接看到宇宙的演化。
想象你在一个宽敞的大讲堂里演讲。突然，你注意到观众席上一件很有意思的事——离你最近的观众席上，坐的全是和你差不多岁数的人。但是，第10排以后，观众全变成了青少年。在青少年的后面，是一些年幼的小孩。再往后，是蹒跚学步的幼儿。倒数第二排，竟是一些嗷嗷待哺的婴儿。而礼堂的最后一排，在你看来空空如也，什么也没有。
当你用最先进的望远镜观察宇宙时，你也会看到类似的情境——附近是一些和银河系类似的大型成熟星系；但在极其遥远的地方，大部分星系都是很小的“婴儿”，看起来还没有完全发育好；再远处，则空空如也，完全没有星系，只是一片黑暗的深渊。由于遥远的光需要很长时间才能到达地球，所以，望向宇宙的远方也就等同于望向过去的时间。那片没有星系的黑暗深渊，就是第一代星系出现之前的纪元。那时候，空间中充满了氢气和氦气，万有引力还没来得及将它们压缩成星系。由于这些气体都是透明的，就像生日派对气球里充满的氦气一样，所以，在望远镜看来，它们是隐形的。
忽然，你又突然发现了一个秘密：在你演讲时，在空空如也的最后一排，竟然释放出能量。原来，最后的黑墙并不是完全的黑暗，而是在隐隐闪着黯淡的微波！这是为什么？听起来很诡异，但这正是我们凝视宇宙最深处时所能看到的情景！为了理解这件事，我们需要把时间继续往回推进。
从牛顿和爱因斯坦身上，我学到了一个非常关键的准则：“要敢于推演！”具体地说，就是把你已知的物理定律，运用在无人涉足过的全新领域，看看是否能推断出什么有趣的结果，并可用观测来验证。牛顿把伽利略在地球上建立的运动定律运用在了月球及更远的物体上；弗里德曼则将爱因斯坦关于太阳系的引力和运动定律推演到了整个宇宙。这个准则是如此成功，你可能会认为它一定是科学界的“模因”（meme），像基因一样代代相传。你也可能会认为，1929年，当弗里德曼的宇宙膨胀理论终于被人们接受后，全世界的科学家一定争先恐后地展开系统性的研究，推演时间的开端。如果你真这么认为，那就大错特错了……不管我们科学家如何强调自己是真相的理性追随者，我们都难以克服人类的小缺点，比如偏见、同侪压力和从众心理。这些缺陷，远不是仅靠数学天赋就可以战胜的。
我认为，继弗里德曼之后的第二个宇宙学大师，依然是一个俄罗斯人——乔治·伽莫夫。他在列宁格勒时的博士生导师不是别人，正是亚历山大·弗里德曼。尽管弗里德曼只指导了伽莫夫两年就仙逝了，但他的勇气和智慧却被伽莫夫继承了下去。
宇宙“等离子屏幕”
由于宇宙正在膨胀，在过去它一定比现在更拥挤和稠密。然而，它一直以来都是在膨胀吗？也许并不是。弗里德曼的研究中包含一种可能性——宇宙可能曾经处在收缩的状态，收缩的速度越来越慢，朝我们飞来的物质缓缓地慢下来，停在那里，然后开始反弹，并加速远离我们。然而，这样的宇宙大反弹只会发生在物质密度远比今天小的情况下。于是，伽莫夫决定对另一种可能性进行系统探索。这种可能性更一般，也更彻底：宇宙从一开始就在膨胀，从来没有收缩过。
伽莫夫在他1946年写的书中解释说，如果我们把宇宙想象成一部电影，当我们把它逆着时间往回放，会发现密度越来越大，大到简直没有极限。由于星系间的空间充满了氢气，随着我们逆着时间往回放，这些气体会被压缩得越来越厉害，也越来越热。这就好像，如果你加热一块冰块，它会融化。继续加热融化后的冰水，它会蒸发变成气体——水蒸气。与之类似，如果你不停地加热氢气，它会变成第四种状态——等离子体。为什么会这样呢？这是因为，氢原子的结构很简单，只是一个电子围绕着一个质子旋转，氢气就是这样一堆原子相互撞来撞去的结果。如果温度足够高，撞击会变得极其猛烈，以至于原子都被撞碎了，电子和质子分道扬镳、各走各路——氢等离子体就是一锅由自由电子和质子熬成的粥。
也就是说，伽莫夫认为，我们的宇宙起源于一场极热的大爆炸，那时，等离子体曾充满了宇宙空间。更有趣的是，这个理论可以被检验——虽然冷氢气是透明无形的，但热氢等离子体却并不透明，而且能像太阳表面一样发出耀眼的光芒。这意味着，如果我们从空间的近处望向远处（见图2-3），我们首先会看到附近的成熟星系，接下来是越来越年轻的星系，然后是透明的氢气，再然后会遇到一堵看不穿的墙，由发光的氢等离子体构成。我们无法看透这堵墙，因为它是不透明的，就像一个宇宙检查员，阻挡我们窥伺之前发生的所有事情。此外，不管我们往哪个方向看，结果都一样，因为不管往哪个方向看，我们都是在望向过去的时间（见图2-4）。于是，我们看起来就像被一个巨大的等离子体球所包围着。
图2-3 由于光线需要一定的时间才能到达我们的眼睛，所以望向远方其实相当于望向过去的时间。在遥远的星系以外，我们会看见一堵不透明的墙，由发光的氢等离子体组成，这些光花了140亿年才到达我们。这是因为，140亿年前，空间中充满了炙热的氢等离子体。而那时，宇宙的年龄只有40万年。（本图改编自NASA[美国国家航空航天局]和WMAP[威尔金森微波各向异性探测器]研究小组的图片）
图2-4 看起来，我们就像位于一个巨大的等离子体球的中心，因为不管我们往哪个方向看，都会遇到一堵同样的等离子体墙。
在1946年的书里，伽莫夫的大爆炸理论认为我们能够观察到这个等离子体球。他让他的学生拉尔夫·阿尔菲（Ralph Alpher）和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）进行更详细的计算。几年后，两人发表了一篇论文，认为这个等离子体球会闪耀着只比绝对零度高5度的温度。也就是说，它发出的不是可见光，而主要是微波。然而，没有一个天文学家愿意帮两人在天空中搜寻这个宇宙微波背景辐射，结果，他们的成果也逐渐被人遗忘，就像弗里德曼的膨胀宇宙理论一样。
看见大爆炸的余晖
1964年，普林斯顿大学的一个研究团队发现，这种可观测的微波信号可能真的存在，于是计划对其展开观测和搜寻，但他们被别人抢先了一步。同年早些时候，阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在位于美国新泽西州的贝尔实验室测试一个最先进的微波望远镜时，发现了一件奇怪的事——他们的望远镜探测到了一个无法解释的信号，并且，不管往哪个方向看，这个信号都几乎保持不变。怪哉！他们本来以为，只有当望远镜指向天空里某个特定的物体时，才会接收到信号，比如太阳或者发射着微波的卫星。结果，整个天空仿佛都在发光，闪耀的温度比绝对零度高3度——很接近伽莫夫的团队预测的5度。他们仔细检查了附近可能造成噪声的东西，甚至一度怀疑是几只在望远镜上做窝的鸽子拉的鸟屎在作怪。
不久前，我曾和彭齐亚斯一起吃午饭，他告诉我，他们把那几只可怜的鸽子装在木头盒子中，把它们远远地送到贝尔实验室的其他园区里，才放它们出来。不过，这些鸽子是信鸽……虽然他在书里只说，当信鸽飞回望远镜时，他们“清除”了它们，然而，在喝了点酒之后，彭齐亚斯向我坦承了一个悲伤的事实——他们使用了猎枪……鸽子是走了，神秘的信号却依然还在——原来，他们发现的是宇宙微波背景辐射，也就是宇宙大爆炸的余晖。
彭齐亚斯和威尔逊的发现引起了轰动，并因此共同获得了1978年的诺贝尔物理学奖。从伽莫夫和他学生的计算中，可以得出，图2-4中那个等离子体球应该如太阳表面的一半那么热。由于它的热辐射在空间中穿行了140亿年才到达我们，随着空间膨胀了几千倍，它也被冷却了几千倍，只剩下了比绝对零度高3度的余晖。也就是说，我们的整个宇宙曾经和恒星一样炙热。伽莫夫的热大爆炸理论经受住了检验，被证明是正确的。
珍贵的宇宙“婴儿照”
现在，等离子体球已经被探测到了，科学家们开始你追我赶，看谁先拍下它的照片。由于各个方向的辐射温度相差无几，彭齐亚斯和威尔逊拍下的照片很像网上的搞笑图片“雾霾中的北京”——其实整张图片都是白色的。为了得到一张清晰的宇宙“婴儿照”，你需要把对比度调得非常大，以显示出处处细微的差别。这些差别必定会存在，因为如果在过去每个地方都完全相同，那物理定律会让这种相同保持到现在，绝不可能出现今天这个不均匀的、成块成簇的宇宙——有些地方有星系，有些地方空无一物。相反，宇宙会变成一片荒漠。
然而，事实证明，要拍摄宇宙的“婴儿照”实在太困难了，人们花了将近30年的时间才发展出足够的技术。为了抑制环境噪声，彭齐亚斯和威尔逊不得不使用液氦，将他们的探测器冷却到接近宇宙微波背景辐射的温度。然而，天空中不同地方的温度起伏非常细微，差别大约只有几十万分之一，因此，需要比彭齐亚斯和威尔逊当年的探测器灵敏10万倍，才能拍下宇宙的婴儿照。全球的实验室都在挑战这个领域，但都失败了。
有人说，这个任务根本毫无希望，但有些人却不肯放弃。1992年5月1日，在我的研究生读到一半时，初具规模的互联网上开始对一个传言议论纷纷——天体物理学家乔治·斯穆特（George Smoot）准备要公布一个迄今为止最野心勃勃的微波背景实验结果。他采用的是NASA的宇宙背景探测器——COBE卫星（Cosmic Background Explorer），从冰冷黑暗的太空中发回的数据。我的博士生导师乔·西尔克正好被安排去华盛顿主持斯穆特的演讲。在他飞去华盛顿之前，我问他这个发现有多大胜算。西尔克说，他认为他们并没有发现宇宙中的起伏，只是发现了来自银河系的射电噪声。
然而，斯穆特的演讲并不像许多人想象的那样虎头蛇尾。相反，他在科学界扔下了一颗炸弹，不仅改变了我的职业生涯，还改变了整个宇宙学领域——他的团队真的发现了那些起伏！霍金将其誉为：“如果算不上人类历史上最伟大的发现，那至少也是本世纪内最伟大的发现。”我们接下来将会看到，这些“婴儿照”拍下的是宇宙“只有”40万年历史时的样子。它包含着许多关键线索，让我们得以窥探宇宙的起源。
淘金热
现在，COBE卫星找到了金矿，立刻涌现了一个热潮——人们想从里面挖出更多金子。从图2-5中可以看到，COBE卫星拍下的天图十分模糊，因为低分辨率将小于7°的差别都抹掉了——你能很自然地想到，下一步工作应该是把镜头拉近，聚焦在天空中的一小块区域，用高分辨率和低噪声进行拍摄。下面我将解释，这样的高分辨率天图中暗藏着一些关键的宇宙学问题。
12岁时，我在斯德哥尔摩递送信件，赚到了人生第一部照相机。从那以后，我就很喜欢摄影。所以，给宇宙拍照这个想法，本能地吸引着我。我也很享受用计算机制图的过程，不管是为了我的高中校报《箭毒》（Curare），还是为我自己开发的计算机游戏FRAC——这是一个三维的俄罗斯方块游戏，从中我赚到了1991年环球旅行的旅费。所以，当许多实验物理学家邀请我和他们组成团队，帮他们将数据转换成天图时，我感到由衷的幸运。
我交到的第一个好运，就是认识了普林斯顿大学的年轻教授——莱曼·佩奇（Lyman Page）。我喜欢他孩子气的顽皮微笑。在他的一次会议演讲后，我鼓起勇气去询问他是否有合作的机会。当他告诉我，他在上研究生之前花了很多年在大西洋上航海之后，我更加欣赏他了。后来，佩奇委托我对一个微波望远镜得到的数据进行计算。这个望远镜位于加拿大小城萨斯卡通（Sasktoon）。在那里，他和他的团队花了三年时间，用这个望远镜扫描北极上空的一小片天域。
图2-5 在展示一张全天图时，为了方便起见，通常把它投影在一张平面上，就像地图（上）一样，看起来就像是在抬头看天，而非低头看地。COBE卫星拍摄的宇宙婴儿照（左下）十分模糊，于是，许多人希望把镜头拉近，采用较高的分辨率（中左）拍摄一小块天空。后来，WMAP探测器和普朗克卫星发回了分辨率更高的全天图片（右），它们的分辨率分别为300万像素和5 000万像素。这些全天图都相对地图旋转了一点，目的并不是让天图的中面与地球赤道面相对应，而是让其与银河的盘面对应（左下图中的灰条带）；地球北极指向萨斯卡通天图的中部。（图片来源：帕特里克·迪宁[Patrick Dineen]）
把这些数据转化为图像是相当困难的事情。因为单凭数据无法组成天空的图片，它们只是装满数字的表格，代表着用各种复杂的方法对天区进行加减后测出的伏特数。同时，我也觉得非常兴奋，因为它需要我在信息论和数字计算上付出极大的努力。在慕尼黑的博士后办公室里，我度过了许多个用麦片来保持精力的夜晚。终于，我按时完成了图2-5中的那个萨斯卡通天图。于是，我被邀请到法国阿尔卑斯山参加一个大型宇宙学会议，并在会议上演讲。
到今天为止，我曾在几百个会议上演讲过，但只有少数几个会议的经历独立于记忆的流逝之外，就像被赋予了魔法一样历久弥新，每次想起来都会让我忍不住微笑。阿尔卑斯山的这次会议，就是其中之一。走上演讲台时，我的心简直跳到了嗓子眼儿。我环视了一周，发现礼堂里挤满了人，他们中许多人的研究，我都读过，但大多数人并不知道我是谁。他们来这里开会的主要目的是滑雪，而不是听我这样的新手演讲。但是，我不仅仅感到心跳得厉害，还感受到了房间里涟漪般涌动的能量。人们为宇宙微波背景辐射的新进展而兴奋，我也为自己能参与其中一小部分工作而感到荣幸。那是在1996年——现在想起来简直像寒武纪一样久远，那时候，人们演讲用的幻灯片都是透明的塑料片，而我手中正好握着一张塑料片王牌——萨斯卡通天图的幻灯片（和图2-5中的一样）。它相当于把COBE卫星的图片拉近了仔细观察。我感到房间里流动着一股兴奋的情绪。在茶歇时，一堆人挤在高射投影仪旁边，只为再看一眼那张图片和提问题。宇宙微波背景辐射学的奠基人之一迪克·邦德（Dick Bond）走过来，微笑着对我说：“我简直不敢相信，佩奇竟然把数据给你了！”
我意识到，宇宙学进入了一个黄金时代。新的发现吸引了无数新人和新资金进入这个领域，又再一次促成了新发现的涌现，构成了一个良性循环。会议结束后的一个月，也就是1996年4月，两颗新卫星的基金通过了批准，它们的分辨率和灵敏度都远远大于COBE卫星。其中一个是NASA的WMAP探测任务，是由莱曼·佩奇带头的严谨团队。还有一个是欧洲的项目——普朗克卫星，我为它的基金申请工作做了计算和预测，这让我非常开心。由于空间任务通常需要花很多年来做计划，于是，为了抢在WMAP探测器和普朗克卫星之前出成果，全球各地的小团队都在你追我赶，企图在它们发射之前摘些酸果子。结果，萨斯卡通项目抢到了第一个风头，由此开启了我参与的一系列好玩项目。
接下来，我和许多实验物理学家一起工作。这些实验的名字都稀奇古怪，比如HACME、QMAP、特纳里夫岛（Tenerife）、POLAR、PIQ和飞去来器（Boomerang）。我同他们合作，利用他们的数据来制作宇宙“婴儿照”，并探索其中关于宇宙的秘密。我最基本的游戏规则是担任理论与实验的中间人——我感到，宇宙学正从一个极度缺乏数据的领域，转变成一个拥有超多数据的领域，这些数据多到让人无所适从，所以我决定开发一个工具来充分处理这种数据“雪崩”。具体地说，我的战略是运用一种叫信息论的数学方法，在一个给定的数据集中搜寻与宇宙相关的信息。通常，几兆字节（MB）、几吉字节（GB），甚至几太字节（TB）的信息中，只有非常稀少的几个比特是关于宇宙的信息。它们以十分复杂的方式深深隐藏在纷繁杂乱、数据庞大的噪声中，这些噪声来自探测器的电子设备、大气辐射、银河辐射等各种各样的源头。当时，有一个完美的数学方法可以完成这项大海捞针的任务，但在实践中做起来太复杂，需要计算机进行几百万年的运算。而我发表的几个数据分析方法虽然并不完美，但提取信息的速度足够快，适用于实践。
我喜欢宇宙微波背景辐射的原因有很多。比如，它促成了我的第一段婚姻，让我拥有了两个可爱的儿子，菲利普和亚历山大。我和我的前妻安赫丽卡·科斯塔（Angélica de Oliveira Costa）走到一起，正是因为她从巴西来到加州大学伯克利分校读乔治·斯穆特的研究生。我们的合作亲密无间，不仅限于给孩子换尿布，还包括我前面提到过的许多数据分析项目。其中一个项目是QMAP，它是一个望远镜，装在一个高空气球上，由莱曼·佩奇和马克·德夫林（Mark Devlin）等人放飞到高空，以避免受到地球大气层的微波噪声干扰。
不好了！1998年5月1日凌晨2点，一切看起来都糟透了。还有7个小时，我们的飞机就要飞往芝加哥，我将在那里的一场宇宙学会议上演讲，公布QMAP项目的最新结论。但此时此刻，我和安赫丽卡却在普林斯顿高等研究院的办公室里焦虑不已。宇宙微波背景辐射实验容不下一点错误，也不能忽视任何重要的东西。在科学界，可信度的关键要素是被另一个独立的实验所验证。但由于人们聚焦的天区不同，采用的分辨率也不同，所以根本不可能通过比较两个实验的结论来验证它们是否相符。然而，萨斯卡通和QMAP的天图在一处香蕉形状的天区正好产生了重叠（见图2-5）。我和安赫丽卡灰心丧气地盯着计算机屏幕，感到心沉到了谷底——萨斯卡通和QMAP重叠的那部分天图并排显示在屏幕上，而它们俩根本没有一点相似之处！我们眯着眼睛仔细看，企图把这些差异想象成设备的噪声。但这只是美好的幻想。我们所有的努力都表明，这两张天图中至少有一张是完全错误的。我怎能拿这个结论去演讲呢？这不仅是对我们自己，也是对所有建造和运行实验的科学家们的羞辱。
安赫丽卡全神贯注地凝视着我们的计算机程序，突然间，她发现了一个可疑的负号，大概会使QMAP天图呈颠倒状。我们修正了这个负号，重新运行代码。面对计算机屏幕上的结果，我俩面面相觑，大气都不敢喘——两幅天图几乎完全一样！成败在此一举！接下来，我们睡了短短的几个小时，就飞往了芝加哥。把租来的车停好后，我几乎全靠肾上腺素驱动，一路小跑到费米实验室礼堂。时间不早不晚，刚好轮到我演讲。我实在太兴奋了，根本没注意到自己已经违章停车。直到晚上，我发现我的车离奇地失踪了。
“你把车停哪儿了？”保安问。
“哦，就停在外面啊，在消防栓的正前方。”我回答道，突然脑袋里“咣”的一声，一天内第二次恍然大悟——车被交警拖走了。
宇宙的“沙滩球”
宇宙微波背景辐射引起的淘金热，持续了好几年。这期间，有20多个不同的实验室在你追我赶——我会告诉你一些相关故事。然后，终于轮到WMAP探测器粉墨登场了。2003年3月11日下午2点，房间里挤满了人。我们都挤过来看NASA电视台，因为WMAP项目团队将要公布他们的结果。地面实验和气球实验都只能绘制一部分天区的图像，但WMAP探测器却能像COBE卫星一样，用它超高的分辨率和灵敏度描绘整个天空。我的感觉就像小时候过圣诞节，圣诞老人最后终于出现了——唯一不同的是，圣诞节只需等上几个月，而为这一天，我已经等了好几年。事实证明，等待是值得的——WMAP项目团队公布的图片令人震惊。他们废寝忘食地工作，从申请经费到建设、发射、数据分析和得出结论，只用了不到6年的时间，比COBE卫星快3倍。实际上，为了保持进度，WMAP项目的带头人查克·班尼特（Chuck Bennett）几乎害死了自己——该项目的重要贡献者大卫·斯伯格尔（David Spergel）告诉我，在卫星发射后，班尼特的身体崩溃了，不得不住了三个星期的医院。
此外，WMAP项目团队还在网上公开了所有数据，这样，全世界的宇宙学家都可以尝试自己分析。对我这样的宇宙学家来说，现在终于轮到我们来废寝忘食地疯狂工作了，而他们总算可以高枕无忧地睡大觉。他们的观测结果很出色，但受到了银河系射电噪声的污染。你可以从图2-5中的COBE天图里看到，天图中央有一条水平的条带。对于此，有一个坏消息和一个好消息。坏消息是，来自银河系和其他星系的微波污染遍布整个天空，几乎无处不在，尽管程度很低，而且不容易看到；好消息是，这些污染的颜色与我们想要的信号不同（颜色取决于频率），而WMAP探测器采用了5个不同的频率。用这些信息，WMAP项目团队可以清除污染，而我兴奋地发现了一个更好的方法可以完成此事。
我的方法基于信息论，由此得到了一张更清晰、分辨率更高的照片（见图2-5右下）。我和安赫丽卡以及我们的老朋友安德鲁·汉密尔顿（Andrew Hamilton）一起工作了一个月，终于提交了一篇论文，之后我的生活才慢慢重回正轨。图2-4里有一个球形的微波背景图像，类似的图像也出现在本书的封面上。制作这种图的过程非常好玩，给我带来了很多快乐。WMAP项目的团队也很喜欢干这件事，他们甚至做了一个自己的版本，并把它印在一个塑料沙滩球上。这个球现在还在我的办公室里，让整个屋子蓬荜生辉。我把它称为“我的宇宙”，因为它是一个象征、一个符号，将我们目之所及的万事万物都被囊括在内。
邪恶轴心，天图的神秘队列
接下来，让我们来仔细看看宇宙微波背景中的那些星罗棋布的斑点。从这些斑点的大小，我们能解答许多关于宇宙的秘密。我们知道，声音和颜色都可以被分解成不同频率的组合。与之类似，我们也可以把二维的宇宙微波背景辐射图分解成若干个组分（见图2-6），它们有一个古怪的名字，叫多极矩（multipoles）。本质上来说，这些多极矩天图包含着大小不一的斑块。然而，从COBE卫星开始，人们就注意到了一件可疑的事情——第二个多极矩，也就是四极矩天图中，最大的几个斑块比预计的弱很多。然而当时没人能作出一张四极矩天图，来看看究竟发生了什么，因为这需要一张全天图，但银河系的微波干扰对一些天区造成了不可修复的污染。
图2-6 将图2-5中的WMAP探测器天图分解成一组多极矩的加总，可以看到，其中斑点变得越来越小。最前面的两个天图（左图和中图）中，亮斑排列成一个神秘的队列，被称为“邪恶轴心”。不同的颜色代表与平均温度相比的冷热程度。下方的色条代表单位是μK，也就是1开氏度的百万分之一。
现在，有了WMAP探测器的结果，我们终于获得了清晰的天图，看起来可以拿来一用。那是一个深夜，在我们提交天图论文之前不久，安赫丽卡和孩子们都已经睡了，我也正准备上床。但我实在太好奇了，很想看看那讨厌的四极矩会变成什么样，所以我决定写一个计算机程序，生成一张图片来看看。当图片从计算机屏幕上蹦出来时（见图2-6左图），我顿时被迷住了——它不仅比预想的更弱（较冷和较热区域之间的温度起伏几乎接近零），并且沿着一条有方向的一维条带分布，而不是理论预测的随机分布，所以看起来十分有趣。我当时已经困得要死，但为了奖励自己深夜还在工作，我决定再调试一张新图片，于是我把2改为3，得到了一张第三极矩，也就是八极矩的图片。天呢！这究竟是什么？屏幕上出现的图片中，斑块的分布同样遵循一个一维的条带，方向与四极矩基本相符（见图2-6中图）。这可不是宇宙应该有的样子啊！和我们平时拍的照片不同，宇宙的照片不应该存在一个特殊的方向，比如“上”——它应该看起来很随机，不管你怎么旋转照片，看起来应该都一样。然而，我屏幕上的这张宇宙“婴儿照”却拥有斑马一样的条纹，排列在一个特别的方向上。我怀疑我写的代码有问题，于是又把3改成4，出现了第三张图（见图2-6右图），这次和预测的完全一样——斑点随机分布，没有特殊的方向。
安赫丽卡再次检查了数据，确认一切无误之后，我们把这个惊奇的发现写进了天图论文。令我惊讶的是，《纽约时报》竟然提到了我的论文，还派了一个摄影师过来给我拍大头照。接下来，包括我们在内的许多团队都对数据的细节进行了更深入的研究。有些人把那个特殊的方向戏称为“邪恶轴心”；一些人则辩称这是统计学上的巧合，或者是来自银河的干扰。还有人认为，事实应该比我们想象的更神秘，并声称他们用不同的方法在第4和第5极矩中也找到了类似的异常现象。此外，还涌现了一些新奇的解释，比如，我们生活在一个小小的“面包圈宇宙”中，空间转一圈后与自身相连，但后续的分析认定这是不可能的。直到今天，我对“邪恶轴心”的困惑与那天晚上相比，一点也没有减少。
从0到1，宇宙微波背景理论的历程
2006年，安赫丽卡和我被邀请到斯德哥尔摩，庆祝COBE卫星的研究成果获得诺贝尔物理学奖。不出所料，COBE团队内部开始争抢功劳。最后，奖项由乔治·斯穆特和约翰·马瑟（John Mather）二人分享。看到他俩和解，我十分欣慰。整个COBE团队都被邀请过去，沐浴在当之无愧的荣耀中。我感到，那些不愉快的嫌隙被无休止的高雅酒会用一个明显的事实所黏合了，那就是，他们完成了一项伟大的工作，不仅让两个人同时获得了诺贝尔奖，更重要的是，他们拍下的第一张宇宙“婴儿照”创造出了一个生机勃勃的新领域，把宇宙学的研究带进了一个崭新的时代。我多么希望，乔治·伽莫夫、拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼也出现在这里。
2013年3月21日清晨，我5点就起床了，为了看一个巴黎的网络直播——普朗克卫星团队即将公布他们的第一张宇宙微波背景辐射图像。过去的10年里，ACBAR、ACT、南极望远镜等实验设备都曾拓宽我们对宇宙微波背景的知识，但普朗克卫星才是WMAP探测器以来最大的里程碑。我正在刮胡子时，乔治·艾夫斯塔休（George Efstathiou）正在向公众讲述他们的成果，突然一股怀旧和兴奋交织的感觉涌上了我的心头。我仿佛回到了1995年3月，当时艾夫斯塔休邀请我到牛津大学去和他合作，为还未发射的普朗克卫星开发一种新算法。这是我第一次被邀请参加学术合作，感到十分荣幸。我们一起开发出了一种去除干扰信号的新方法，帮助普朗克项目得到了欧洲空间局（ESA）的资金。时光荏苒，现在浴室镜里这个老了8岁、正在刮胡子的我，终于要看到这个项目的成果了。
当艾夫斯塔休展示普朗克卫星最新的天图时，我忍不住放下刮胡刀，找出我们之前清除了前景干扰的WMAP探测器天图放在笔记本电脑屏幕旁边。它们几乎严丝合缝！宇宙邪恶轴心依然存在！我把这两张图都放到了图2-5中，好让你进行对比。你可以看到，所有大尺度结构都能精致地吻合在一起，但普朗克天图中有更多的小斑点。这是由于它有出众的灵敏度和分辨率，能拍下WMAP探测器因无法辨认而模糊掉的小细节。普朗克卫星证明，我们多年的等待是值得的！由于它出色的质量，普朗克卫星总算为WMAP探测器之前的表现提供了一份可对照的答题卡。仔细消化普朗克卫星的结果后，我认为WMAP项目团队的工作完全能得A+。当然，普朗克卫星项目团队也是如此。然而我认为，普朗克卫星给人们最大的惊喜就是：没有惊喜——从本质上说，它再一次确认了我们已经相信的宇宙图景，只是更加精确。宇宙微波背景辐射，终于成熟了。
泰格马克教授将普朗克卫星天图投影到了一个球体上，读者可以仔细端详它丰富的色彩和细节。
到现在为止，我们已经将最早的时间由140亿年前拨回到大爆炸后40万年，看见周围的空间充满了炙热的等离子体。那时候，没有人，没有行星，没有恒星，也没有星系——只有原子在弹来蹦去，辐射出耀眼的光芒。然而，更加神秘的问题浮出水面：这些原子从何而来？
宇宙，一个熊熊燃烧的核聚变反应堆
之前我们讲到，伽莫夫对宇宙的过去进行了大胆的推演，成功预测了宇宙微波背景，为我们呈现了绝妙的宇宙“婴儿照”。然而对他来说，这个了不起的成就还远远不够，于是，他把时间往回推演到了更早的时候，并算出了结论。时间越早，温度越高。我们知道，大爆炸后40万年时，几千摄氏度的氢元素充满了宇宙空间，几乎有太阳表面一半那么热，所以那时氢元素发生的事，和太阳表面正在发生的一样——发光。所以产生了宇宙微波背景辐射。伽莫夫还意识到，大爆炸后仅1分钟时，氢的温度大约高达10亿℃，比太阳内核还炙热，所以它一定也会发生太阳内核正在发生的事——核聚变，将氢元素聚变成氦元素。然而不久之后，宇宙逐渐膨胀和冷却，冷到不足以发生核聚变时，就像一只无形的手关掉了这个宇宙核聚变反应堆的开关。那时，还没来得及把所有氢都转化为氦。受到伽莫夫的启发，他的学生阿尔菲和赫尔曼对此进行了进一步计算。那时还是20世纪40年代，由于没有现代计算机，他们的工作受到了极大的限制。
宇宙在最初的40万年里是不透明的，之前发生的事都被藏在宇宙微波背景的等离子屏幕后。那么，要如何检验伽莫夫的这个预测呢？伽莫夫意识到，这个情况和对恐龙的研究很相似——你根本不可能直接看到发生了什么事，但你能找到化石证据！用现代观测到的数据和计算机重新运行他们的计算过程，你能预测出，当宇宙还是一个核聚变反应堆时，有25%的质量生成了氦。当你用望远镜，通过遥远星系的光谱来测算它们的氦含量时，你会得到一个数字：25%！对我来说，这和发现霸王龙股骨化石一样令人印象深刻——这就是疯狂往事的直接证据。只不过这件事的疯狂之处在于，万事万物都热得疯狂，就像太阳的核心一样。此外，氦元素并不是唯一的“化石证据”。随着伽莫夫的理论变得广为人知，太初核合成理论（也就是大爆炸核合成）预测，三十万分之一的原子是氘[5]，五十亿分之一的原子是锂。这两个比例都已被观测证实，并与理论值完美契合。
都错了！大爆炸有麻烦了！
没有人能随随便便成功——伽莫夫的热大爆炸理论遭到了冷遇。实际上，“大爆炸”这个名字还是得自一个批评者——弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle），他最初是想以此来嘲笑它的荒谬。根据20世纪50年代的评判标准，大爆炸理论的两个主要预测——宇宙的年龄和原子的丰度，都是错误的。根据哈勃最初对宇宙膨胀的测算预计，宇宙的年龄不会超过20亿年。地质学家们因此感到很困惑，因为地球上一些岩石的年龄都比这个老。此外，伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼当时还希望能证明我们周遭的所有原子都以正确的比例诞生于太初核合成，但他们发现这是不可能的，太初核合成甚至不能产生足够的碳，更不用说氧和其他日常常见的元素了——它只能孕育出氦、氘和一点点的锂。
我们现在已经知道，哈勃极大地低估了星系之间的距离。正因如此，他得出了错误的结论。他所算出的宇宙膨胀速度比真实速度快了7倍，这意味着，宇宙的年龄应该比他所算出来的老7倍。20世纪50年代，人们对星系距离的观测越来越精确，这个错误逐渐被修正。那些不高兴的地质学家终于得到了安慰。
大爆炸预测的第二个“谬误”——原子丰度的错误，也在同一时代消融了。伽莫夫在恒星核聚变上做了很多开创性的研究。他和其他科学家的工作都表明，恒星能产生出氦和一点点其他元素，正如我们的太阳现在正在做的一样。那么，其他元素从何而来呢？伽莫夫希望太初核合成能完成这项任务。然而，20世纪50年代，另一个看起来令人吃惊的核物理发现将氦、铍、碳和氧连接起来了。霍伊尔第一个意识到，恒星在生命末期会将氦变成碳、氧和大部分常见的元素，正是这些元素组成了你和我。此外，恒星结束自己生命的时候会发生爆炸，将它孕育的大部分原子都回馈到宇宙空间，形成气体云，将来又能从中诞生出新的恒星和行星，最终诞生你我。换句话说，我们与天堂之间的联系，比祖辈想象的要紧密得多——我们都是星尘。我们位于宇宙之中，宇宙也存在于我们之中。洞悉了这一点，伽莫夫的太初核合成理论经历了从失败到成功的腾飞。原来，宇宙在最初的几分钟内，确实只生成了氦以及一点点氘和锂，而之后的所有原子都是由恒星创造出来的[6]。原子从何而来的问题最终被解决了。不鸣则已，一鸣惊人。正如热大爆炸理论在“冷宫”里平步青云一样，1964年，伽莫夫的另一个预言也被观测证实，并震惊了宇宙学界，这就是牺牲几只鸽子才确认的大爆炸余晖——宇宙微波背景辐射。
到底什么是大爆炸
现在，我们已经把时间回溯到了140亿年前，那时候整个宇宙是一个熊熊燃烧的核聚变反应堆。当我说了“我相信大爆炸假说”时，只是指我被这个理论说服了，但仅此而已。
大爆炸假说
那时，我们现在所能看到的一切都比太阳的内核还热，它们膨胀得相当迅速，一秒钟内就能膨胀到两倍那么大。
这个爆炸真的很大，所以我们管它叫“大爆炸”。然而，你也许已经注意到，我给它下的定义十分保守，并没有提到它之前发生的任何事。比如，我并没有暗示宇宙当时的年龄为1秒钟，也没有暗示它的密度曾经无限大或者源自某种令数学规律崩溃掉的奇点。对第1章开头的问题10“大爆炸奇点的存在有证据吗”，答案很简单：“没有！”当然，如果我们把弗里德曼方程向时间的源头一步步推演，它们会在太初核合成1秒钟前一个无限致密的奇点崩溃，但在第6章中我们将会看到，量子力学会让这些方程在还没到达奇点时就失效。我认为，区分一件事是“有确凿证据”还是“高度推测”，是非常重要的。在这件事上，对大爆炸之前的事，尽管我们有许多令人兴奋的理论和暗示（我们将在第4章继续讨论），但坦白讲，我们其实什么都不知道。目前，这就是我们知识的边界。实际上，我们甚至不能肯定宇宙是否真有一个开端，还是在太初核合成之前就已经经历了超出人类理解范围的永恒时间。
总的来说，人类对时间的认知已被推进到相当久远的过去，揭示出一条宇宙的故事线（我画在了图2-7中）。大爆炸后100万年，空间中充满了相当均匀的透明气体。如果把宇宙这幕戏剧倒着播放，我们会看到这些气体变得越来越炙热，因为其中的原子互相撞击的强度越来越大，直到碎裂成原子核和自由电子——等离子体。接下来，我们会看到氦原子被撞碎，分裂成质子和中子。然后，它们也被撞碎，变成更基本的粒子——夸克。再往后，我们会跨越人类知识的边界，进入一个全凭推测的疆域——在第4章，我们将探讨图2-7中标着“暴胀”和“量子谜题”的两个阶段。现在，让我们再跳到大爆炸后100万年，让时间往后流逝，我们会看到万有引力放大气体间轻微的不均匀，最终形成了我们今天所看到的星系、恒星和丰富多彩的宇宙结构。
图2-7 尽管我们对宇宙的终极起源知之甚少，但我们对其后140亿年中发生的事却已经了解了很多。随着宇宙的膨胀和冷却，夸克组成了质子（也就是氢核）和中子，接着又聚变成氦核。然后，这些原子核捕获电子，形成原子。在万有引力的作用下，这些原子坍缩成我们今天所观测到的星系、恒星和行星。
不过，万有引力只能将宇宙间轻微的起伏放大，却无法从虚无中创造出起伏。如果宇宙过去是绝对均匀和统一的，万有引力也无计可施，它会永远保持均匀的状态，不可能创造出任何稠密的块簇，更别说星系了。这意味着，在很早的时候，宇宙中一定撒下了这些起伏的种子，得以让引力来放大，这就像一张宇宙的蓝图，决定了哪些地方会生成星系。那这些起伏的种子从何而来呢？换句话说，我们已经看到了宇宙中原子的起源，但是这些原子何以会排列成庞大的星际结构呢？宇宙大尺度结构从何而来呢？在我们所问的所有宇宙学问题中，我认为这是最硕果累累的。为什么？我们将在接下来的两章探索这个问题。
◆由于遥远的光线到达我们需要很长的时间，所以望远镜向我们展开了宇宙的历史画卷。
◆大约140亿年前，我们今天所能看到的一切都比太阳核心还炙热，膨胀得相当快，一秒钟内就能膨胀到两倍大。这就是我所说的“大爆炸”。虽然我们对那之前发生了什么不甚明了，但我们知道许多那之后发生的事——膨胀和聚集。
◆宇宙在核聚变反应堆的状态下仅保持了几分钟，那时就像太阳的内核一样，将氢转变成氦和其他较轻的元素，直到剧烈的膨胀稀释和冷却了宇宙，核聚变才停止了。根据计算，我们预测25%的氢元素变成了氦；观测结果不仅与这个预测完美吻合，还符合对其他轻元素的预测。
◆经历了40万年的膨胀和稀释，氢-氦等离子体冷却成了透明的气体。我们能看到这个转变，在遥远的宇宙深处，有一堵等离子体组成的墙，发出暗淡的光芒，这就是宇宙微波背景，此项研究获得了两枚诺贝尔奖章。
◆在接下来的几十年中，万有引力改变了宇宙的图景，从无聊的均匀一致到有趣的成块成簇，放大了我们在宇宙微波背景上所看到的细微密度差别，最终形成了我们今天看见的行星、恒星、星系和宇宙大尺度结构。
◆宇宙暴胀理论预测，遥远的星系会遵循一个简单的方程，离我们远去，这和我们的观测十分相符。
◆简单的物理定律就能准确地描述宇宙的整个历史，也让我们能从过去预测未来，并从未来推断过去。这些支配着宇宙历史的物理定律，都是以数学公式的形式呈现，所以，我们对宇宙历史最精确的描述，都是数学描述。
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