宇宙学家经常会犯错，但他们从不优柔寡断。
列夫·朗道（Lev Landau）
从理论上说，理论和实践是一样的，但从实践的角度来说，它们却截然不同。
爱因斯坦
“哇！”我惊讶得下巴几乎掉到了地上。我站在路边，一句话也说不出来。眼前的这番景象，我每天都会看到，但却从没好好地端详过它。此时，正是凌晨5点钟，我把车停在一条横穿亚利桑那州沙漠地带的高速公路边，正在查看地图。突然间，我被深深触动了——看，天空！这不再是我从小看到的那片被光污染得糟透了的斯德哥尔摩的天空，因为那里只能看到北斗七星和几颗稀疏又暗淡的星星。而此时此刻，我正凝视着的是一片蔚为壮观、摄人心魂的浩瀚苍穹，成千上万颗明亮的光点，汇成了美不胜收的各种形态。银河闪耀其上，就像一条壮丽的星系高速公路，横跨整个苍穹。
在干燥的沙漠空气中，我的视野被放大，能看到海拔2 000米以上。但我相信，你也曾在远离城市灯光的地方见过这样的美景，你一定和我一样，心中充满了敬畏。那么，这一敬畏又源于何处？毫无疑问，一部分是因为星星和这辽阔的一切。但是，还有一些其他的东西令我们惊讶万分，那就是星星组成的形态。我们的祖先对这些形态十分好奇，为了解释它们而创造出了许多神话故事。一些文明把星星分组，想象成一个个星座，并用神话中的人物来描绘它们。很显然，恒星在夜空中并不是像波点图案一样均匀分布，而是成团成簇的。那天凌晨，我所看见的最大的星际形态，不是别的，正是我们的银河。利用望远镜，我们会发现，星系与星系一起也能聚集成团簇状的结构，拥有着迷人的形态，组成了星系群和星系团以及硕大无朋的丝状结构，盘踞着亿万光年的宇宙空间。那么，这些形态是怎么形成的呢？这些巨大的宇宙结构究竟源于何处呢？
在上一章的结尾，我们了解到万有引力会带来不稳定性，这同样使我们开始疑惑宇宙大尺度结构的起源。换句话说，我们的理性探讨和对星空的敬畏之情，两者殊途同归，都提出了同样的一个问题：这些宇宙结构源自何方？这就是本章将要探索的关键问题。
正如我们在上一章所看到的那样，人类依然不理解宇宙的终极起源，尤其不知道在宇宙成为核聚变反应堆、一秒钟能膨胀两倍之前发生了什么事。不过，那之后的140亿年发生的事情，我们已经了解得很多了，那就是膨胀和聚集成团。这两个过程都受到万有引力的控制，将炙热、平滑的“夸克粥”转变成今天这个点缀着灿烂星辰的宇宙。在上一章里，我们把宇宙的历史快放了一遍，其中，宇宙膨胀逐渐稀释和冷却了基本粒子，让它们能够聚集成较大的结构，比如原子核、原子、分子、恒星和星系。自然界存在4种基本作用力，其中3种力轮流驱动着聚集成团的过程：首先是强相互作用力将原子核黏合在一起，接着是电磁力造就了原子和分子，最后是万有引力编织出了让夜空熠熠生辉的大尺度结构。
万有引力是如何做到这一点的？如果你骑自行车时遇到红灯，你会捏紧刹车闸，此时你就会立刻感受到引力导致的不稳定——因为你会开始不由自主地左右摇晃。为了保持平衡，你只好把其中一只脚放在地上，才不至于摔倒。这些不稳定性的本质是由于细微的波动被放大了。在自行车的例子中，你离平衡状态越远，引力就越容易将你拉倒。而对宇宙来说，宇宙离完美的均质越远，聚集的程度就越容易被引力放大。如果一个区域的密度比周围稍稍大一些，引力就会把邻近的物质也拉过来，让它的密度变得更大，这样它的引力也就变得更大，使得它累积质量的速度也越快。这就好像当你本身就很有钱时，赚钱就变得更容易一样，当质量很大时，累积更多质量的过程就变得很容易。140亿年的光阴，万有引力带来的不稳定性已经足够将哪怕一丁点儿的密度起伏放大为巨大致密的团簇，比如星系，从而将曾经无聊透顶的宇宙涂抹得多姿多彩。
过去几十年里，宇宙膨胀和聚集成团的大格局已被人们所知，但直到我开始上研究生并最初接触宇宙学的1990年，人们对它细节的认知还是雾里看花、水中望月。那时，人们尚在辩论宇宙的年龄究竟是100亿年还是200亿年，反映出长期以来人们对宇宙膨胀速度的不同理解。宇宙现在和过去分别膨胀得多快呢？人们对这个问题已经争论了很长时间。而关于宇宙聚集的讨论则建立在更加摇摇欲坠的基础上，因为人们发现，观测值和理论值大相径庭，反映出一个令人震惊的事实：宇宙中有95%的组成部分，我们竟全然不知它们为何物！COBE实验测量数据显示，在宇宙大爆炸40万年后，宇宙只有0.002%的聚集度，这显然说明了，仅靠万有引力，根本不足以把这些微弱的聚集放大到今天我们看到的宇宙大尺度结构，除非存在一种隐藏的物质形式，来贡献额外的引力。
这种神秘的物质被称为“暗物质”，这个名字正好反映了我们对它的无知。其实，“不可见物质”这个名字会更适合一点，因为它看起来是透明的，而不是黑暗的。如果它穿越你的手掌，你将完全察觉不到。确实是这样，来自太空的暗物质穿透地球时，对地球没有任何影响，而当它穿过整个地球后，会毫发无伤地出现在另一边。如果你觉得暗物质还不够疯狂，下面我将向你介绍另一种神秘物质。有它的存在，宇宙膨胀和聚集的理论预测才能与观测结果相符，它就是暗能量（见图3-1）。人们假定，暗能量只会促使宇宙膨胀，但对聚集成团没有一点贡献，并且暗能量永远都是均匀分布在宇宙中的。
图3-1 暗物质和暗能量都是不可见的，这意味着，它们之间的相互作用不会产生光线和其他电磁现象。我们只能通过万有引力的作用来判断它们的存在。
暗物质和暗能量饱受争议已经许多年。对暗能量来说，最简单的候选者就是所谓的宇宙学常数。我们之前提到过，宇宙学常数是爱因斯坦为自己的引力理论所加上的荒唐数字，后来又自称为他一生最大的错误。1934年，为了解释将星系团聚拢在一起的额外引力，天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）提出了暗物质假说。到了20世纪60年代，薇拉·鲁宾（Vera Rubin）发现，旋涡星系的自转速度非常快，如果仅靠可见物质提供的万有引力，它们早就分崩离析了，所以它们一定包含着某种看不见的物质，以提供额外的万有引力，维系星系的完整。这些假说遭到了强烈的质疑——如果我们将这些无法解释的现象都归咎于某些可以穿墙而过的不可见物质，那我们是不是应该相信鬼魂的存在？
历史上也曾有过令人不安的荒谬先例。在古希腊，当托勒密意识到行星轨道并不是完美的正圆形时，他炮制出一个复杂的理论，声称行星先是绕着较小的圆圈旋转（称为“本轮”[epicycles]），再由这些小圆圈绕着大圆圈旋转。正如我之前讲到的那样，更精确的万有引力理论扼杀了本轮理论，预测出行星的轨道是椭圆形，而不是正圆形。说不定在未来，我们还会发现一个更精确的万有引力理论，这样，暗物质和暗能量也能像本轮理论那样“退休”了。如果真发生了这种事，我们还能不能把今天的宇宙学当真呢？
这是我上研究生时所问的问题。要回答这些问题，需要更精确的观测，将宇宙学从一个极度缺乏数据、高度依赖推测的领域转变为一门精密的科学。幸运的是，这正是目前正在发生的事。
我们在图2-6中看到了由宇宙微波背景实验所生成的宇宙“婴儿照”，它可以被分解成一组不同天图的组合，即“多极矩”。从本质上讲，每个多极矩中都包含着大小不一的斑点。图3-2中展现了每个多极矩中温度起伏的总量。这条曲线被称为宇宙微波背景的“频谱”（power spectrum），展示了天图中隐藏的宇宙学信息。翻到图2-4，你会看见图中有许多斑点狗一样的斑块——这些斑块大小不一，有的占据天空中1°的范围，有的跨越2°，诸如此类。在频谱中，你能看出每种大小斑块的数量有多少。
频谱最大的好处在于，我们不仅可以测量它，还可以预测它——对于许多关于宇宙膨胀和聚集的数学模型来说，我们可以准确地计算出它们的频谱长什么样，而且不同模型预测出的曲线相去甚远（见图3-2）。如今，图3-2中的曲线几乎都被观测结果否定了，只剩下唯一的一条。但在我上研究生时，这些被否定掉的曲线中的每一条，都至少有一位德高望重的同行全心全意地相信它是正确的。频谱的曲线形状取决于很多复杂的因素，包括影响宇宙聚集成团的所有因素（比如原子的密度、暗物质的密度、暗能量的密度和“种子”起伏的性质），所以，如果我们能调整关于这些因素的前提假设，让预测符合观测，那我们就能找到一个完美的模型，不仅可以进行预测，还可以测算这些重要的物理量。
图3-2 对宇宙微波背景中各个起伏所占的角度进行精密地测量后，许多曾流行一时的理论模型都被排除了，但是标准模型却与之完美相符。在这张图里，你能欣赏到现代宇宙学最卓越的成就，而不用担心细节问题——现代高度精密的测量结果都与理论预测值相符。
望远镜和计算机，改变和颠覆
当我在研究生阶段首次知道宇宙微波背景时，根本没有频谱这种东西。后来，COBE卫星给我们创造了机会，让我们第一次接触到这种歪歪扭扭、深奥难懂的曲线。这种曲线最左端的高度大约为0.001%，那里附近的倾斜度几乎为水平。COBE卫星的频谱中隐藏着很多信息，但是当时没有人能够把这些信息挖出来，因为这需要处理一个占据31MB空间的沉闷数表，称为“矩阵”。在今天看来，31MB的数据量简直小得可笑，你手机上的一段短视频都有这么大。但是，在1992年，这是一个令人望而生畏的数字。所以，我和同班同学泰德·邦恩（Ted Bunn）暗中打起了小算盘。我们系的马克·戴维斯（Marc Davis）教授有一台叫作“魔豆”（magicbean）的计算机，拥有32MB内存。在无人注意的凌晨，我常常偷偷摸摸地登录这台计算机，让它分析我们的数据。几个星期的秘密行动后，我们终于发表了一篇论文，里面包含着当时对频谱曲线形状最精确的测算。
这段经历让我意识到，正如望远镜改变了天文学一样，计算机技术的飞速发展也将让天文学发生翻天覆地的变化，并跨上一个新台阶。现在，你使用的计算机性能已非常强大，可以在几分钟内完成我和泰德用戴维斯教授的计算机算了几个星期的程序。看到那么多实验物理学家为了收集宇宙的数据而鞠躬尽瘁，我感觉我们欠他们很多，于是决定帮助他们处理数据，就像挤牛奶一样，直到挤完数据中的最后一滴精华。接下来的10年中，这成了我的主要工作。
我最着迷的一件事是如何更好地绘制频谱图。有的方法速度很快，但是不太精确，并且存在一些其他问题。后来，我的好友安德鲁·汉密尔顿找到了一种理想的方法，但却需要超大量的计算，运算量相当于天图像素数的6次幂。也就是说，用这种方法测算COBE卫星天图的频谱，需要的时间比宇宙的年龄还长。
1996年11月21日，新泽西州的普林斯顿高等研究院里显得安静又黑暗。在这儿的办公室里，我在咖啡的陪伴下又度过了一个疯狂的夜晚。我为自己的一个新想法而感到兴奋，因为这将把汉密尔顿方法中的6次幂降低到3次幂，这样，我就可以在一小时内算出COBE卫星最精确的频谱。当时，我正在手忙脚乱地完成次日会议的一篇论文。在物理学界，一旦我们完成一篇论文，就会立刻把它上传到一个免费网站http：//arXiv.org/上，这样我们的同行就能尽早地读到它们，以免在审稿和出版过程中陷入泥淖。对此，我有一个坏习惯——在我写完论文的前一天上传，时间点选在那天上传的最后期限刚刚结束之后。这样，我的论文就会成为第二天的论文列表中的第一个。但这有一个坏处，如果我没有在24小时内写完论文，我就会因上传一篇没有写完的草稿而在全世界的同行面前丢尽老脸，成为愚蠢的纪念碑。
这一次，我的策略终于“后院起火”。我打算在凌晨4点左右上传完整的论文，然而，欧洲那边“早起的鸟儿们已经开始吃虫子了”，他们看到的是尚未完成、一团乱麻的讨论。在第二天的会议上，我的好友劳埃德·诺克斯（Lloyd Knox）递交了一篇论文，描述了一种和我差不多的方法，这是他和安德鲁·杰菲（Andrew Jaffe）、迪克·邦德在多伦多得出来的成果，但还没有写完发表。当我宣布我的结果时，劳埃德微笑着对迪克说：“泰格马克真是小快手！”结果证明，我们的方法相当有用。从那时起，几乎所有的微波背景频谱都采用这种方法来测算。有趣的是，我和诺克斯循着两条几乎完全相同的平行线在生活——我们在同一时间想到了同一个点子（实际上，他比我更早想到一个很酷的方程，可以用来处理微波背景天图的噪声），我们同时有了两个儿子，我们甚至在同一时间离了婚。
山中宝藏
随着实验方法、计算机和研究方法的进步，图3-2中频谱的测算方法逐步优化。正如图中所示，这些曲线的形状看起来有点像起伏的群山，有着一系列明显的波峰。如果你测量了许多大丹犬、狮子狗和吉娃娃的大小，并在坐标系中标出它们大小的分布情况，那你会得到三个峰值。同样的道理，如果你测量图2-4中的宇宙微波背景斑点，并标出它们大小的分布情况，你会发现，其中有几种特别的尺寸十分常见。图3-2中最突出的峰值对应着角距离约为1°的斑点。这是为什么呢？原来，这些斑点是由声波所引起的。这些声波在宇宙等离子体中以接近光速的速度横冲直撞。由于宇宙等离子体存在于大爆炸后40万年，这些斑点的大小也扩大到大约40万光年。40万光年的斑点在140亿年后将在天空中覆盖多大的角距离呢？如果你计算一下，得到的结果就是大约1°。除非，空间是弯曲的……
正如我们在第1章中讨论的那样，均匀的三维空间并不只有一种。除了我们在中学所学的平滑的欧几里得几何学之外，还有一些弯曲的空间，其中的角度遵循着截然不同的公理。
●中学时，老师告诉我们，在一张平坦的纸面上，三角形的内角和等于180°。
●如果你把三角形画在橙子弯曲的表面上，它的内角和加起来将超过180°。
●如果你把它画在一个马鞍上，它的内角和会小于180°（见图1-7）。
同样地，如果我们的物理空间弯曲得像一个球面，那么微波背景斑点所覆盖的角距离就会超过1°，使得频谱曲线的峰值向左移动全角；如果空间像马鞍一样弯曲，那这些斑点的角距离就会小于1°，使得频谱曲线的峰值向右移动。
在我看来，爱因斯坦的引力理论中最令人倾心的理念就是，几何并不只是数学的，也是物理的。尤其是，爱因斯坦的方程告诉我们，空间中包含的物质越多，弯曲得就越厉害。在这种弯曲的空间中，物体并不是沿直线运动，而是弯向有质量的物体——以一种几何的方式解释了万有引力。这开启了一种测量我们宇宙的全新方式——只需要测量一下宇宙微波背景频谱曲线中的第一个峰值！如果峰值的位置表明宇宙是平的，那根据爱因斯坦的方程，宇宙的平均密度就是10-26kg/m3，相当于每个地球大小的体积内包含10毫克物质，或者每立方米包含6个氢原子。如果第一个峰值非常靠左，密度就会变大，反之亦然。面对暗物质和暗能量所带来的困惑，测算宇宙的密度变得异常重要，所以，全世界各地的实验团队都在争先恐后地测算第一个峰值的位置。它也被认为是最容易测算的一个峰值，因为测量大斑点肯定比测量小斑点容易。
1996年，莱曼·佩奇的学生巴斯·尼特菲尔德（Barth Netterfield）利用萨斯卡通的数据率先发表了一篇论文，让我第一次得以窥见这个饱受关注的峰值。看到这篇论文，我在心里欢呼了一声，忍不住放下满勺子的麦片，开始认真读起来。我的大脑告诉我，这个频谱峰值背后的理论非常优雅，但我内心却感到，人类的推演不可能做好这件事。3年后，莱曼·佩奇的另一位学生安伯·米勒（Amber Miller）又带头发表了一篇论文，对第一个峰值进行了更精确的测算，发现它的位置大概对应一个平坦的宇宙。但我依然不太敢相信这是真的。到了2000年4月，我终于接受了这一点。一个名为“飞去来器”的微波望远镜，悬挂于一个足球场那么大的高空气球下面，在南极上空环航了11天，终于得到了当时最精确的频谱数据。其中的第一个峰值堪称完美，刚好处于平坦宇宙的位置。于是，我们终于知道了宇宙的空间平均密度。
“远浮于世烟云外”的暗能量
如果把宇宙中的物质纳入考虑，这个测量结果就显得十分有趣了。根据图3-3中第一个峰值的位置，我们知道了宇宙的总量，它就好像一个“总预算”。我们也知道普通物质的密度，并通过测量宇宙聚集成团的引力效应了解了暗物质的密度。然而，普通物质和暗物质的总量加起来却只有“总预算”的32%，那剩下的68%是什么呢？一定是某种特殊的、不会聚集成团的东西，我们把它称为“暗能量”。
图3-3 宇宙的“总预算”。宇宙微波背景频谱峰值的水平位置告诉我们，宇宙空间是平坦的，宇宙的平均密度大约是水的密度的1/1030。峰值的高度告诉我们，宇宙有32%是由普通物质和暗物质组成，所以剩下的68%一定由其他东西组成，这就是暗能量。
下面我来请出一位重磅嘉宾——超新星。关于宇宙膨胀（而非聚集）的众多独立证据向我们证明，暗能量所占的比例不多不少，正好是68%。之前我们曾谈到，科学家用造父变星作为“标准烛光”来测量宇宙中的距离，现在，我们宇宙学家的工具箱中多了一个更加明亮的标准烛光，它在几百万光年，甚至数十亿光年外也清晰可见。这就是宇宙中的超级大爆发——Ia型超新星，它们在几秒内释放出的能量甚至超过了10亿亿个太阳。
还记得《小星星》这首歌吗？当简·泰勒（Jane Taylor）写下歌词“远浮于世烟云外，似若钻石夜空明”（Up above the world so high, Like a diamond in the sky）时，她并不知道自己是多么有预见性——再过50亿年，当我们的太阳走到生命的尽头，它会变成一颗白矮星，那是一个主要由碳元素组成的巨球，就像钻石一样。今天，我们的宇宙中充满了白矮星，它们都是古老恒星的遗物。其中许多白矮星的重量都还在持续增加，因为它们正狼吞虎咽地从伴星那里吸取气体。当超重时（达到1.4倍太阳质量），它们就会突发恒星版的“心脏病”——变得极其不稳定，并发生超大规模的热核爆炸，这就是Ia型超新星。由于这些宇宙炸弹都拥有相同的质量，所以，它们的能量也几乎一样强大。
此外，人们还发现，每颗Ia型超新星爆炸的能量有着轻微的差别，这些差别与爆炸的光谱以及明暗变化的速度相关，而这些因素都可以被测量。这样，Ia型超新星就变成了天文学家手中精密的标准烛光。
索尔·佩尔穆特（Saul Perlmutter）、亚当·里斯（Adan Riess）、布莱恩·施密特（Brain Schmidt）、罗伯特·科什纳（Robert Kirshner）等人运用这种技术，精确地测量出了大量Ia型超新星之间的距离，并根据红移计算出了它们的退行速度。根据这些计算结果，他们重构出当时最精密的宇宙膨胀模型，揭示出宇宙在过去不同的时间段里不同的膨胀速度。1998年，他们宣布了一个令人惊讶的结论，并最终获得了2011年诺贝尔物理学奖，即宇宙在最初的70亿年里都在减速膨胀，但是从那之后，宇宙竟然开始加速膨胀！如果你向空中抛出一块石头，地球的万有引力会降低它远离地球的速度，然而宇宙加速膨胀却揭示出一种奇怪的“引力”，它并非吸引，而是相斥。下一章我将进一步探讨，爱因斯坦的引力理论预测到暗能量正好拥有这种反引力的作用。超新星的研究团队们发现，68%这个比例正好能和他们的观测结果完美地吻合。
喜忧参半
对我来说，当科学家最好玩的事情就是可以和很酷的人合作。与我合作论文最多的是一个友善的阿根廷人，名叫马蒂亚斯·扎尔达瑞亚（Matias Zaldarriaga）。我和前妻私下里给他起了个昵称叫“伟大的扎尔达”（Great Zalda），并一致认同，他的幽默感甚至超越了他的科学天赋。如果要预测图3-2中的频谱曲线，就必须用到他参与编写的计算机程序。有一次，马蒂亚斯还跟人赌一张去阿根廷的机票，只因有人说他的预测是错误的、根本没有什么峰值。
为了给“飞去来器”团队的结果做准备，我们加快了计算速度，并构建了一个庞大的数据库，装满了用来同观测进行对比的模型。当“飞去来器”团队公开数据时，我再一次向http：//arXiv.org/网站上传了一篇没写完的论文，接着，我们兴高采烈、夜以继日地工作，争取能在星期日晚上之前完成它。普通物质（也就是原子）聚集形成的物体能被暗物质毫发无伤地穿过去，所以二者在宇宙空间中的运动方式是不一样的。这意味着，普通物质和暗物质影响宇宙聚集成团和宇宙微波背景频谱曲线（见图3-2）的方式也截然不同。具体地说，在宇宙“总预算”中增加原子的数量，会降低频谱中的第二个峰值。“飞去来器”团队的频谱曲线中，第二个峰值非常微弱，我和马蒂亚斯发现，这需要宇宙中包含至少6%的普通物质才会有这样的结果。但是，第2章中提到的宇宙核聚变反应堆——也就是太初核合成只有在原子只占5%的情况下才起效果，所以，一定有哪里出错了！
当时，我将要在阿尔伯克基市（Albuquerque）进行演讲，我在那里度过了难忘的几天。我很振奋，因为我将把宇宙泄露给我们的全新线索告诉听众。手忙脚乱中，我和马蒂亚斯差点错过上传论文的截止时间，但我们还是比“飞去来器”团队的分析论文早了一步。他们很不幸地被一台老旧的计算机给拖累了，只因为论文中一个图名长出了一个单词。
交叉球棍在冰球比赛中可不是什么好事，但交叉检验对科学却大有裨益，因为它可以让隐藏的错误无处遁形。“飞去来器”让宇宙学家们得以有机会对宇宙“总预算”进行两次交叉检验：
●我们用两种不同的方法测算了暗能量的比率（分别是Ia型超新星和宇宙微波背景频谱峰值），结果都是一样的。
●我们用两种不同的方法测算了普通物质的比率（分别是太初核合成和宇宙微波背景频谱峰值），结果却不一样。所以，这两种方法中，至少有一个是错误的。
三位圣诞老人的礼物
一年后，在华盛顿特区的一场富丽堂皇的新闻发布会现场，我的屁股简直像粘在了椅子上，感觉就像圣诞老人来临了三次。第一个“圣诞老人”是天文学家约翰·卡尔斯特姆（John Carlstrom），他宣布了自己用南极的DASI微波望远镜发现的结果。他先讲了一段冗长的技术细节，这些我都已经知道了。接着，他公布了一张频谱曲线图，这是我当时见过的最惊艳的一张！
接下来，“圣诞老人二号”出现了，他是来自“飞去来器”团队的约翰·鲁尔（John Ruhl）。他和卡尔斯特姆一样，也先讲了一段冗长的话。接着，又是一张令人吃惊的频谱图，包含三个峰值，和DASI的图像完美地吻合。这一次，曾经羸弱的第二峰值变大了，因为他们改进了望远镜的建模系统。
最后，“圣诞老人三号”保罗·理查兹（Paul Richards）公布了气球实验MAXIMA的结果，与前两个结果相当一致。我简直惊呆了。这么多年里，我一直梦想着能够从微波背景中得到那些神出鬼没的线索，现在它们就近在眼前！宇宙只有几十万年历史时发生的事，像画卷一般徐徐展开在人们面前——人类想破解这个秘密，曾经听起来是多么傲慢，但现在它真的发生了！
那天晚上，我赶紧用这些新数据重新运行了我的模型拟合软件，第二个峰值真的变高了，我的代码预测出原子的比率为5%，与太初核合成完美吻合。原子的交叉检验终于从失败的深渊爬上了胜利的顶峰，宇宙终于重新恢复了秩序，并一直保持着——到现在，WMAP探测器、普朗克卫星等对频谱曲线又进行了更精确的测量（见图3-2），我们能从中看到，原来那些早期的实验一直都是正确的。
到2003年，宇宙微波背景辐射大概是宇宙学领域最成功的故事。它成了一剂灵丹妙药，仿佛可以解决所有问题，让我们能测量出宇宙学模型中的所有关键数据。但这种看法是错误的。假设我的体重是90公斤，光靠这个信息显然不足以让你得知我的身高和胖瘦，因为这两者都是体重的决定因素——我可能又高又瘦，或者又矮又胖。我们在测算宇宙其他的重要数据时，也会遇到类似的问题。比如，那些特殊的宇宙微波背景斑点的大小与图3-2中频谱峰值的位置相对应，这些斑点的大小取决于两个因素——空间曲率和暗能量密度，前者会放大或缩小斑点，后者会影响宇宙膨胀的速度，从而影响斑点所在的等离子体与我们之间的距离，也就能影响它们看起来的大小。
所以，尽管许多记者声称“飞去来器”团队和WMAP项目团队的实验都表明我们的宇宙空间是平坦的，但事实可能并非如此——如果暗能量的占比约为70%，宇宙就是平坦的；但如果暗能量的占比不是70%，空间就是弯曲的。除此之外，还有一些参数对无法从微波背景的数据中提取出来，比如早期宇宙中的聚团程度和第一批恒星形成的时间，这两个数据都会以相似的方式影响图3-2中的频谱曲线（都会改变峰值高度）。我们在中学课堂上就已经学到，要算出两个未知数，至少要有两个方程。在宇宙学中，我们希望确定7个未知数，但仅靠微波背景，不足以提供那么多信息。所以，我们还需要更多的宇宙测量数据，比如一个三维的星系图。
星系红移巡天
在绘制三维的星系图之前，我们首先需要分析二维的天图，从中发现星系的影踪，接下来再测量它们各自的距离。迄今为止最雄心勃勃的三维星系图计划是“斯隆数字化巡天”（Sloan Digital Sky Survey, SDSS）。我在普林斯顿大学做博士后时，有幸参与到了这个项目中。在此之前，已有一小拨人为筹划这个项目而工作了将近10年的时间。他们搭建了望远镜的硬件设施，让一切走上正轨。这个定制的2.5米望远镜位于新墨西哥州，它花了十几年的时间扫描了超过1/3的天空，绘制了一幅二维的天图（见图3-4）。吉姆·冈恩（Jim Gunn）是普林斯顿大学的一名教授，他总让我想起长着大胡子的友善巫师。他施展自己的魔力，为这个望远镜造了一台神奇的数码相机，这是当时天文学领域最大的照相机。
图3-4 SDSS计划中包含着超巨量的信息。左图中的球体代表整个天空，其中包含大约1万亿像素，是100万像素的100万倍。你可以把镜头拉近，就像第二张图片一样，聚焦在北斗七星之后的一个旋涡星系。在SDSS的天图中，每个地方都可以这样拉近，让你仔细查看。（图片来源：麦克·布尔顿[Mike Blanton]、大卫·霍格[David Hogg]/SDSS）
如果仔细观察SDSS的天图（见图3-5），你将会发现数不清的恒星和星系等物体——实际上，大约超过5亿个。这个数字非常庞大，如果你让一个研究生把这些物体一个个找出来，假设他的速度为每秒一个，每天不休息地工作8小时，一周工作7天，没有周末和节假日，那也得等上50年。即便对计算机来说，这个任务也陷阱重重——它需要区分出星系（看起来真的很模糊）、恒星（如果没有大气层干扰，看起来就是一个针尖似的亮点）、彗星、卫星和各种人造物体。更糟糕的是，这些物体经常相互重叠在一起，比如，一颗较近的恒星挡在了一个遥远星系的前面。很多人为这个问题伤透了脑筋，花费了很多年的时间。最终，这个问题被一个英雄般的程序解决了。写这个程序的人叫罗伯特·卢普顿（Robert Lupton），是一个活泼可爱的英国人，他在电子邮件里用“好人罗伯特·卢普顿”作为自己的签名，并且不爱穿鞋，总喜欢光着脚走来走去。
图3-5 普林斯顿大学天文学系里，有一整面墙都用SDSS的一小块天图来装饰。第二张照片里，卢普顿正在和我的儿子们一起仔细观察这张天图。卢普顿的软件辨识出天图中所有物体之后，我们已经测出了大部分有趣的星系与地球之间的距离，创建了一个三维的天图（左图）。这个天图中，地球位于中心，每个点都代表一个星系。“斯隆长城”（Sloan Great Wall）位于图中从上往下约1/3的地方。
下一步工作，就是测出每个星系的距离了。在第2章，我们介绍了埃德温·哈勃的定律v=Hd，这意味着宇宙在膨胀，并且星系的距离d越大，它远离我们的速度v就越快。如今，哈勃定律已经打下了坚实的基础，我们可以把它反着算，先用星系光谱线呈现出的红移测出它的退行速度v，再用v来计算星系的距离d。从根本上说，在天文学里，测量红移和速度比测量距离要简单得多，所以哈勃定律可以为我们节省大量的工作——我们只需要先用较近的星系测出哈勃常数H，然后测出遥远星系的红移谱线，得出速度v，再除以H，就可以得到一个八九不离十的距离d了。
卢普顿的软件解决了物体分类的问题，接下来我们测量了100万个星系的光谱。在哈勃的年代，他发现宇宙膨胀用了24个星系的光谱，而这24个光谱花了好几个星期的时间才获得。相比之下，SDSS简直可以实现量产——每小时能生成640个光谱，并同时进行测算。它的诀窍就是将640根光纤排布于望远镜的焦面上，置于卢普顿的软件认定有星系的地方，用这些光纤将星系的光线导入光谱仪，光谱仪再将数码相机拍摄的图像分解成640个单独的彩虹。大卫·施莱格尔（David Schlegel）等人开发了另一个软件包，用来分析这些彩虹，并根据光谱的红移程度计算出它们的距离以及星系的其他性质。
在图3-5左图中，我切下了一片宇宙的三维天图，其中的每个亮点代表一个星系。每当我想远离尘世时，就会用一个三维的宇宙飞行模拟器在其中飞来飞去，穿行在星系间。这种经历展示了一个壮美的事实：我们是某种更庞大的造物的一部分——这不仅仅是在说地球是太阳系的一部分、太阳系是银河系的一部分。事实上，我们的银河系也只是一张巨网的一小部分，而这张巨网由星系群、星系团、超星系团以及庞大的丝状结构编织而成。当我凝视着SDSS天图时，我注意到了一个明显的结构，它的尺度是如此震慑人心，简直让我目瞪口呆，怀疑自己的程序出错了。这个结构后来被称为“斯隆长城”（见图3-5左图）。它的出现绝对不是错误，而是真实的存在。我的一些同事也注意到了它的存在。它的长度有140亿光年，是我们的宇宙中目前已知的最大结构。这些大尺度团簇结构，是宇宙学的宝藏，包含着许多价值连城的信息，而这正是宇宙微波背景所缺少的。
从被嘲笑的宇宙学到精密宇宙学
这些星系分布的模式，对应着宇宙微波背景天图中所呈现的模式——只不过晚了亿万年，同时被引力所放大了。假如一个区域的气体密度比周围大0.001%，那它可能在WMAP探测器天图（见图2-4）中形成一个斑点，而到了今天，此处可能就聚集着几百个星系。从这个意义上说，我们可以把宇宙微波背景起伏看作宇宙的DNA，它是一个蓝图，决定着宇宙将变成什么样。将宇宙微波背景中过去的微弱聚集与三维星系图中现在的明显团簇进行对比，我们就能测量出那些用引力促成这些聚集的物质具有什么性质。
我们之前提到，宇宙微波背景中的聚集可以用频谱曲线（见图2-2）来表示，星系的聚集也同样可以。然而，要精确地绘出这条曲线却十分困难——我花了整整6年的时间来完成SDSS的星系频谱曲线（见图2-6），这还没有算上其他同行给予我的大量帮助。这是我这一生最筋疲力尽的项目。一次又一次，我对自己说：“感谢上帝，我就要做完了，因为我再也受不了了！”然而，一次又一次，我又会在分析中发现一个新的大问题。
为什么这个任务如此之难，竟难于上青天？其实，如果我们知道每个星系的准确位置，同时拥有一台无限强大的计算机来分析它们，那这件事其实相当容易。但是在实践中，因为各种各样的原因，许多星系都不为我们所见，即使是我们能看见的星系，有一些距离和亮度也与我们认为的不一样。如果我们忽略这些事实，就无法绘制出准确的频谱曲线，从中得出的结论也将错漏百出。
图3-6 宇宙中物质的聚集情况可以用这个频谱曲线来表示。横坐标10亿光年处对应的曲线值大致等于10%，意思是说，当你测量宇宙中半径为10亿光年的球形空间内的质量时，你测得的结果会根据这个球形空间在宇宙中的不同位置而变化，变动区间为10%。和我刚开始工作时不同，现在有了高度精确的测量结果，并且它们都符合理论预测。上图中，你可以看到，5个不同实验的测量结果都相互吻合，尽管它们的数据、团队和方法大相径庭。在我看来，这是一件非常了不起的事情。
最早的三维星系图实在太小了，没办法进行分析。我的同事迈克尔·福格勒（Michael Vogeley）曾经给了我一张图，其中汇集了到1996年为止最全面的测量结果。我问他为什么不在其中加上误差棒来标注测量的不确定度，他说：“因为我不相信它们。”他的怀疑态度事出有因：有些团队声称自己比其他团队强大10倍，所以，他们不可能都是对的。
全世界各地的研究团队逐渐绘制出更大的三维星系图，并把它们共享到互联网上。我觉得，既然这么多人花了这么多心思在绘制天图上，那必须有人来好好分析这些数据，才对得起他们。所以，我和朋友安德鲁·汉密尔顿组建了一个团队，采用我们在分析宇宙微波时所用的信息论方法来测算星系频谱图，帮他们添砖加瓦。
安德鲁是英国人，他是个不可救药的开心果，脸上总挂着淘气的微笑，他也是我最喜欢的合作者之一。有一次，我、安德鲁、韦恩·胡（Wayne Hu）和新剃了光头的大卫·霍格（David Hogg）约在一个餐厅见面。我迟到了，于是询问女服务员有没有看见三个人，分别长得像演员罗伯特·雷德福（Robert Redford）、李小龙和侦探科杰克（Kojak），她想了想，笑着说：“罗伯特·雷德福在那边……”
我和安德鲁分析了各种各样的三维天图，它们的尺度日渐增大，并且都有着令人费解的名字，比如IRAS、PSCz、UZC和2dF，分别包含有5 000、1.5万、2万和10万个星系。安德鲁住在科罗拉多州，我们通过电子邮件和电话讨论了无数次关于频谱测算中的艰难之处。我们还在阿尔卑斯山和落基山脉一起远足，期间探讨的话题也都离不开这个。
SDSS以全数字化成像和细致的质量控制为基础，绘制出了最大、最清晰的天图，所以我认为它完全值得用最小心翼翼的态度来分析。由于担心成为薄弱环节，我花了很多年的时间来处理许多被不少人认为是最无聊的事情。这个项目的推动者之一吉尔·克纳普教授（Jill Knapp），是吉姆·冈恩的妻子，她每周都会在普林斯顿大学召开例会。每到那时，她就会用很多好吃的食物来招待我们，与此同时，我们在分析室里努力辨认所有构架，试图找出处理它们的方法。比如，某一个特定的方向上能绘制出多少星系取决于很多因素，例如，拍摄那天的天气如何，有多少星际尘埃挡在中间，光纤挡住的可见星系所占的比例等。老实说，这些事真的很枯燥，但我从许多人那里获得了极大的帮助，尤其是迈克尔·斯特劳斯教授（Michael Strauss）和他当时的研究生麦克·布兰顿（Mike Blanton）。与此同时，我还常需要让计算机花几星期时间，无穷无尽地循环计算多达几个太字节的矩阵数表，还要时刻盯着算出来的混乱图形，调试代码，并一遍又一遍地重试。
就这样过了6年，2003年，我终于提交了两篇论文，每一篇的共同作者都超过了60人。我的一生中，从未有过这样如释重负的感觉——也许写这本书除外。第一篇论文考量了图3-6中的星系频谱图，第二篇则将其与微波背景频谱图结合起来，从中得出一些宇宙参数的度量值。我将一些重点列在了表3-1中；在此我更新了数据，采用了其他人的最新成果，然而，尽管不确定性在下降，但数值并没有太大变化。（表3-1显示，将宇宙微波背景天图与三维星系天图结合起来，我们能测算出一些关键的宇宙参数，误差率仅在几个百分点。）在我上研究生时，人们为宇宙年龄是100亿年还是200亿年而争论得不可开交，对此我到现在还记忆犹新。而现在，我们争论的焦点已经变成了宇宙年龄究竟是137亿年还是138亿年！精密宇宙学的时代终于来临了，我因自己能参与其中小小的一部分而感到兴奋和荣幸。
表3-1 对一些关键宇宙参数的测算值及误差率
对我个人来说，幸运女神也随之降临——2004年秋天，我因MIT的终身教职而接受了评估。我被告知，要想获得这个职位，我需要“一个全垒打或者几个二垒安打”。正如音乐家们需要有一张作品的销售前十排行榜一样，我们科学家也需要类似的东西——引用列表。每次有人引用你的论文，就好像在你的帽子上添了一根羽毛。引用这档子事儿有时候很随机，也很愚蠢，人都有从众的倾向，因为一些懒惰的作者会直接抄袭别人的引文，根本连读都不读一下原文。但是晋升委员会还是会把引用率纳入考量，就像棒球教练会考虑击球率一样。就在我祈祷好运时，这两篇论文突然间一跃成为我有史以来引用率最高的论文，其中一篇甚至一度飙升为2004年物理学界引用最多的论文——尽管占据榜首的时间并不长，但对终身教职来说已经足够了。我的好运悄无声息地持续着。《科学》杂志决定将“2003年科学突破”之首颁发给宇宙学，因为宇宙学终于变成了一门可以信赖的科学，并提到WMAP项目和SDSS的分析结果功不可没。
平心而论，这些数据根本算不上什么突破，只是近年来全球宇宙学家共同推进的一个缓慢而坚定的进步过程。我们的工作算不上具有革命性，也并没有什么令人惊讶的发现。相反，我们只是简单地让宇宙学变得更加可信，让它成长为一种更成熟的科学。对我而言，最大的惊喜就是没有惊喜。
苏联著名物理学家列夫·朗道曾说过：“宇宙学家经常会犯错，但他们从不优柔寡断。”有太多例子可以证明这句话了——阿里斯塔克斯所声称的太阳距离比实际近8倍，哈勃声称的宇宙膨胀速度比实际快7倍。好在这种野蛮生长的状态已经结束了——我们看到了太初核合成和宇宙聚集对原子密度的各自预测完美吻合，Ia型超新星和宇宙聚集对暗能量密度的分别测算也相互印证。在这些交叉检验中，我最喜欢的是图3-6中展现的那个——图中，我画出了5个不同的测量结果所对应的频谱曲线，尽管它们各自使用的数据、测量团队、所使用的方法有着天壤之别，但你可以从图中看到它们彼此是多么吻合。
还有很多未知区域
现在，我正坐在我的床上，手上敲着这些字，心里想着宇宙学的变迁史。当我还在做博士后时，我们常常谈论，如果能获得准确的数据并最终精确地算出宇宙参数的值，那将是一件多酷的事情。而现在，我们终于可以说：“我们做到了。”答案就在表3-1中。那么，下一步要做什么呢？宇宙学是否已走到尽头？我们宇宙学家是不是该换工作了？
我的答案是：“不！”为了说明宇宙学里还有很多有趣的领域尚未被探索，让我们擦亮眼睛看一看宇宙学家的成就有多么微不足道吧——我们只是将自己的无知参数化了而已，因为在表3-1中的每一个参数背后，都隐藏着无人知晓的奥秘。比如：
●我们已经测出了暗物质的密度，可是暗物质到底是什么？
●我们已经测出了暗能量的密度，可是暗能量到底是什么？
●我们已经测出了原子的密度（1个原子对应20亿个光子），但是这个数量是怎么产生的？
●我们已经测量了种子起伏的水平大约为0.002%，但是它们从何而来呢？
随着数据越来越精确，我们将能越来越精确地测算表3-1中的数值，小数点后的位数也会越来越多。但是，比起把旧参数变得更精确，我更想用它们来测量新的参数。比如，我们可以尝试着测量暗物质和暗能量除密度之外的其他性质。暗物质有压力吗？有速度吗？有温度吗？这将阐明它的本质。暗能量的密度真如目前看起来的那样绝对恒定吗？如果我们能测量出暗能量随时间发生着轻微的改变，或者在宇宙中不是绝对均匀分布的，这将是一个关键的线索，让我们更能理解它的本质，以及它将如何影响我们宇宙的未来。种子起伏除0.002%的振幅外，还有其他性质和模式吗？这将让我们得以窥见宇宙的起源。
要如何解决这些问题，我真的想了很多很多，但有趣的是，它们的解决方案都一样——绘制宇宙的地图！特别是，我们应该尽可能地用三维方法来绘制。目前，我们能绘制的最大范围是光线能有足够的时间到达地球的宇宙区域。从本质上说，这个区域就是等离子体球（见图3-7左图）的内部。我们已经探索了等离子体球，但正如你在图3-7中所看到的那样，这个球内部超过99.9%的区域都没有被我们研究过。你还能看到，迄今为止最雄心勃勃的三维星系图计划——SDSS只覆盖了一小块地方，只能算宇宙的“后院”，我们的宇宙实在是太庞大了！如果我把天文学家发现的最远星系加到这张图中，它们距离边界还有一半的距离。所以，这张图里的内容还太少，距离一张有用的三维天图，我们还有很长的路要走。
图3-7 在我们的可观测宇宙中（左图），绘制了天图的部分是如此之小（中图），所占的比例还不到0.1%。正如1838年的澳大利亚（右图），那时我们只沿着澳大利亚的轮廓描绘了一条细细的边界，而内部的绝大部分地区都是无人涉足过的处女地。在中图里，圆圈附近的区域是等离子体（我们今天看到的宇宙微波背景辐射只是来自它暗淡的内边缘），而圆心部分那个娇小玲珑的小结构，则是迄今为止最庞大的三维星系图——SDSS天图。
假如我们能用某种方法绘出那片处女地的地图，这对宇宙学来说简直太棒了。这不仅将让我们掌握的宇宙学信息量翻上1 000倍，还会因为远方等价于过去，而向我们揭开宇宙前半生的神秘面纱，窥见它年轻时发生的事。但是，用何种方法才能实现呢？我们讨论过的所有技术都正在令人欣喜地飞速发展，但不幸的是，看起来没有一个能在近期描绘出那99.9%的未知空间。宇宙微波背景实验呈现的主要是这个区域的边界，因为其内部对微波来说几乎是完全透明的。在这样极远的距离，大多数星系都非常暗淡，即使用我们最先进的望远镜也难以望其项背。更不幸的是，如此遥远的区域包含的星系数量极其稀少——我们在那里看见的是如此久远的过去，那时候绝大部分星系都压根儿还没出现。
用氢气来画地图
万幸的是，还有一种绘图的方法，甚至可能表现更佳。正如我们之前所讲的，看起来空无一物的宇宙空间其实并不是空荡荡的——它充满了氢气。物理学家们早就知道，氢气会发出波长为21厘米的射电波，可以被射电望远镜所探测到。（曾经，我的同学泰德·邦恩在加州大学伯克利分校教书时，一个学生问了他一个时下的经典问题：“21厘米线的波长是什么呢？”）这意味着，从原则上讲，我们能用射电望远镜真的“看到”早在恒星和星系形成之前就遍及宇宙的氢元素，那时的它们对普通望远镜都是隐形的。更棒的是，我们能用前文提到的红移方法来绘制一张氢气的三维天图——由于这些射电波被宇宙膨胀拉长了，根据它们到达地球时的波长，我们就能得知它们来自多远的地方（也能知道它们来自多早之前的过去）。比如，我们测到一段射电波的波长为210厘米，那么它在路途中一定被拉伸了10倍，所以在它发射时，宇宙应该是现在的1/10。这种技术被称为“21厘米层析”（21-centimeter tomography）。由于它可能成为下一个宇宙学中的大赢家，所以它吸引了大量的关注。全世界很多科研团队正在你追我赶，希望能第一个成功探测到氢元素的信号，这些信号神出鬼没，穿越半个宇宙才来到地球。然而，到现在为止，没有人成功。
老实说，到底什么是望远镜
为什么探测氢元素的信号如此之难？因为这些信号非常微弱。那么，要探测微弱的信号，需要什么东西呢？答案是，一个非常巨大的望远镜。如果能占地一平方公里就好了。那么，要修建如此巨大的望远镜，又需要什么东西呢？当然是一笔巨额的预算。究竟需要多少预算？这个问题真的很有趣！对图3-8背景里的那种传统射电望远镜来说，规模扩大两倍，则需要远超过两倍的钱，所以超过一定尺寸后，这个预算就会变成天文数字。如果你叫一个做结构工程师的朋友帮你建造一个口径为一平方公里的望远镜，还要配备上马达，可以任意指向天空中的每个方向，那他一定再也不想和你做朋友了。
图3-8 射电天文望远镜的预算可以很大（背景的那种），也可以很小（前景的那种）。图中，我的研究生安迪·鲁托米尔斯基（Andy Lutomirski）正在调试我们的电子元件。我们去西弗吉尼亚州的绿岸镇（Green Bank）考察时，它们被放置在一个帐篷里以防雨。
正因如此，21厘米层析领域中的实验物理学家都采用一种更加先进的射电望远镜——干涉仪（interferometer）。由于光和射电波实际上都是电磁现象，它们穿行于空间中时，在不同地方之间会产生电压。当然，这些电压非常微弱，大部分都小于手电筒电池两极间的1.5伏特，但是用很好的天线和放大器，它们还是足以被探测到。干涉仪的基本原理是用射电天线阵列来测量许多的上述电压，然后让计算机据此建模，重构出天空的模样。如果所有天线都像图3-8前景中那样，排列在一个水平面上，那么，一段竖直下落的波就会同时到达这些天线。其他方向的波则会按顺序先后到达不同的天线，利用这个差别，计算机就能计算出它们来自哪个方向。
实际上，你的大脑也是用同样的方法来判断声音来自何方——如果你的左耳比右耳先听到一段声音，那声音肯定就是来自左边，并且，大脑还能通过双耳接收声音的时间差，来评估声音是直直地来自左方，还是有一个角度。由于你只有两只耳朵，所以你不能非常准确地指出这个角度，但是如果你周身长出100个耳朵，就像一个射电干涉仪，那你就能做得更好（尽管看起来不怎么好看），准确地指出声音的方向。自天文学家马丁·赖尔（Martin Ryle）1946年开拓了干涉仪这个新领域以来，已经取得了巨大的成功，并为他赢得了1974年的诺贝尔奖。
不过，最拖后腿的，莫过于计算这些时间差了。要计算时间差，你需要计算每一对天线（或耳朵）之间的数据，所以，随着天线数量的增加，天线对数量增加的比例几乎等于天线数量的平方。这意味着，如果你把天线数量增加1 000倍，需要的计算量就会增加100万倍——我的天！你需要的只是一个天文望远镜，可不是天文数字的预算！因为这个原因，干涉仪的规模被局限在几十或几百个天线阵列，而无法达到几百万个，而后者才是21厘米层析最需要的。
当我搬到MIT时，美国和澳大利亚合作的21厘米层析实验团队大方地接纳了我。这个实验由我的同事杰基·休伊特（Jackie Hewitt）推动。在项目会议上，我常常幻想着，是否有某种方法能让修建大型望远镜变得便宜一些。一天下午，我们正在哈佛大学开会，我的脑子里突然冒出一个想法——我想到了一个便宜的方法！
“万远镜”
在我看来，望远镜就是光波的分选器。如果你想测出你的长相，光看着你的手、测出穿过它的光线强度是不够的，因为在你手部皮肤的每一点上，都混杂着来自你脸上各个部位的光波。但是，如果你能按照来源方向对这些光波进行分选，让方向相同的光线落在你手上的同一区域，这样，你就能得到一张脸部图像。这正是相机镜头、望远镜镜头和眼睛里的晶状体所起的作用，也是图3-8中那种曲面镜的功能。在数学里，这种光波分选过程有一个玄妙又吓人的名字——傅里叶变换（Fourier transforming）。所以，望远镜本质上就是一个傅里叶变换器。传统的望远镜用模拟的方法进行傅里叶变换，采用的是透镜或曲面镜。干涉仪则与之不同，采用的是数字的方法，工具则是计算机。这样，光波不仅能按照来源方向进行分选，还能根据波长进行分选——对可见光来说，不同波长意味着不同的颜色。
在哈佛大学的那个下午，我脑子里冒出来的想法是设计一个巨大的射电干涉仪，其中的天线并不是像我们之前计划的那样随机分布，而是遵循一个简单而规律的模式。对一个拥有100万个天线的望远镜阵列来说，可以使用一些聪明的数学技巧来穷举这些模式，将使傅里叶变换的速度提高为原来的25 000倍——基本上也可以把望远镜的预算降低为原来的1/25 000。
我说服了我的好友马蒂亚斯·扎尔达瑞亚，他也认同这个想法是可行的。然后，我俩开始详细地研究这种方法，并发表了两篇与之有关的论文，证明了那种基本数学技巧可适用于多种多样的天线阵列模式。我们把我们提出的这种望远镜称为“万远镜”（Omniscope），因为它既是全方位的（本质上能同时拍下整个天空的图像），又是全彩色的（能同时拍下大范围的波长，也就是不同颜色的图像）。
据说，爱因斯坦曾说过：“从理论上说，理论和实践是一样的。但从实践的角度来说，它们却截然不同。”于是，我们决定建造出一个小型样品，看看它是否真的有用。我发现，万远镜的基本思想在20年前就已经有一个日本团队尝试过，只不过是为了其他目的，而且由于当时电子设备的能力有限，他们的天线数量被限制在了64个。得益于后来的手机技术革命，如今，我们建造样品所需要的关键元件的价格已经暴跌，所以我们只用拿一点小钱就能作出整个阵列。同时，我也很幸运地得到了MIT一组出色的学生的帮助，其中一些来自电气工程系，他们对电路板设计和数字信号处理的魔法了如指掌。其中有一位名叫内瓦达·桑切斯（Nevada Sanchez），他教会了我电子学“魔法烟雾理论”，后来在我们的实验室里得到了证实——电子零件能正常工作是因为它们包含着带魔法的烟雾。所以，如果你不小心让魔法烟雾溜走了，它们就罢工了……
过去，我的整个学术生涯都是在搞理论研究和数据分析，突然间，我进入了建造实验的新领域，这和我过去的经历可完全不同，我非常喜欢做这件事。它把我带回了十几岁时在地下室里捣鼓小玩意儿的快乐时光，唯一不同的是，我们现在建造的东西更加激动人心，整个团队在这个过程中都非常愉快。到现在，我们羽翼初丰的万远镜做得还不错，但现在断言说我们或其他人已有能力让21厘米层析发挥出最大潜能，还为时过早。
万远镜还教会了我一些其他事情——与我个人有关的事。对我来说，最有趣的事就是团队探险，我们把所有的设备都装进一辆面包车，把它开到人迹罕至的郊外，远离无线电台、手机等人类产生的射电波。在这些妙不可言的日子里，我那充斥着电子邮件、教书上课、文山会海和家务事的碎片生活，被一种充满喜悦、目标明确、禅宗般的状态所取代。远郊没有手机信号、没有互联网、没有外界的打扰，团队的每一个人都能把全部精力集中在实验工作的共同目标上。有时候我会问自己，在这个年代，我们总是会同时处理几种不同的任务，我是不是应该经常像这样消失一段时间，比如去写一本书……
本章，我们介绍了精确的数据像雪崩一样改变了宇宙学，让它从一门以推测为主、略带哲学意味的领域转变为今天我们所看到的精密科学。其中，我们测量宇宙年龄的误差已经下降到1%。在科学中，回答老问题常会衍生出新问题，所以，我预计，宇宙学正面临着激动人心的10年，因为全世界都在建立新理论、建造新实验，尝试揭开暗物质、暗能量等未解之谜的神秘面纱。在结语里，我们将重新回到这个问题，探寻它对宇宙终极命运的预示。
我认为，精密宇宙学最让我诧异的一件事就是，整个宇宙的运转被简单的数学规律控制着，甚至可以一直追溯到它炽烈暴躁的开端。比如，爱因斯坦广义相对论中的方程精确地控制着宇宙中的万有引力，其空间范围可以从毫米一直延伸到1026米；而原子核物理学的方程精确控制宇宙的时间范围从大爆炸后第一秒一直到140亿年后的今天。与经济学中模棱两可的公式不同，这些方程的精确度令人瞠目结舌，正如图3-2中所展现的那样。所以，精密宇宙学凸显出了数学在理解世界过程中的神秘作用。我们将在第9章回到这个问题，并探讨一个激进的解释。
从精密宇宙学身上，我还学到一件令人惊异的事情，那就是，它并不完备。我们知道，我们今天观测的万事万物都起源于一场炽烈的大爆炸。那时候，宇宙中分布着几近均匀的炙热气体，和太阳内核一样热，并迅速膨胀，一秒钟内就胀到了两倍大。然而，是谁安排了这一切？我喜欢把这个问题称为“爆炸问题”。到底是谁把这个爆炸变成了宇宙大爆炸？那些膨胀的炙热气体从何而来？它们为什么会均匀分布？为何其中藏有0.002%的种子起伏，最终成长为今天我们所看到的星系和宇宙大尺度结构？简而言之就是，这一切是如何开始的？我们将会看到，把弗里德曼的膨胀宇宙方程推演到更加遥远的过去，将遇到难以解决的问题。这意味着，我们需要一个彻底的新理论，才能理解宇宙的终极起源。这正是下一章要探讨的问题。
◆近年来，关于宇宙微波背景和星系聚集等的数据，像雪崩一样改变了宇宙学，将它变成了一门精确的科学。比如，它把我们对宇宙年龄是100亿年还是200亿年的争论，精确到了137亿年还是138亿年。
◆尽管有争议，爱因斯坦的引力理论还是打破了纪录，成了最具有数学美感的理论，用几何的方式展现了万有引力。它认为，空间中所包含的质量越大，空间的弯曲度就越大。这种空间弯曲使得其中的物体不会沿直线运动，而是弯向较重的物体。
◆通过测量宇宙大小的三角形的几何性质，爱因斯坦的理论让我们估算出了整个宇宙的质量。令人惊讶的是，组成日常物体的物质在宇宙中只占4%，剩下的96%是什么呢？无人知晓。
◆这部分失落的质量就像幽灵一般，不仅不可见，还能从普通物质中毫发无伤地穿过去，而你却丝毫注意不到。根据它们表现出来的引力特性，可以分为两种不同的东西，暗物质和暗能量：暗物质会聚集成团，暗能量则相反；暗物质膨胀时会被稀释，暗能量则不会；暗物质相互吸引，暗能量相互排斥；暗物质促进星系的形成，暗能量则暗中搞破坏。
◆精密宇宙学告诉我们，宇宙受到简单数学规律的支配，这个过程甚至可以一直追溯到宇宙炽烈的诞生之时。
◆尽管看起来很优雅，但经典的大爆炸理论却无法解释很多问题，这意味着，要理解宇宙的终极起源，我们需要在这个谜语里加上其他关键的环节。
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