起初，宇宙创生。这让许多人分外恼火，普遍视之为一步臭棋。
道格拉斯·亚当斯
《宇宙尽头的餐馆》（The Restaurant at the End of the Universe）
噢，大事不好——他昏昏欲睡了！
那是1997年，我正在塔夫茨大学（Tufts University）做一场演讲，没想到传说中的科学家阿兰·古斯（Alan Guth）从MIT过来听我的演讲。我以前从来没有见过他。听众席上坐着这么一位重量级的嘉宾，让我感到既荣幸又紧张。其中紧张尤甚——尤其是当他的脑袋渐渐垂下去，目光变得呆滞，眼看就要睡着了之时。绝望之中，我试着演讲得更加热情奔放，并抬高声调。他猛地回过了几次神，但我最终还是失败了——他渐渐进入了甜蜜的梦乡，直到我讲完了，他才醒过来。我觉得自己像个泄了气的气球。
直到很久以后，我和他成了MIT的同事，我才意识到，阿兰几乎会在所有演讲过程中睡着（除了他自己的）。实际上，我的研究生阿德里安·刘（Adrian Liu）指出，我自己也渐渐开始做同样的事。其实，阿德里安也同样如此，但我并没有注意到这一点，因为我们总是按照固定的顺序去见周公。如果阿兰、我和阿德里安坐成一排，毫无疑问，过一会儿，我们三个就会开始有顺序、有节奏地点头，简直就是足球观众“人浪”的昏睡版。
我真的非常欣赏阿兰，他不仅聪明，还很和蔼（见图4-1）。但整洁不是他的强项——我第一次去办公室拜访他时，发现他的地板上铺满了厚厚一层没有打开过的信件。我像考古学家一样，随意捡了一个信封，发现它的邮戳竟是十几年前的。2005年，他铸就了一个不可动摇的辉煌地位——赢得了波士顿最邋遢办公室奖！
图4-1 安德烈·林德和阿兰·古斯（右）在瑞典一个小龙虾派对上开心地大吃大喝，根本没有注意到我在偷拍他们。后来，他俩作为暴胀理论的主要设计师而获得了格鲁伯奖（Gruber Prize）和米尔纳奖（Milner Prize），领奖时，他们俩可得换身衣服。
“最邋遢办公室奖”可远不能概括阿兰的成就。早在1980年，他从物理学家鲍勃·迪克（Bob Dicke）那里了解到亚历山大·弗里德曼的大爆炸模型在宇宙最早期阶段出现了严重的问题，于是提出了一个激进的解决方案，他称之为“暴胀”（inflation）[7]。正如我们在前两章中所看到的那样，弗里德曼的膨胀宇宙方程可以相当成功地推演出宇宙的历史，并精确地解释遥远星系正在离我们远去的原因、宇宙微波背景辐射存在的理由、最轻原子的形成方式，以及其他许多观测现象。
让我们回到我们知识疆域的边界，那时宇宙膨胀得相当迅速，在下一秒，它即将膨胀到两倍大。弗里德曼方程告诉我们，在这件事发生之前，我们的宇宙更加致密和炽热，几乎没有上限。大约就在1/3秒前，仿佛是某种开端，那时宇宙的密度无限大，万物都在以无限快的速度相互远离。
跟随着迪克的脚步，阿兰仔细分析了这个宇宙的终极开端，发现它看起来非常不自然。比如，针对第1章开头提出的4个问题，它作出的回答如下。
问题12：是什么导致了大爆炸？
答：没有解释——这个方程简单地假定它发生了。
问题5：大爆炸是从某个单独的点开始发生的吗？
答：不是。
问题4：大爆炸是从空间中的什么地方开始的？
答：每个地方都在发生，在无限多个点上，同时发生。
问题2：在有限的时间中，如何能创造出无限的空间？
答：没有解释——这个方程只是简单地假定，只要空间一出现，它的尺度就是无限大的。
你对这些回答满意吗？它们是否很好地解决了你对大爆炸的所有问题？如果没有，那你并不是一个人在战斗！实际上，我们即将讲到，除此之外，还有很多问题都是弗里德曼的大爆炸模型所无法解释的。
视界问题：难道同时发生了无数个大爆炸？
让我们先来仔细分析一下上面提及的问题4。图4-2中展示了一个事实——宇宙微波背景辐射的温度在天空中的各个方向上都几乎相同（精确到小数点后5位）。如果宇宙大爆炸在某些地方发生得比其他地方早，那么这些地方膨胀和冷却的时间就会更长一些，这样一来，我们现在所观测到的宇宙微波背景天图中的温度起伏就不止0.002%，而会增大到接近100%。
图4-2 热咖啡和冷牛奶中的分子有充足的时间可以相互作用，最终达到相同的温度。而与之不同的是，A区域和B区域中的等离子体永远没有足够的时间来相互作用，哪怕是以光速传输的信息，也无法从A到达B，因为到今天，来自A的光线才刚刚走了一半，来到我们这些喝咖啡的人面前。然而，为何A处和B处的等离子体拥有相近的温度？这对弗里德曼的大爆炸模型来说，是一个无法解释的问题。
那么，有没有可能在大爆炸发生的很久之后，某种物理过程让温度统一了呢？毕竟，如果你把冷牛奶倒入热咖啡（见图4-2），过一会儿它的温度就会变得温热，这没什么好惊讶的。关键在于，这个混合的过程需要时间——你需要等上足够长的时间，让牛奶和咖啡的分子在液体中充分混合。然而与之不同的是，宇宙中相隔遥远的区域根本没有时间来相互混合（查尔斯·米斯纳[Charles Misner]等人在20世纪60年代第一次提出了这一点）。在图4-2中，我们看到A区域和B区域位于天空中相反的方向，它们根本没有足够的时间来相互作用——哪怕是以光速传输的信息也无法从A到达B，因为即使到了今天，来自A的光线也才刚走了一半（刚刚到达我们所在的地方）。这说明，弗里德曼的大爆炸模型无法解释A和B拥有相同温度的原因。所以，从大爆炸发生以来，A区域和B区域经历的冷却时间一定是相同的。这意味着，在几乎同一时间，在没有任何共同起因的情况下，它们各自独立地经历了一场大爆炸。
为了更好地理解阿兰在这方面的疑惑，想象一下，你收到一个朋友发来的电子邮件，他邀请你一起吃午餐。然而你却突然发现，你的每一个朋友都分别向你发来了共进午餐的电子邮件，发件时间几乎完全一样。这时，你可能会认为这是个阴谋，这些邮件一定有一个共同的起因，比如你所有的朋友暗地里串通好，要给你举行一场惊喜派对。不过，为了让这个例子与阿兰对大爆炸的疑虑更加相似（区域A、区域B等对应着你的朋友们），请你再继续想象一下，你明明知道你的朋友们从来没有见过彼此，也从来没有过交流，并且，在他们给你发邮件之前，也从来没有获得过任何共同信息。这样一来，唯一的解释就是，这是一场疯狂的巧合。
这实在太疯狂了，简直令人难以置信，一点儿也不合理，所以，你可能会开始疑惑自己作出了什么错误的前提假设，也许你的朋友之间不知怎的相互联系上了，有了交流。这正是阿兰得出的结论：宇宙中这么多分隔的区域怎么可能同时独立地发生大爆炸呢，这不可能是一个疯狂的巧合，一定存在某种物理机制，既引发了大爆炸，又造成了同步。一个无法解释的大爆炸已经够我们头疼了，现在竟然有无数多个无法解释的大爆炸，还都完美地同步发生，简直不可思议。
这就是所谓的“视界问题”（horizon problem），也叫地平线问题，因为它涉及我们在宇宙地平线上，也就是我们能观测到的最远区域所看到的情景。这还不算最糟。更糟糕的是，迪克还告诉了阿兰关于弗里德曼大爆炸模型的第二个问题，他称之为“平坦性问题”（flatness problem）。
平坦性问题：我们的宇宙为何如此平坦
我们在上一章中看到，我们以高精度测量出宇宙是平坦的。迪克说，如果弗里德曼的大爆炸模型是正确的，这将带来问题，因为这是一种高度不稳定的状态，并不会维持很长时间。举个例子，我们在第2章中提到，自行车停下来以后会变得很不稳定，因为只要有一点点偏离完美的平衡状态，就会被万有引力放大。所以，如果你看到一辆自行车停下来，在没有支撑的情况下竟能保持竖直状态，你一定会感到很奇怪。
图4-3展示了弗里德曼方程的三种解，形象地说明了宇宙的不稳定性。中间那条曲线代表平坦的宇宙，它将一直保持完美的平坦，并永远膨胀下去。另外两条曲线在最左端的开始状态基本上完全相同，那时的空间几乎没有任何弯曲。在10-9秒后，它们的密度差异小到只在一个24位数的个位数上变动[8]，而这些微小的差异将被万有引力放大。再过5亿年，最低的曲线描述的那个宇宙将因此停止膨胀，反弹为一个灾难性的大挤压，就像把大爆炸反向进行。在这个面临坍缩命运的宇宙里，空间会弯曲，使得三角形的内角和远大于180°。相反，最高的那条曲线描述的宇宙中，空间也会弯曲，但三角形内角和将远小于180°。它的膨胀速度比位于临界点的平坦宇宙快多了，其中的气体被稀释得很厉害，无法形成星系，整个宇宙会被冰冷和黑暗的大冷寂所笼罩。
图4-3 另一个弗里德曼方程无法解释的问题是，为何我们宇宙空间的平坦状态能保持如此长的时间，而没有变弯曲，最终迎来大挤压（Big Crunch）或大冷寂（Big Chill）。每个弯曲都对应着宇宙年龄只有10-9秒时的轻微密度差异。我们所栖身的这个临界状态非常不稳定——只需要微微改变24个数位中最后一位的数值，就会在宇宙年龄不到今天的4%时就触发大挤压或大冷寂。（本图基于天文学家内德·赖特[Ned Wright]的创意）
那么，我们的宇宙为何如此平坦呢？如果你把图4-3中的24位数改成随机数值，再用弗里德曼方程求解一遍，那么，在140亿年后，你还能得到一个平坦宇宙的概率比你在火星上扔飞镖正中地球上一个飞镖盘靶心的概率还小。弗里德曼方程无法解释这种巧合从何而来。[9]
无疑，阿兰声称，一定存在什么机制，导致我们的宇宙拥有一个正确的密度，不多不少，正好能保证宇宙早期保持绝对的平坦。
连续翻倍的力量
阿兰提出的激进想法是假定了一个听起来十分古怪的前提，有了它，你不仅能一下子解决视界问题和平坦性问题，还能解开很多其他疑惑。这个前提就是，在很久很久以前，有一团微小而均匀的物质，它的密度很难被稀释。也就是说，如果一克这种物质的体积膨胀到两倍，它的密度（质量除以体积）基本上没有变化，于是，你就得到了两克物质。对比我们日常所见的普通物质，这大不一样。比如，当气体膨胀到更大的体积（就像从轮胎里放出压缩空气），由于气体分子总数保持不变，所以总质量也保持不变，由于体积增大，那么密度就会降低。
根据爱因斯坦的引力理论，这样一团不可稀释的物质可能会经历最震撼人心的爆炸，也就是阿兰所说的暴胀，这样，大爆炸应运而生！爱因斯坦的方程有一个解，其中，这团不可稀释的物质中的每个地方每次膨胀到两倍所花费的时间间隔都相同（见图4-4），这种类型的增长被数学家称为“指数级增长”。在这种情境中，我们的婴儿宇宙成长的方式与你在娘胎里的发育过程很相似（见图4-5）。每天，你的每个细胞基本上都会生成两个细胞，导致细胞总数每天都在翻倍：1个、2个、4个、8个、16个……连续的翻倍是一个强大的过程。如果你每天的重量都翻倍的话，早在你出生前，你母亲就已经受不了了——经过怀胎9月（也就是274次翻倍），你的重量将超过可观测宇宙中的所有物质之和！听起来很疯狂，但这正是阿兰提出的暴胀过程所描述的故事：从一个比原子还轻小的微粒开始，不断翻倍，直到比整个可观测宇宙还重。
图4-4 根据爱因斯坦的引力理论，密度不可稀释的物质可能会发生“暴胀”，以相同的时间间隔不停地将体积翻倍，瞬间就从亚原子的尺度成长到比整个可观测宇宙还大的尺度，点燃了大爆炸的火种。这种连续的翻倍发生在所有的3个维度，所以，边长翻1倍意味着体积增加到8倍。这张图里，为了简化，我只画出了2个维度，其中边长翻1倍，体积增加到4倍。
图4-5 暴胀理论认为，婴儿宇宙的成长过程与人类婴儿的发育过程很相似——在大小或尺度不断翻倍的加速增长阶段之后，紧接着一个比较从容不迫的减速增长阶段。有趣的是，上面两张图的纵坐标是相同的——在最简单的模型中，宇宙长到橙子那么大时将停止暴胀（但质量可比橙子大了不止1081倍）。我们的婴儿宇宙的尺度翻倍速度比胎儿最早的细胞快了大约1043倍。
问题解决了
你在图4-4中可以看到，尺度的不断翻倍会导致膨胀速度的翻倍，我用箭头标注出来了。也就是说，它引发了加速膨胀。如果你在出生前保持每天将质量翻倍，那一开始，你膨胀的速度是很慢的（每天只增加几个细胞）。但是，到你母亲怀孕的后期，当你已经膨胀到比整个可观测宇宙还重时，如果你还是每天都翻倍，你膨胀的速度将会大到令人难以置信，因为你每天将要膨胀几十亿光年。你翻倍的时间间隔是1天，然而暴胀婴儿宇宙质量翻倍的时间可比你短多了——在最流行的一些暴胀理论中，宇宙质量翻倍仅需要10-38秒，仅需260次翻倍就能膨胀到今天可观测宇宙的尺度。也就是说，整个暴胀过程，从开始到结束，用人类的标准来看只是短短的须臾之间，整个过程不到10-35秒，比光前进10-12个质子的距离所花的时间还短。换句话说，指数级膨胀在细微之物中产生了震天撼地、快速膨胀的爆炸。这样，暴胀解决了我的“爆炸问题”，解释了是什么导致了大爆炸——正是这种连续翻倍的过程。它还解释了为什么爆炸是均匀发生的，就像埃德温·哈勃发现的那样，图4-4中，两倍远的区域相互远离的速度正好也是两倍快。
在图4-5中，你可以看到，婴儿宇宙的暴胀慢慢停止了，就像婴儿发育到后期，指数型增长就被更加缓慢的增长所代替。暴胀的物质衰变为普通物质，它们继承了爆炸式暴胀阶段所带来的初速度，以更加舒缓的节奏继续膨胀，并逐渐被万有引力所减速。
阿兰意识到，暴胀理论还能解决视界问题。在暴胀的早期，图4-2中相距甚远的区域A和区域B被挤压在极端靠近的地方，所以那时它们应该有足够的时间来相互作用。后来，爆炸式暴胀所带来的膨胀才让它们永远天各一方。对你来说，你鼻子上的细胞与脚趾上的细胞拥有相同的DNA，因为它们有一个共同的起源——它们都来自你的第一个细胞，也就是受精卵的不断翻倍。同样，宇宙中相隔甚远的区域拥有相同的特征，因为它们也有一个共同的起源——它们都来自最初那一小团暴胀物质的不断翻倍。
这还不够。阿兰发现，暴胀理论还能解决平坦性问题。假设你是一只小蚂蚁，居住在图1-7中的球面上。在你所栖身的这个曲面上，你的眼睛只能看见周遭的一小片区域。如果暴胀发生了，瞬间将这个球面膨胀得硕大无朋，那你目及之处的小片区域看起来就会变得更加平坦——乒乓球上的1平方厘米的区域非常明显地弯曲着，而地球表面的1平方厘米看起来却是完美地平坦。类似地，当暴胀过程猛烈膨胀了我们栖身的三维宇宙，其中的每立方厘米空间看起来都平坦得几近完美。阿兰证明，只要暴胀持续的时间够长，足够造就今天的可观测宇宙，那么空间也将变得平坦无比，直到今天也依然如此，而不会发生大挤压或大冷寂。
实际上，暴胀持续的时间比之更长，而且长多了。直到今天，空间依然保持着完美的平坦。也就是说，早在20世纪80年代，暴胀理论就提出了一个可检验的预测——宇宙应该是平坦的。正如我们在前两章看到的那样，我们对这个预测的检验误差已经减小到1%。暴胀理论通过了测试，胜利的旗帜在高高飘扬！
谁提供了终极的免费午餐
暴胀就像一场精彩的魔法表演。我的直觉反应是，这违反了物理定律！然而在明察秋毫之后，你会发现，它并没有违反物理定律。
首先，1克暴胀物质在膨胀时，怎么可能变成2克？毫无疑问，质量不可能凭空创生。有趣的是，爱因斯坦在狭义相对论中给我们留了一个后门。在狭义相对论中，能量E和质量m是相关联的，它们的关系可以用一个著名的方程来描述：E=mc2，其中c代表光速，c=299 792 458米/秒。由于光速c的数值非常庞大，所以一点点质量就对应着极其大量的能量——1 000克质量就能释放出相当于广岛原子弹的能量。这意味着，你可以通过增加能量来增加质量。比如，当你拉伸一根橡皮筋时，它的质量会增加一点点——因为你需要能量来拉伸它，这些能量赋予了橡皮筋，增加了它的质量。
橡皮筋拥有负压，因为你需要使劲才能拉伸它。拥有正压的物质来说（比如空气）则正相反——你需要使劲才能压缩它。总的来说，为了遵循物理定律，暴胀物质必须拥有负压，而这个负压必须非常庞大，这样将它的体积膨胀到2倍所需要的能量正好也能使它的质量翻倍。
暴胀还有一个奇妙的特性：它引起了加速膨胀。高中物理课老师教导我们，万有引力是一种吸引力，那它为何不让宇宙的膨胀减速、最终把所有物质都拉到一起呢？对此，爱因斯坦又为我们提供了另一个后门，这次，是在他的广义相对论上。广义相对论认为，万有引力不仅仅是由质量引起的，还是由压力引起的。由于质量不可能是负的，所有质量所引起的引力永远是相互吸引。正压能带来相互吸引的万有引力，而我们刚刚才说到，暴胀物质拥有极大的负压。阿兰计算出，负压引起的互斥万有引力比质量引起的相吸万有引力强3倍，所以，暴胀物质的万有引力将把它自己炸得四分五裂！
总而言之，暴胀物质产生的反引力把自身炸开了花，与此同时，膨胀所消耗的能量创造出了足够的新质量，使这些物质保持着恒定的密度。这是一个自我维持的过程，暴胀物质持续地尺度翻倍。这样，几乎从完全的虚无中，暴胀创造出了我们用望远镜可以观测到的一切。这促使阿兰把我们的宇宙比作“终极的免费午餐”——暴胀理论预测的总能量几乎等于零！
不过，根据诺贝尔经济学奖获得者米尔顿·弗里德曼（Milton Friedman）的说法，“世上没有免费的午餐”，所以，到底是谁为宇宙中壮丽的星系埋单了呢？答案是，万有引力。正是万有引力拉扯着暴胀物质，向其注入了能量。但是，根据爱因斯坦的方程E=mc2，有质量的物体具有正能量，如果万物的总能量不改变，这意味着引力必须拥有与前述正能量相等的负能量！事实正是这样。所有万有引力的来源都是引力场，而引力场正好具有负能量。每一次有物体被引力所加速，负能量就增加一点。
举个例子，一颗遥远的小行星。如果它运动得很缓慢，它的动能就很小。如果它远离地球的引力，它的引力能（也被称为“势能”）也很小。如果它缓缓地朝向地球而来，它的速度将越来越大，动能也将随之增大——也许能在地面上撞出一个大坑。由于引力场一开始几乎没有能量，随着后来释放出这些正能量，它只剩下了负能量。
现在，我们可以解决第1章开头提出的问题11了：通过暴胀，宇宙从虚无中生出我们周遭的万物，这难道不违背能量守恒定律吗？我们已经知道，这个问题的答案是“不违背”——所需的所有能量都是向引力场借来的。
我必须承认，虽然这个过程并不违反物理定律，但它令我很紧张。我无法摆脱一个不安的感觉，即我活在一个宇宙尺度的庞氏骗局中。如果你在2008年伯尼·麦道夫（Bernie Madoff）因欺诈650亿美元而被逮捕前拜访他，你可能会认为他真的坐拥实实在在的亿万美元资产。但如果你仔细审查一番，就会发现，他的资产都是用借债买来的。通过狡猾的杠杆，他用之前借来的钱向天真的投资者举债，操纵的规模也翻了好几番。暴胀中的宇宙也做了同样的事——它用已有的能量，从引力场借来更多的能量，使自己的尺度不停翻倍。暴胀宇宙像麦道夫一样，利用了系统中固有的不稳定性，从一片虚无中创造出了壮美宏大的万物。我只希望我们的宇宙别像麦道夫那么不靠谱……
暴胀，从失败到返场
与许多成功的科学理论一样，暴胀理论一开始很不顺利。它作出的第一个预测——宇宙空间是平坦的，似乎与日渐累积的观测证据不相符合。我们在上一章看到，爱因斯坦的引力理论认为，只有当宇宙密度等于一个特定的临界值时，空间才可能是平坦的。如果我们用符号Ωtotal（也可缩写为Ω）来表示我们的宇宙与这个临界值相比的倍数，那么暴胀理论预测到Ω=1。然而，当我还在上研究生时，通过对星系的观测以及其他越来越精确的数据，人们测算出一个低得多的值Ω≈0.25。那段时间，阿兰的地位十分尴尬，因为他穿梭于各个会议之间，坚持不懈地声称Ω=1，全然不顾实验物理学家们的结论。幸好阿兰坚守住了自己的阵地，历史证明，他是正确的。正如我们在上一章所看到的那样，暗能量的发现表明之前算出的结果只占真实密度的25%。当我们把暗能量考虑进去时，便得到了Ω=1，误差小到低于1%（见表3-1）。
暗能量的发现瞬间提升了暴胀理论的可信度，再加上一些其他原因，人们已不能再对不可稀释物质的假定置之不理，也不再认为它疯狂至极、不切实际，因为这种物质不是别的，正是暗能量！这样，就像140亿年前的暴胀开启了大爆炸新纪元一样，一个属于暴胀理论的新时代终于拉开了序幕！这个由暗物质驱动的暴胀与之前的理论很相似，只不过动作放慢了很多——它每次翻倍的时间并不像之前所认为的那样短于眨眼之间，而是长达80亿年。所以，关于暴胀，最有趣的争论不再是它是否发生过，而是它发生了一次还是两次。
播撒涨落的种子
成功的科学理论都有一个特点，那就是，它们对人们的滴水之恩总是涌泉相报。阿兰只用了一个假定（一小团难以稀释的物质）就解决了三个宇宙学难题——大爆炸、视界问题和平坦性问题。之前我们还看到，暴胀理论的裨益不止如此，它还预测了Ω=1，这个预言在大约20年后得到了观测的证实。然而，这并不是故事的全部。
上一章结束时，我们提出了一个疑问，星系和宇宙大尺度结构到底从何而来？出乎所有人的意料，暴胀理论竟然也能回答这个问题！它给出的答案简直令人震惊！这个想法最初是由两位俄罗斯物理学家提出的，他们是盖纳迪·西比索夫（Gennady Chibisov）和维亚切斯拉夫·穆哈诺夫（Viatcheslav Mukhanov）。当我第一次听到他俩的想法时，我认为十分荒谬。而现在，我把它看作科学史上最激进而美丽的思想综合体的最主要的候选者。
简而言之，这个答案就是，宇宙涨落的种子来自量子力学，这是关于微观世界的理论，我们将在第6章和第7章进行探索。但是，大学课堂教的知识告诉我，量子效应只对非常微小的事物能产生重要作用，比如原子，那它们如何能影响星系这样的极大之物呢？其实，暴胀理论最华美之处就在于，它将极大和极小的尺度连接起来了——在暴胀的早期，今天银河系所占据的空间比一个原子还小许多，所以量子效应变得不可忽视。事实正是如此。我们在第6章将看到，量子力学中所谓的“海森堡不确定性原理”（Heisenberg uncertainty）阻碍了所有物质（包括暴胀物质）变得绝对均匀。如果你想让它变均匀，量子效应将迫使它开始左摇右摆，四处扭动，破坏掉均匀性。当暴胀将这团亚原子区域拉扯今天的整个可观测宇宙时，量子力学印入其中的密度涨落也被拉伸到星系甚至更大的尺度。正如上一章所说，其他一切事情就交给万有引力的不稳定性了，它将量子力学赋予的0.002%的微小起伏放大到令人叹为观止的星系、星系团和超星系团，装点了我们今天璀璨的夜空。
最棒的是，这不只是定性的冗长描述，而是一个严格的定量理论，其中的一切都可以精确地计算出来。我在图3-2中画出的频谱曲线是对最简单的暴胀模型的理论预测，我发现它与实际测算的结果非常吻合。暴胀模型还预测了三个我在表3-1中列出的宇宙学常数，其中一个常数Ω=1我已经提到过；另外两个常数涉及宇宙聚集模式的性质，我们在上一章曾讨论过这个话题。在最简单的暴胀模型中，种子聚集（表3-1中用Q表示）的幅度取决于暴胀区域尺度翻倍的速度。当翻倍的时间约等于10-38秒时，预测值和观测值正好相吻合：Ω≈0.002%。
暴胀还对种子聚集的“倾斜度”常数（表3-1中用n表示）作出了有趣的预测。为了理解这点，我们需要看看图4-6中那锯齿状的边缘，数学家称之为自相似、分形或尺度不变性。这些词语的意思都是说，如果我放大这张图像的一部分，你将无法分辨出放大图和原图之间的差异。当我将这个放大的过程一直重复下去，你会发现，哪怕把曲线放大1万亿倍，也和原来的整条曲线一模一样。有趣的是，暴胀理论预测，我们的婴儿宇宙也可以被近似看成是尺度不变的。从这个意义上说，如果你随机挑选出1立方厘米空间，将其中一部分放大，你将无法分辨放大部分和原来的1立方厘米有什么区别。这是为什么呢？原来，在暴胀统治的时代，从本质上说，放大宇宙与宇宙尺度翻倍是等价的。所以，如果你坐时间机器回到暴胀的纪元，如果你看到涨落的统计特征具有尺度不变性，就相当于这些特征不随时间而变化。但是，暴胀预言，这些特征之所以不随时间而变化，是因为一个很简单的原因：产生量子涨落的区域附近的物理条件也几乎不随时间变化，因为暴胀物质的密度等特征并不会发生显著的改变。
表3-1中的倾斜度n表示的是暴胀宇宙的尺度不变性。它表征了大尺度和小尺度上聚集程度的对比，我们将n=1定义为完美的尺度不变（即任何尺度上的聚集程度都完全一样），n＜1代表大尺度下的聚集更多，n＞1则表示小尺度上拥有更多的聚集。穆哈诺夫等暴胀理论先驱预言n会相当接近1。第3章里我曾讲到，我和朋友泰德偷偷摸摸地使用了教授的“魔豆”计算机，那时，我们的目的正是为了计算当时最精确的n值。我们得出的结论是n=1.15±0.29，这个值与1很接近了。看起来，暴胀理论的这个预测似乎不赖。
图4-6 这个所谓的“雪花分形”（snowflake fractal）由瑞典数学家海里格·冯科赫（Helge von Koch）所发明。它拥有不可思议的特征，它与自身放大后的一部分完全相同。与之类似，暴胀理论预言到，至少从近似的统计学意义上来说，我们的婴儿宇宙也与自身放大后的一部分别无二致。
对n的探索变得越来越有趣。由于暴胀终有完结的一天，所以暴胀物质还是会在暴胀过程中逐渐被稀释，否则，一切都将不会改变，暴胀将永远持续下去。在最简单的暴胀模型中，密度降低也会导致涨落幅度的下降。这意味着，越往后，涨落的幅度越小。但是，在暴胀结束前，后期产生的涨落被拉伸的程度大不如前，所以它们对应着今天的较小尺度。这一切的结果是预测出n＜1。为了作出更具体的预测，你需要知道暴胀物质是由什么组成的。在这样的模型中，最简单的一个是由安德烈·林德（见图4-1）最先提出的，行话称为“二次势标量场”（scalar field with quadratic potential，本质上看，可以把它看成电磁场的“兄弟假说”），它预测了n=0.96。现在，再看看表3-1，你会发现n的数值已经比我们的“魔豆”时代精确了60倍，最新的值是n=0.96±0.005，已经直逼预测值了！
安德烈·林德是暴胀理论的先驱之一，他给了我很多启发。我曾见过别人解释某件东西，听起来十分复杂。但是当我听到林德对同一个东西进行解释时，我才意识到它真的很简单，只要你用正确的方法——也就是林德的方法。林德有着温和的黑色幽默，不管是讨论个人问题，还是前沿科学，他的眼睛里总是闪烁着淘气的光芒。
不是热大爆炸，而是冷小旋风
在未来几年，我们对这些数值的测算会变得越来越精确。我们还有潜力测量暴胀模型预测的其他数值。比如，除了亮度和颜色以外，光还具有另一个性质叫“偏振”（polarization）——蜜蜂可以看见偏振光，并能用其来辨别方向。尽管人眼察觉不到这个性质，但偏光太阳镜却能透过某一种特定的偏振光。许多流行的暴胀模型都预测到，宇宙微波背景辐射中存在一个相当特别的偏振特征——暴胀过程中的量子涨落产生了一种被称为“引力波”（gravitational waves）的东西，这是时空结构的振动。它以一种独有的方式扭曲了宇宙微波背景的模式。
2014年的一天清晨，阿兰给我发送了一封标为“机密”的邮件，邀请我参加3月17日在哈佛大学举行的一场新闻发布会，届时将宣布引力波的发现。房间里挤满了物理学家和新闻记者，阿兰和林德两人都面带微笑。来自BICEP2实验的约翰·科瓦奇（John Kovac）汇报说，经过在南极地区对微波长达3年的艰苦测量，他们探测到了长度接近10亿光年的巨大引力波。要形成如此强大的引力波，需要极端的暴虐。例如，两个黑洞发生灾难性的碰撞，将比太阳还重的质量挤入一个比城市还小的体积内。这样的事件才能创造出美国LIGO（激光干涉引力波天文台）实验希望探测到的引力波，但是这些引力波的大小仅仅只有创造出它们的那对黑洞那么大。
既然我们的宇宙中似乎没有什么东西如此庞大，大到能够产生BICEP2声称看到的巨大引力波，那么，究竟是什么东西创造了它们呢？在我看来，唯一合理的解释就是暴胀创造了它们，采用的方式是在10-38秒的时间内将空间翻倍并重复至少80次。如果这些巨大的引力波真的存在，这就是唯一的解释。BICEP2新闻发布会后不到一年的时间里，它的结论就被普朗克卫星的新数据所推翻。普朗克卫星的数据显示，BICEP2的全部或部分信号并不是由暴胀引起的，而是由银河系内的尘埃所引起。搜寻仍在继续：BICEP2和其他竞争团队正在你追我赶，争取早日测量出更加灵敏的结果。接下来的几年里，人们终将揭示出来自暴胀的可探测引力波是否真的存在。
那么，我们到底应该多认真地看待暴胀理论呢？即使在引力波事件发生之前，它就已逐渐成为关于宇宙早期最成功和最流行的理论，因为各方实验逐渐确认了它的一个又一个预测，那就是：我们的宇宙应该非常庞大，它正在膨胀、近似均质、各向同性并且十分平坦，而宇宙“婴儿照”中则存在着细微的涨落，大体上具有尺度不变性、绝热性和高斯性。对我和我的许多宇宙学同行来说，如果能找到极大、极长的引力波，就相当于找到了触发成因的确凿证据，因为我们找不到其他合理的解释。所以，找到它们就意味着（尽管听起来很疯狂）暴胀真的发生过——我们的整个可观测宇宙曾经比一颗原子还小得多。
如果要认真对待暴胀理论，那么我们就需要纠正那些声称暴胀发生在宇宙大爆炸之后不久的人，因为它其实发生在大爆炸之前，并创造了大爆炸。将宇宙的热大爆炸定义为时间的起点是不恰当的，因为我们并不知道时间是否真的有一个起点，还因为暴胀的早期阶段并没有多么“热”，也不“大”，更算不上什么“爆炸”。随着那一小团暴胀物质将直径翻上80倍，它各部分之间相互远离的速度也飞快地增加了280倍。它的体积增加的倍数是前述数字的立方，也就是2240。质量也同样如此，因为它的密度几乎保持不变。暴胀之前所留下的所有粒子很快降至接近零的温度，只剩下一点点来自量子涨落的热量——正是这些量子涨落产生了引力波。综合来看，我认为，我们最好不要把暴胀的早期阶段看作一次热大爆炸，而应该看作一场“冷小旋风”（Cold Little Swoosh），因为那时候我们的宇宙并没有那么热（到暴胀终止时，温度升高了1 000倍），也没有那么大（还没有一个苹果重，尺度为质子的1/109），甚至也算不上一个爆炸（膨胀的速度比暴胀后慢了1万亿、万亿倍）。
到目前为止，我们对暴胀理论的讨论听起来很像一个成功的物理学理论必经的典型生命周期：新理论解决了老问题→更多预测→实验确认→广被接受→写入教科书。听起来，似乎到了暴胀理论该退休的时候了，我们会为它举办一场传统的科学理论退休仪式，主持人会说：“谢谢你，暴胀理论，谢谢你在探索宇宙终极起源方面的积极付出。现在，请退休吧，你将在教科书的某几章节里度过余生。所以，别来烦我们了，我们将探索其他令人兴奋、尚未解决的新问题。”但是，暴胀理论却很像一个顽强的老教授，它就是坚持不退休！除了在早期宇宙学中不断给予之外，暴胀理论还给了我们一个从未想过的大惊喜——然而，我的一些同行并不欢迎它。
根本停不下来
第一个令人震惊的事情是，暴胀拒绝停下来，永远在创造出新空间。这是安德烈·林德和保罗·斯坦哈特在一个更具体的模型中发现的。亚历克斯·维兰金为这个效应的存在找到了一个优雅的证据。他是塔夫茨大学的教授，总是友善待人，语调温柔，正是他邀请我去做了那场让阿兰·古斯睡着的演讲。因为种种原因，维兰金曾遇到过很多政治磨难，因此，每当我为官僚主义而懊恼时，想一想亚历克斯的经历，我就会意识到自己的问题是多么微不足道，我的沮丧就会被感激所取代。也许，正是他对所信之物的坚定和不畏权势的精神，才使他坚持不懈地工作，并发现其他杰出科学家忽视的东西。
维兰金发现，暴胀在何时何地结束的问题十分微妙有趣。我们知道，至少在某些地方，暴胀确实结束了。因为140亿年前，在我们现在栖身的这片空间里，暴胀终止了。这意味着，一定有某种物理过程能摆脱暴胀物质，让它衰变成普通的非暴胀物质。而这些非暴胀物质持续膨胀和聚集，正如上一章所讲到的那样，最终形成了星系、恒星和行星。我们知道，具有放射性的不稳定物质会衰变为其他物质，所以，让我们假定暴胀物质拥有相似的不稳定性。这意味着，暴胀物质也有一个半衰期，在半衰期的时间内，一半的暴胀物质将会发生衰变。如图4-7所示，暴胀引起的尺度翻倍和暴胀物质衰变之间就像在进行一场拔河比赛。为了使暴胀能持续进行，前者必须获胜，这样整个暴胀体积才能随时间而不断增长下去。这意味着暴胀物质翻倍所需的时间必须短于半衰期。图4-7中就描绘了这样一个例子，当暴胀体积增长到3倍时，正好有1/3的暴胀物质发生衰变，一次又一次地进行下去。从图中你能看到，空间的总体积会永远翻倍下去。与此同时，暴胀空间的衰变不断产生出非暴胀区域，所以，非暴胀的空间体积也在不断翻倍，暴胀在这些区域内已经停止，星系最终将在其中孕育。
暴胀这种永不停歇的性质，比我们之前认为的更加普遍。安德烈·林德创造出了“永恒暴胀”（eternal inflation）这个术语。他发现，在他提出的暴胀模型中，即使是最简单的那个，也将通过一种优雅的机制永恒暴胀下去，这种机制与撒下宇宙涨落种子的量子涨落有关。
到现在，全球各地的科学家已经对数量众多的暴胀模型进行了细致地分析，结果发现，几乎所有模型的最终命运都是永恒暴胀。这些计算过程都很复杂，但图4-7中的示意图抓住了本质，向你揭示出为什么暴胀普遍是永恒进行的：为了让暴胀开始发生，暴胀物质的膨胀速度必须大于衰变的速度，这会让暴胀物质总量不停地增长，没有上限。
永恒暴胀的发现，彻底改变了我们对宇宙大尺度图景的理解。我不禁觉得，过去的宇宙学理论听起来就像童话一样天真，它只有一个故事，遵循一条简单的情节线：“很久很久以前，暴胀开始了……暴胀创造了大爆炸……大爆炸创造了星系。”图4-7让这个故事显得很幼稚——它再一次昭示了人类的错误，因为我们总是傲慢地假设自己所知道的一切就是这个宇宙的全部。这一次，我们发现，连大爆炸都只是一个更加宏大之物的一小部分，就像一个不断生长的树形结构。我们称之为“大爆炸”的事件，并不是宇宙的终极开端，而只是一个结束，它为我们这部分空间中的暴胀画上了句号。
图4-7 永恒暴胀的示意图。每有一份体积的暴胀物质（用立方体表示）衰变成我们这样的非暴胀大爆炸宇宙，就有两份体积继续暴胀下去，体积增长到3倍。结果就是一个无止境的过程，大爆炸宇宙的数量按1、2、4等这样的规律增加，每次翻1倍。所以，我们的大爆炸（用火花表示）并不是万物的开端，而是我们这部分空间暴胀的结束。
魔法秀：如何从有限的体积内创造出无限的空间
第1章中那个幼儿园小朋友曾问：“空间是无边无际的吗？”永恒暴胀理论给出了一个清楚的答案——空间不仅非常庞大，它实际上是无限的，其中有着无限多的星系、恒星和行星。
让我们更仔细地探索一下这种观点。尽管图4-7中的示意图并没有表达得很清楚，但我们在这里只对一个单独的连通空间进行讨论。现在（下面我们将回到真正的“现在”），这个空间内的一些地方正在飞速地膨胀，因为它们包含着暴胀物质；一些地方则膨胀得非常缓慢，因为它们之中的暴胀已经结束；一些地方，比如银河系内的区域，则已经完全停止了膨胀。那么，暴胀结束了吗？根据上面提到的那些研究，得到的答案是：是，又不是。暴胀已经结束了，同时它又没有结束。这到底是什么意思呢？来看看下面几个结论。
●在空间中的几乎所有地方，暴胀最终将会以大爆炸的形式结束。
●空间中，多多少少会有一些地方，暴胀永远不会结束。
●暴胀体积的总量将永远增加，定期翻倍。
●暴胀结束、包含星系的体积也将永远增加，定期翻倍。
这是否意味着空间现在已经是无限的了？这将第1章开头提出的问题2带到了我们面前：在有限的时间中，如何能创造出无限的空间？听起来不可能。然而，正如我提过的，暴胀就像一场魔法表演，通过创造性地使用物理定律，许多看起来不可能的节目都上演了。实际上，暴胀能做得更好，在我看来，这是它最令人惊异的花招：它能在有限的体积内创生出无限的体积！具体地说，它能在一团比原子还小的物质中创造出一个无垠的空间，其中包含着无限多的星系，而不用影响外界空间。
图4-8告诉我们暴胀是如何玩这个花招的。它展示了时空的一个切面，其中，左右边缘分别代表暴胀永不结束的两点，下边缘对应着一段时间，在这期间，两点间的整个空间都在暴胀。要画出一个正在膨胀的三维空间十分困难，所以在这张图中，我忽略了膨胀和两个空间维度，因为这两者并不影响基本论述。最终，除左右边缘之外，所有地方都停止了暴胀。弯曲的边界线表示暴胀在不同区域停止的精确时间。在一个给定的区域内，如果暴胀结束了，传统的大爆炸理论就开始在此处展开画卷，就像前两章所讨论的那样，先是变成一个炙热的核聚变反应堆，接着逐渐冷却下来，形成原子，再衍生出原子、星系，最终可能出现像我们这样的观察者。
图4-8 如正文所说，在外界看起来比原子还小的区域内，暴胀能创造出一个无限的宇宙。在栖于此间的观察者看来，A和B是同步的，C和D也是同步的，无限的U形面上，暴胀结束于观察者的时间开端，原子形成于此后的40万年……为了简化，这张图忽略了空间的膨胀和两个维度。
这个花招的关键点在于：根据爱因斯坦的广义相对论，如果这些星系中居住着一名观察者，那他对时间和空间的感知将与我在图4-8中用坐标轴所定义的完全不同。我们的物理空间中并没有标明尺子一样的厘米刻度，宇宙中也没有一堆事先设定好的时钟。相反，每个观察者都需要定义自己的尺子和时钟，从而定义出自己对时间和空间的概念。这种想法与爱因斯坦不朽的核心理念不谋而合，那就是“一切都是相对的”——不同的观察者对时间和空间的感知都不同。具体点说，同步也可以是相对的。
现在假设你有一个好朋友是宇航员，他此时正在火星上执行任务，你向他发送了信息：
“嗨！你那边怎么样啊？”
这条消息通过无线电波以光速从地球传向火星。10分钟后，他收到了你的消息。你等待的过程中，收到了一封来自尼日利亚的垃圾邮件，向你推销便宜的劳力士手表。再过了10分钟，你收到了他的回信：
“我很好，但我很想念地球！”
那么，你收到垃圾邮件和火星宇航员发出邮件，这两件事哪一件发生得更早呢？令人惊讶的是，爱因斯坦发现，这个简单的问题并没有简单的答案。正确的答案取决于问题回答者的速度！比如，我坐在一艘飞船中，正掠过地球，飞向火星。在这个过程中，我拦截到了这三封邮件，并进行了分析。根据飞船上搭载的时钟，我得出结论，你朋友发出邮件的时间早于你收到垃圾邮件的时间。但是，如果我往相反的方向运动，我可能会得出相反的结论，即你收到垃圾邮件的时间更早一些。你感到晕头转向了吗？这正是爱因斯坦发表相对论时，大多数物理学家的反应。但是，之后无数的实验证明，时间就是这样运行的。唯有地球事件在火星信息到达地球之后才发生时，才能让我们确定火星事件早于地球事件。
现在，让我们将其运用在图4-8所示的情况里。对处在这个区域之外的某人来说，可以用横轴和纵轴来分别代表空间和时间，就像我画在图中的那样，于是，A、B、C、D四件事情将按照字母顺序依次发生。此外，B一定发生得比D早，因为你可以想象出从B向D发送一条信息的情景。同样，A一定早于C。然而，鉴于A和B距离遥远，连光线都没有足够的时间到达，那我们是否还能确凿地说A早于B呢？爱因斯坦的答案是，不能。实际上，对一位栖居于图中星系里的观察者来说，将所有地方的暴胀结束都定在一个固定的时间会更有意义，因为暴胀的结束意味着大爆炸，所以对他来说，A和B实际上是同时发生的！正如图中所示，代表着“暴胀结束”的曲线并不是水平的。曲线的左右边缘弯曲得像一个U字形，代表着永不结束的暴胀，所以它实际上是无限的。这意味着，只要从这位观察者的角度考虑，他的大爆炸就开始于无限空间（也就是无限的U字形）中的一个点！这无限的空间从哪里悄然而来呢？——它来自未来无限的时间，来自U字形两端逐渐倾斜的无垠空间。
同样地，他还会认为宇宙在接下来的时间里也是无限的。比如，如果他进行宇宙微波背景实验，拍下了他的宇宙只有40万年历史时的“婴儿照”，他所拍下的等离子体表面对应着图中质子和电子结合变成透明（不可见）氢原子的那个表面。你会发现，这也是一个无限的U字形，所以他将感觉到，40万年历史的宇宙也是无限的。他还会认为C和D是同时发生的，因为它们位于同一个U字形上，第一批星系正在其中孕育。每两条U字形之间，你都能塞下无数个U字形，所以，他感觉到有两个东西是无限的，一是宇宙的空间，二是未来的时间——尽管在外人看来，所有这一切都被灵巧地塞进了一个比原子还小的区域中。真相就是，内部的空间膨胀并不一定会增加它在外部世界所占据的空间——请记住，爱因斯坦允许空间拉伸，并从虚无中创生出更多的体积，而不用从其他地方抢夺而来。实际上，从外界看起来，这个无限的宇宙可能很像一个亚原子黑洞。阿兰·古斯和他的同事们甚至真的研究了这种可能性：在实验室里创造出一种东西，从外部看像个小黑洞，而从内部看则是一个无限的宇宙——至于是否真能做到这一点，人们尚没有定论。[10]
在本章开始时，我们由弗里德曼的经典大爆炸理论说起，因它无法解释一些基本问题而展开了对暴胀理论的探索。那么，现在让我们用暴胀理论来重新回答一下下面这几个问题。
问题12：是什么导致了大爆炸？
答：一团亚原子尺度的暴胀物质在尺度上的不断翻倍。
问题5：大爆炸是从某个单独的点开始发生的吗？
答：基本上算是。因为它发生于一个比原子还小的区域内。
问题4：大爆炸是从空间中的什么地方开始的？
答：在那个微小的区域内。但是，暴胀将它拉伸到一个葡萄柚般的大小，这个葡萄柚再飞速增长，直到比我们今天看到的整个可观测宇宙还大。
问题2：在有限的时间中，如何能创造出无限的空间？
答：永恒暴胀的过程中创造出了无限多的星系。根据广义相对论，栖身于这些星系中的观察者对时间和空间的区分有所不同。他们会觉得，早在暴胀刚结束的时候，空间就已经是无限的了。
简而言之，暴胀理论彻底改变了我们对宇宙起源的理解，用一个从虚无中创造出大爆炸的简单机制解释了弗里德曼大爆炸模型无法回答的艰深难题。除此之外，它还给予了我们更多馈赠：宇宙空间不仅是庞大的，它实际上是无限的，拥有无限多的星系、恒星和行星。然而，我们在下一章将看到，这仅仅只是冰山的一角。
◆弗里德曼大爆炸模型对宇宙最早期的解释上存在严重的问题。
◆暴胀理论解决了这些问题，还解释了大爆炸的起因。
◆暴胀理论解释了为什么空间是平坦的，这也是我们以1%的误差测量出来的结果。
◆暴胀理论还解释了为什么平均来看，遥远的宇宙在各个方向上都是相同的，不同区域之间的起伏只有0.002%。
◆暴胀理论解释了0.002%的起伏来源于被暴胀从微观尺度拉伸到宏观尺度的量子涨落，涨落再被万有引力放大，最终形成今天的星系和宇宙大尺度结构。
◆暴胀理论甚至还解释了获得2011年诺贝尔奖的宇宙加速膨胀理论，重启的暴胀就像慢动作，使得宇宙翻倍的时间并不是短于须臾之间，而是长达80亿年。
◆暴胀理论认为，宇宙增长的过程与人类婴儿发育的过程很相似：先是一个加速增长的阶段，在其中，尺度按固定周期翻倍，接下来是一个更舒缓的减速增长阶段。
◆大爆炸其实并不是宇宙的开端，而是一个结束，即我们这部分空间中的暴胀结束，而在其他地方，暴胀普遍会永远进行下去。
◆暴胀理论预言，我们的宇宙不仅是庞大的，实际上是无限的，其中有无限多的星系、恒星和行星，而孕育它们的初始条件都来自最初的随机量子涨落。
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