如果宇宙正在膨胀，那么它会膨胀到什么里面去？
一位非常有趣并且坦率的俄罗斯理论物理学家在准备下一周的一个学术报告，当他在喝咖啡时和大家聊起这个的时候，让大家很是吃惊。物理类的学术报告通常是一个总结性的报告，面向学生、博士后、教授和所有具有物理学背景的人。但这位个性的物理学家打算在报告上“谈论宇宙学”。当被别人指出这个话题可能有点太宽泛，毕竟宇宙学是整个领域时，他认为在宇宙学中只有几个想法和几个值得测量的量。他自认为在一个小时的报告中，自己完全能够覆盖所有这些内容，包括他自己的贡献。
我会让你自己判断他对宇宙学的极端观点是否正确。我想强调的一点是，我对此观点很是怀疑，许多问题还有待探索和理解。事实上，宇宙早期演化的优美之处就在于，许多方面它简单得令人惊讶。天文学家和物理学家通过观察今天的这同一片天空，能够反推得到宇宙数十亿年前的组成和活动。在本章中，我们将探讨人类在理解宇宙历史方面所取得的惊人进步，这些都是过去一个世纪的理论和观测带给我们的。
宇宙大爆炸理论
我们没有工具来可靠地描述宇宙的原初。尽管不知道宇宙如何开始，但这并不意味着我们知之甚少。宇宙的原初并没有已知的理论能够对其进行描述，在宇宙爆炸之后的极短时间开始，宇宙的演化才遵循已有的物理定律。利用相对论方程以及简化的宇宙成分的假设，物理学家可以确定大约10-36秒之后宇宙演化的行为，也只有在这个时刻之后，用来描述宇宙膨胀的大爆炸理论才能够适用。早期的宇宙充满了物质和辐射，它们是均匀分布并且各向同性的，也就是说在各个区域和各个方向上都是一样的，因此仅仅需要几个量就完全足够描述宇宙的早期物理性质。这种特性使得宇宙的早期演化很简单，可以预测，还很容易理解。
宇宙大爆炸理论的核心是宇宙的膨胀。在20世纪20年代和30年代，俄罗斯气象学家亚力山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）、比利时牧师和物理学家乔治斯·勒马（Georges Lemaître）、美国数学家和物理学家霍华德·罗伯森（Howard Robertson），以及英国数学家亚瑟·沃克（Arthur Walker），后两人一起工作，分别得到了爱因斯坦广义相对论方程的解，推断出随着时间流逝宇宙必须膨胀（或收缩）。他们甚至还计算出了空间膨胀速率在物质和辐射的引力作用下如何变化，而物质和辐射的密度随着宇宙的演化也是变化的。
宇宙本来很可能就是无限的，因此宇宙膨胀也许是一个奇怪的概念，但其实是空间本身在膨胀而已，也就是说像星系之类的天体之间的距离会随着时间的流逝而增加。我经常被问：“如果宇宙正在膨胀，那么它会膨胀到什么里面去？”答案是，它没有膨胀到任何东西中去，空间本身也在膨胀。如果你想象宇宙是一个气球的表面，气球本身在变大（见图4-1）。如果你在气球的表面标记了两点，那这两点的距离会变得越来越远，正如膨胀宇宙中的星系在彼此退后一样。我们的类比并不完美，因为气球的表面仅仅只是二维的，而它实际上是膨胀到了一个三维的空间。如果想象气球的表面是所有的一切，也就是空间本身，那么就可以做这个类比了。如果这是真的，即使没有任何事物可以膨胀到里面去，标记的点之间的距离仍然会继续变大。
图4-1
随着宇宙的膨胀，星系相互远离对方，这和随着气球膨胀，上面两个点之间的距离逐渐变远的过程非常像。
宇宙的年龄谜题
继续上述类比，只是标记点之间的空间在膨胀，而不是点本身。即使在一个膨胀的宇宙中，恒星、行星或者被很强的引力或者其他力紧紧约束在一起的天体，都不会经历让星系彼此分开的膨胀。原子（包含一个原子核和一些电子）由于电磁力的作用，彼此靠近，体积不会变得更大。相对致密的强束缚结构，比如星系或我们的身体，它们的密度超过宇宙平均密度万亿倍，但仍然不会发生膨胀。驱动膨胀的力也会作用于这些致密的束缚系统，但因为力的贡献非常强大，我们的身体和星系不会随着宇宙的膨胀而增长；或者即使会膨胀，那么膨胀的量也可以忽略不计，我们永远不会注意或测量到它的效应。物体的大小保持不变，只是随着空间的变大，物体之间的距离变得越来越远。
众所周知，爱因斯坦是从相对论方程中得到宇宙膨胀结论的第一人。然而，因为他所得到的结果是在宇宙膨胀被发现之前，所以他对自己的观点也不是特别自信，更没有宣传。在试图解决他的理论预言和静态宇宙之间矛盾的过程中，爱因斯坦引进了一个新的能量。在他看来，这个新的能量来源能够阻止预测中的宇宙膨胀。埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在1929年证明了爱因斯坦的解决方案是错的。他发现，宇宙实际上是膨胀的，随着时间增长，星系彼此互相远离（但让人难以置信的是，哈勃是一个不相信任何特定理论的观测者，他并没有接受对他发现结果的这种解释）。爱因斯坦因此欣然放弃了他做的“傻事”，并且将其称为自己“最大的错误”（这也许是后人杜撰的）。
然而，爱因斯坦提出的那种能量确实存在。最近的测量显示，需要一种新的能量，我们现在称之为“暗能量”——虽然不是能够抑制宇宙膨胀的那种类型，却是精确解释观测所必须的，而且是一种完全相反的效果：宇宙在加速膨胀。我认为，爱因斯坦之所以真的认为是他的错误（如果他真的那么说过），是因为他没有意识到最初膨胀预言的正确性和意义，而这本来会成为他的重要预言。
公平地说，在哈勃提出他的结果之前，我们对于宇宙的认知非常少。哈罗·沙普利（Harlow Shapley）测定了银河系的大小，直径为30万光年，但他相信银河系包含了宇宙的一切事物。20世纪20年代，哈勃意识到这一说法并不对，因为他发现许多星云实际上包含很多星系，距离我们数百万光年，而沙普利原来认为那是一大团尘埃云（这也是一个名副其实的平常名字）。20年代后期，哈勃获得了一个让他更为出名的发现：星系红移（redshift of galaxies），即光的频率的改变能够告诉科学家，宇宙在膨胀。就像一个行驶中的救护车的警报声变低会告诉人们它已远离一样，星系的红移说明其他星系在远离地球，表明地球处在一个星系互相远离的宇宙当中。
哈勃常数
又称哈勃定律，是指河外星系退行速度与距离的比值，是一个常数，通常用H表示，单位是公里/（秒·百万秒差距），也是目前学界认为的宇宙膨胀速度。
如今，我们常会提起哈勃常数（Hubble constant），这是宇宙目前膨胀的速率。现在来看，它是一个常数，在空间的各个地方，它的值都是相同的。但实际上哈勃参数不是一个恒定值，它会随着时间发生变化。在早期的宇宙中，当事物更为致密、引力效应更为强烈的时候，宇宙的膨胀要比现在快许多。
直到现在，我们对哈勃常数的“测量”仍然有很大的不确定性，这意味着我们不能精确地确定宇宙的年龄。宇宙的寿命取决于哈勃常数的倒数，所以如果这个测量有2倍的不确定，那么年龄也有2倍的不确定。
记得我还是个小孩的时候，在报纸上看到一些测量已经引起宇宙年龄的发生改变。因为不知道那些数字代表了膨胀速度的测量结果，所以我当时非常惊讶。像宇宙年龄这样重要的事情怎么能够被随意地改变呢？原来即使不知道宇宙的确切年龄，我们也可以在一个定量的水平上，理解许多有关宇宙的进化结果。也许，更精确的宇宙年龄估计会促使我们更好地理解宇宙的成分和其中的基本物理过程。
无论如何，这种不确定性现在得到了更好的控制。当时还在卡耐基天文台的温迪·弗里德曼（Wendy Freedman）和她的合作者测量了膨胀速率，并且最终平息了争论。事实上，因为哈勃参数的值对于宇宙学非常重要，所以共同努力确保了最大可能的精度。利用哈勃太空望远镜，天文学家得到的测量值为72公里/秒/Mpc（意味着在百万秒差距距离上的事物，以72公里/秒的速度后退），其精确度为11%，与哈勃之前最初的不准确测量值500公里/秒/Mpc相去甚远。
Mpc（megaparsec）即100万个秒差距，而秒差距，就像许多天文单位，是早期测量的一个传统。它是“秒视差”（parallax second）的缩写，与物体在天空中张开的角度有关，这就是为什么它有一个角度单位。就像许多因为历史缘故而保留下来的测量单位一样，许多天文学家仍然使用这个单位，但不少人不太喜欢用秒差距做单位。将其转化成或许我们稍微熟悉的距离单位，一个秒差距大约是3.3光年。这个神秘的单位和更容易被解释的物理量大小相当，这仅仅是一个偶然的巧合。
对于哈勃参数，哈勃望远镜的结果有10%～15%的不确定性，而非2倍的不确定，从而使其结果更为精确。最近，微波背景辐射数据的研究给出了更好的结果。我们现在可以把宇宙年龄的不确定限制在几亿年之内，而且测量精度一直在提高。当我写《弯曲的旅行》时，宇宙年龄还是137亿年，但现在我们相信宇宙更老一些，即从大爆炸以来大约是138亿年。请注意，这不仅仅是不断变化的哈勃参数导致了结果的改进，我在前文提到的暗能量的发现也能对其有所解释，因为宇宙的年龄依赖于这两个量。
大爆炸演化的预言
根据大爆炸理论，宇宙起源于138亿年前的一个炙热并且致密的火球，它由许多相互作用，并且温度高于一兆兆摄氏度（1024℃）的粒子组成。根据爱因斯坦的理论，所有已知的（也可能有未知的）粒子在以接近光速的速度向周围四处运动，不断相互作用、湮灭，又从能量中不断产生。所有强烈相互作用的各种物质有着一个共同的温度。
物理学家称充满早期宇宙那炙热且致密的气体为辐射（radiation）。出于宇宙学的研究目的，辐射被定义为任何以相对论速度运动的事物，意味着以光速或者接近光速的速度运动。要称得上辐射，物体必须具备足够多的动能，甚至要远远超过其质量所储存的能量。早期宇宙非常炙热，能量非常高，以至于由基本粒子组成的气体很容易满足这一标准。
此时的宇宙只有基本粒子，而没有原子（由原子核和电子束缚在一起）或质子（由更基本的所谓夸克组成）。在如此多的热量和能量面前，没有什么能被困在一个被束缚的物体中。
随着空间的膨胀，弥漫在宇宙四处的辐射和粒子变得稀薄、冷却下来。它们表现得就像是被困在一个气球中的热气体，随着气球的膨胀变得越来越不那么致密。每个能量成分的引力效应影响膨胀的方式不同，所以研究宇宙膨胀随时间的变化，能够让天文学家区分出辐射、物质和暗能量的不同贡献。物质和辐射会随着膨胀而被稀释，非常像警报声远离我们而去时，它的声音也随之变小，辐射会红移到更低的能量，所以辐射会比物质稀释得更快。然而另一方面，暗能量根本不会被稀释。
随着宇宙的冷却，当温度和能量密度不足以产生某个特定粒子时，尤其当一个粒子的动能不超过mc2的时候（其中m是特定粒子的质量，c是光速），一些显著事件就会发生。对处在冷却中的宇宙，大质量粒子会一个接着一个地变重，通过与反粒子相结合，大质量粒子会发生湮灭，转变成能量，从而加热其余质量比较轻的粒子。这些大质量粒子逐渐脱耦，从而最终消失。
即使宇宙的成分发生了改变，也是直到宇宙大爆炸发生的几分钟之后，才会看到一些可观测效应。因此，我们将跳到宇宙成分发生巨大改变的时候，至少可以去验证它们。哈勃膨胀就是对宇宙大爆炸理论的一个验证。另外两个涉及宇宙成分的重大测量结果增强了物理学家的信心，从而相信这个理论的正确性。在宇宙极早期会形成不同类型的原子核，我们首先考虑这些原子核相对丰度的预测结果，这与已经观测到的密度非常吻合。
在大爆炸发生几分钟之后，质子和中子停止了单独飞行。温度降到足够低，使得这些粒子被强相互作用力束缚在一起成为原子核。也就是从那个时候起，最开始让中子和质子数目保持相等的物质相互作用不再起作用；而中子依旧能够通过弱相互作用力衰变成质子，所以它们的相对数目发生了变化。
因为中子衰变发生得足够慢，所以相当大一部分的中子能够存活足够长的时间，并和当时的质子一起形成原子核。氦、氘和锂原子核就这样产生了，然后这些元素（包括氢原子，当氦产生时，它的密度就会被消耗）作为宇宙遗迹的含量就可以确定了。不同元素的相对含量取决于质子和中子的相对数目，同时也取决于相对宇宙的膨胀速度所需物理过程发生的快慢。所以核合成理论（nuclearsynthesis，这个过程现在是已知的）的预言结果检验了原子核物理理论，以及大爆炸膨胀的一些细节。观测与预测的结果惊人地一致，这是对大爆炸理论和核物理的一个重要确认。
这些测量结果不仅验证了现有的理论，也对新理论给出了限制。这是因为，当核丰度确立的时候，膨胀速度主要取决于我们已知物质类型所携带的能量。当时存在的任何新物质不可能贡献很多能量，否则膨胀速度将会过快。当我们在推测宇宙中是否存在物质时，这个限制对我和我的同事们来说非常重要。只有少量的新物质能够存在于平衡态中，并且它的温度与核合成中已知物质的温度相同。
这些预测的成功也告诉我们，即使在今天，普通物质的含量也不会远大于观察到的含量。过多的普通物质和核物理的预测结果将会与宇宙中观测到的重元素丰度不一致。与前一章描述的测量结果（它告诉我们发光物质不足以解释观测结果）相结合来看，核合成理论成功的预言结果告诉我们，普通物质不能解释所有宇宙中观测到的物质，这也在很大程度上排除了一个可能性：人们看不见一种物质，只是因为它不燃烧或反射得不够。如果发光物质中有更多普通物质，除非有一些新的成分，否则核物理预言的结果将不再适用。如果普通物质在核合成的过程中没有被隐藏起来的话，那么我们可以断定，暗物质肯定是存在的。
就宇宙学预言的详细检验而言，宇宙演化过程中最为重要的一个里程碑发生在比较晚的时候，大约在大爆炸之后的38万年。宇宙最初充满了带电和不带电的粒子。在这个时候，宇宙已经足够冷，此时带正电的原子核和带负电的电子结合形成原子。自此，宇宙开始包含了中性物质（一种不带电荷的物质）。
光子是传播电磁力的粒子，而带电粒子变为中性原子是一个实质性的变化。在带电物质不会让光子发生偏折的情况下，光子可以顺畅地穿越宇宙。这意味着，早期宇宙的辐射和光可以直接到达地球，而与宇宙后来可能发生的更为复杂的演化没有关系。我们今天所看到的宇宙背景辐射是宇宙演化了38万年时所产生的辐射。
这种辐射与宇宙开始大爆炸膨胀之后立即出现的辐射是一样的，但它现在正处于一个更低的温度。光子已经冷却，但它们并没有消失。今天的背景辐射温度是2.73开尔文[7]，这是极其冷的温度。辐射温度也仅仅比零度高几度而已，这个零度也被称为绝对零度，是任何事物所能承受最低温度的极限。
从某种意义上来说，探测到这种辐射也是对大爆炸理论最确切的验证，并且可能是最有说服力的证据，这表明方程式是正确的。出生于德国的天文学家阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和美国人罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在使用新泽西贝尔实验室的望远镜时，于1963年意外地发现了这个宇宙微波背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊当时并不是为了寻找宇宙的遗迹，他们感兴趣的是将无线电天线用于天文学研究。当然，附属于一家电话公司的贝尔实验室对无线电波也很感兴趣。
当彭齐亚斯和威尔逊试图校准他们的望远镜时，他们记录了一个均匀的背景噪声（犹如静态的），它来自四面八方，而且不随季节变化。这个噪声一直不消失，所以他们知道不能忽视它。由于这个噪声没有一个方向的倾向性，所以它不可能来自附近的纽约[8]、太阳或前一年的核武器测试。在清理完望远镜中鸽子的粪便之后，他们得出的结论是：这个辐射也不可能来自鸽子的“白色介电材料”，彭齐亚斯礼貌地这么称呼这些粪便。
威尔逊告诉我，现在看来他们发现这个辐射的时间是多么幸运。他们当时并不知道关于大爆炸的任何事情。但就在附近，普林斯顿大学的理论物理学家罗伯特·迪克（Robert Dicke）和吉姆·皮布尔斯（Jim Peebles）却是知道的。当普林斯顿的物理学家发现，他们已经被贝尔实验室的科学家赶超的时候，他们当时还正处在设计实验来测量辐射遗迹的过程中。他们早已经认识到这种遗迹辐射对大爆炸理论的重要意义，但是贝尔实验室的人却还没有意识到。对于彭齐亚斯和威尔逊来说幸运的是，麻省理工学院的天文学家伯尼·伯克（Bernie Burke），既知道普林斯顿大学的研究结果，也知道彭齐亚斯和威尔逊的神秘发现。威尔森向我把伯克描述成他的早期“私人互联网”，而伯克所做的是把两者结合，让两方的相关人员接触。经过咨询理论物理学家迪克之后，彭齐亚斯和威尔逊意识到了他们发现的重要性及价值。这个背景辐射的发现，使得贝尔实验室的这两位物理学家在1978年获得了诺贝尔奖。与更早的哈勃膨胀发现一起，这个发现确认了曾经预言宇宙在一直冷却和膨胀的大爆炸理论。
这是“科学在行动”很好的例子。这一研究是为一个特定的科学目的而做的，但带来了辅助性的技术和好处。天文学家开始并不是在寻找他们所发现的东西，但职业素养让他们没有忽视那些发现。尽管这项研究在开始时是在寻找相对很小的发现，却无意中催生了一个意义深远的发现。他们之所以能够获得这个发现，也是因为其他人也同时在以更大的图景思考着同样的问题。贝尔实验室的科学家们的发现是偶然的，但这个发现却永远地改变了宇宙学这门科学。
在这个发现之后的几十年内，这种辐射促进了宇宙学的重大发展，其详细测量帮助验证了宇宙暴胀理论的预言结果，而宇宙暴胀是发生在宇宙极早期的一个爆炸阶段。
宇宙暴胀
“科学的突破是如何发生的”这个问题还存有争议。是逐渐发生，还是突然发生，或者无论如何都会发生？这个问题的答案就像我们最初对宇宙膨胀的无知一样。在理解当今世界的变化速度这个问题上，考虑技术进步的影响或者环境变化的影响非常有用，但人们时常忽视这个重要因素的相关性。
关于变化速度的争论，在19世纪许多有关达尔文进化论的核心冲突中得到了很好的体现。我们将在第11章看到，争论使得查尔斯·莱尔（Charles Lyell）所支持的地质学中的渐进主义，以及他的助手达尔文所支持的突发地质变化的观点，形成了鲜明对比。突发地质变化的观点是由法国人乔治斯·居维叶（Georges Cuvier）提出的。居维叶也意识到了另外一种极端的变化，表明新物种不仅会出现，就像达尔文所展示的那样，而且它们也会因为灭绝而消失。
关于变化速度的争论也是我们理解宇宙发展的关键。对于宇宙而言，第一个让人诧异的是，它一直都在演化。当大爆炸理论在20世纪初被提出时，它与神学上所青睐的静态宇宙非常不同，而静态宇宙是当时大多数人所接受的一种宇宙观。但另外一个，也是后来让人惊奇的理论认为，宇宙在最早期经历了一个爆炸性的膨胀阶段，也就是宇宙暴胀阶段。正如地球上的生命一样，无论是渐进的进程还是灾难性的进程，都在宇宙的历史中发挥了重要作用。对于宇宙而言，“灾难”是暴胀过程；而对于“灾难”而言，我所指的是这个阶段发生得非常突然和迅速。暴胀破坏了宇宙中最初存在的那些成分，但在暴胀结束之时，它也创造了充满宇宙的很多物质。
宇宙暴胀
该理论认为，宇宙初期经历了一个爆炸性的膨胀阶段，其速度非常快，使得宇宙的尺度在极短的时间内增大了几十个数量级。
迄今为止，我所讲述的是一个标准的大爆炸理论历史，它描述了一个不断膨胀、冷却、老化的宇宙。它是非常成功的，但并非全部。宇宙暴胀发生在标准的大爆炸演化之前。尽管我不能告诉你在宇宙的最开始发生了什么，但我可以比较确定地说，在其演化的最早期，或许早至10-36秒的时候，这个被称为暴胀的有趣阶段就已经发生了（见图4-2）。在暴胀阶段，宇宙膨胀的速率远远要比它在大爆炸演化阶段的膨胀速度快得多，以至于在暴胀阶段，宇宙尺度在不断地呈指数级增加。比如，指数膨胀意味着当宇宙年龄是暴胀开始年龄60倍的时候，宇宙的尺度已经增加了一兆兆倍（1024）以上；而如果没有暴胀的话，宇宙尺度将只增加8倍左右。
图4-2
暴胀和大爆炸演化的宇宙历史，包括原子核的形成、结构开始形成、在天空留下印记的宇宙微波背景辐射，以及现代宇宙（星系和星系团已经成形）。
也仅仅只花了几分之一秒，暴胀就结束了，留下了一个巨大的、平滑且平坦的均匀宇宙，然后就进入到了宇宙正常演化中，而其之后的演化就如传统的大爆炸理论所预测的那样。在一定意义上，暴胀就是“爆炸”，就像刚才描述的那样，它让宇宙演化变得更为平滑和更为缓慢。暴胀稀释掉了最初的物质和辐射，因为快速的冷却使得温度降到了非常接近于零度。只有等到暴胀结束，驱动暴胀的能量转化成数量极其众多的基本粒子时，热的物质才会被重新引进来。当暴胀结束时，传统而缓慢的膨胀就开始了。从这个阶段之后，旧的大爆炸宇宙学就可以适用了。
尽管大爆炸理论很成功，但它依旧有几个悬而未决的问题，所以物理学家艾伦·古斯（Alan Guth）创立了暴胀理论。如果我们的宇宙成长于一个极度小的区域，那么为什么会包含那么多东西？为什么宇宙已经存在了那么长时间？基于引力理论，你可能会期待一个包含有这么多东西的宇宙已经膨胀成虚无，或者是已经很快坍缩。尽管它包含着巨大的物质和能量，宇宙三个无限大的空间维度是非常接近平坦的，而宇宙的进化也足够缓慢，慢到能够让我们庆祝它138亿年的存在。
退耦
即防止前后电路网络电流大小变化时，在供电电路中所形成的电流冲击对网络的正常工作产生影响。
最初，大爆炸宇宙学当中的一个主要遗漏是，没能解释宇宙为什么如此均匀。当我们现在所观察到的宇宙辐射产生时，宇宙大约只有现在尺寸的1‰，这意味着光可以走过的距离会小很多。然而，当观测者现在看到来自不同天空区域的辐射时，辐射看起来是相同的，这就意味着温度和密度的变化非常微小。按照最初的大爆炸理论，这一点非常让人困惑。当宇宙辐射和带电物质退耦的那个时间，宇宙年龄很小，因而光没有足够的时间来穿过哪怕是天空尺寸的1%。也就是说，如果时间倒流，你提出一个问题：存在于不同天空中的辐射，是否能够接收来自彼此的任何信号，或者发射任何信号给对方？答案是否定的。如果不同的区域从来不会相互交流，那么为什么它们看起来是一样的呢？这就好比1 000个陌生人住在有着不同商店的不同地方，同时阅读着不同的杂志，然而你却和他们穿着一致地走进剧院。如果你从未与他们接触过或者没有共享过信息，结果你们都穿得一样，那么这将是一个惊人的巧合。太空的均匀性更是让人吃惊，因为它的不均匀性在万分之一以内。现在看来，在宇宙开始的时候，有超过10万块的区域，而且这些区域间当时没有任何的交流。
由于大爆炸理论上的这些缺陷，古斯在1980年提出的想法看起来就很有吸引力。他提出，存在一个更早的时期，在这个时期之内，宇宙的膨胀极其迅速。而在标准的大爆炸理论中，宇宙在平稳地增长。在暴胀期间，宇宙经历了一个爆炸性膨胀的阶段。根据宇宙暴胀理论，极早期的宇宙在极其短暂的一段时间之内，从一个极小的区域经过一个指数级变化增长到巨大区域。一束光线本来可以穿过的区域，在尺寸上增加了大约一兆兆倍（1024）。这取决于暴胀何时开始和它持续了多长时间，光线穿过的最初区域大小为10-29米，在暴胀结束后，膨胀到了至少1毫米大，比一粒沙子大一点。从一定意义上而言，在一粒沙子里，或者如果你能够测量宇宙在那个时候的可见尺寸的话，至少在沙粒这个尺寸上，就像威廉·布莱克（William Blake）让你相信的那样，你的确会发现一个宇宙。[9]
暴胀宇宙的极速膨胀解释了宇宙的巨大、均匀和平直的特点。宇宙是巨大的，它在极其短的时间里呈指数级增长，变得非常大。相比于经典大爆炸理论下的慢速膨胀，一个呈指数级膨胀的宇宙覆盖了远远大很多的区域。宇宙是均匀的，在暴胀期间，急速的膨胀能够平滑掉时空结构中的不均匀性，就像拉伸衣袖来消除折痕一样。一块微小区域中的所有东西本来都是非常靠近，并且通过辐射彼此交流，因为宇宙的暴胀，这块小的区域最后膨胀变成了我们今天所看到的宇宙。
暴胀也解释了宇宙的平直性。从动力学的角度看，宇宙的平直意味着宇宙的整体密度位于临界值上，从而宇宙可以在非常长的时间里保持这种状态。任何更大的能量密度都会导致正的空间曲率，通常一个圆球会具有这样的曲率，它会使宇宙迅速坍缩。任何小一些的密度都会导致宇宙膨胀速度非常快，结构就永远不会合并形成。从技术上讲，我讲得稍微有一点夸张。如果有一个极其微小的曲率，宇宙也还是可以持续这么长时间，但是，如果没有暴胀来判断这个值的话，曲率将会小得让你想象不到。
在暴胀情形之下，宇宙目前是如此巨大和平直，这缘于它在极早期的增长。想象一下，你可以把气球吹得像你想要的那么大。如果你把注意力集中在气球上的某一区域，当气球变得越来越大时，气球表面会变平。同样，人们原本以为地球是平的，因为他们只看到一个巨大球面上的一小块区域。同样的事情对宇宙也是一样的：当宇宙膨胀时，它就会变平；不同的是，它的膨胀超过了一兆兆倍。
宇宙的极端平直是对暴胀的主要证据。这并不让人惊讶，因为平直性问题就是暴胀理论需要解释的几个问题之一。在暴胀理论被提出时，人们认为的宇宙要比简单预期所建议的宇宙平直许多，但人类没有必要的精确度来检验暴胀理论的极端预言结果。现在，在1%的精确度上，宇宙已经被测量是平直的。如果这不是真的，那么暴胀将已经被排除在外了。
20世纪80年代，我还是个研究生。那时候，暴胀被认为是一个有趣的想法，但是大多数的粒子物理学家都不是很重视它。从粒子物理学的角度来看，一个长期的指数级膨胀的环境似乎是非常不太可能的。事实上，它们今天还是不大可能。暴胀本来应该是解决宇宙膨胀初始条件的自然性的。但如果暴胀本身是不自然的，那么这个问题还没有得到真正解决。暴胀如何发生（包括它潜在的物理模型），仍然是一种推测。在20世纪80年代困扰我们构建模型的问题现在仍然值得关注。像斯坦福大学俄裔物理学家安德烈·林德（Andrei Linde），是第一批从事于暴胀模型的人之一，他认为暴胀肯定是对的。尽管暴胀想法的最早提出仅仅是因为没有人找到有关宇宙尺寸、平直和均匀性问题的其他答案，但暴胀却能够一下子解决这所有问题。
考虑到新近宇宙微波背景辐射的详细测量结果，大多数物理学家现在都支持暴胀。尽管我们还需要确定暴胀的理论基础，并且暴胀发生在很久以前，它还是可以产生可检验的预言结果，这使得大多数的人认为暴胀（或者非常类似暴胀的过程）发生过。最精确的观测集中在由彭齐亚斯和威尔逊所发现的2.73开尔文的宇宙背景辐射的细节上。美国国家航空航天局的宇宙背景探测器（COBE）测量过相同的辐射，更全面，而且其频率范围更大上，确认了它在整个天空的高度一致性。
宇宙背景探测器最为壮观的发现是，早期宇宙并不是完全均匀的，这赢得了几乎所有对暴胀持怀疑态度的人。总体而言，暴胀使整个宇宙极其均匀。但暴胀又引进了非常微小的不均匀性，从而偏离完美的均匀性。量子力学告诉我们，暴胀结束的确切时间是不确定的，这意味着，在天空的不同区域，暴胀会在不同的时间结束。这些微小的量子效应会在辐射上留下偏离完美均匀性的印记。尽管很小，但它们却像当你把鹅卵石扔进池塘时，在水里的扰动一样真实存在。
在过去几十年中，最令人兴奋的发现之一无疑就是宇宙背景探测器发现宇宙的量子涨落，它产生于宇宙大约还是一粒沙大小的时代，并最终成为你、我、星系和宇宙中所有结构的起源。宇宙最初的不均匀性产生于暴胀结束的时候。尽管它们开始时的尺度极小，之后却被宇宙的膨胀拉伸到了可以形成星系种子的尺度，或者可测量结构的尺度（第5章我会详细解释）。
一旦这些密度扰动被发现，就像知道了温度和物质密度的微小偏离一样，对它们进行详细研究也仅仅是时间问题。从2001年开始，以更高的精确度以及在更小的角度尺度上，威尔金森微波各向异性探测器测得了密度扰动。和南极望远镜一起，威尔金森微波各向异性探测器观测到了辐射的密度涟漪或者扰动，而这个辐射密度中包含了最开始被创造出来的复杂信息。这些测量的细节证实了宇宙的平直性，确定了暗物质的总量，并验证了早期指数膨胀的预测结果。威尔金森微波各向异性探测器最惊人的一个结果就是，它通过实验证实了暴胀图像。
2009年5月，欧洲航天局发射了它自己的卫星——普朗克卫星，更为细致地研究了扰动。普朗克卫星的结果提高了大多数已知物理量的精度，并且帮助巩固了人类对早期宇宙的认识。普朗克卫星最为重要的成就之一就是，它确定了一个对暴胀动力学可以作出限制的额外量，而正是暴胀动力学驱动了暴胀般的膨胀。正如宇宙大都是均匀的，但有一些小的违反均匀性的扰动。尽管天空中的扰动振幅大多是空间独立的，但也表现出对尺度的微小依赖。对于尺度的依赖反映了宇宙在暴胀结束时能量密度的变化。在这个对暴胀动力学令人印象深刻的确认中，威尔金森微波各向异性探测器和测量精度更高的普朗克卫星测量了这个尺度依赖关系，确定了早期暴胀阶段逐渐停止，并测量了限制暴胀动力学的数值。
虽然我们的理解并不完整，但宇宙学家已经确认暴胀和之后的大爆炸是宇宙历史中的一部分。因为早期宇宙有高度的均匀性，相对比较容易研究，所以我们可以建立详细的理论。未来，方程可以被求解，数据可以很容易地被评测。
然而，在数十亿年前，当宇宙结构开始形成时，宇宙从一个相对简单的系统变为一个更为复杂的系统，所以宇宙学在解释宇宙后来的演变时，面临着更大的困难。当恒星、星系和星系团这样的结构形成以后，宇宙成分的分布变得更难预测、更难解释。
但无论如何，仍然有大量信息包含在不断演化的宇宙结构中，而这些信息最终能够被观测、模型和计算机的综合运用所揭示。正如我们将在本书后文所看到的那样，对这一结构的测量和预测将会教给我们很多东西，包括暗物质与我们这个世界的相关性。现在，让我们先来探讨一下这个结构最初是如何产生的。