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。扫码关注“湛庐教育”，回复“穿越平行宇宙”获取该图。
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？
原子是大爆炸的产物吗
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。
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。
通缉令：寻找精密宇宙学
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。
精确的微波背景起伏，让预测符合观测
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。
