1929年之后，这个所谓的“爱因斯坦宇宙”只是被当作了一件趣闻。因为那时天文学家已经意识到，银河系只不过是众多星系中的一个，而遥远的星系正在远离我们：宇宙不是静止的，而是在膨胀。此后，爱因斯坦也对λ失去了兴趣。事实上，乔治·伽莫夫在自传《我的世界线》（My World Line）中回忆了爱因斯坦去世前三年与他的一次谈话，爱因斯坦认为引入宇宙常数λ是自己一生中“最大的失误”。如果爱因斯坦没有引入这个常数，他的方程式将会毫无疑问地推导出：宇宙正在膨胀或坍缩。这样，爱因斯坦可能早于埃德温·哈勃预测到宇宙正在膨胀的现象。
虽然爱因斯坦引入宇宙常数λ的原因已经被遗忘了70年，但这个概念本身并未因此而失去人们的信赖。恰恰相反，λ现在不再像爱因斯坦认为的那样是臆想和刻意而为的结果。我们现在意识到，虚无的空间绝非那么简单，各种粒子都潜伏在其中。任何粒子及其反粒子都可以通过适当的能量聚集而被制造出来。在更小的尺度上，虚无的空间可能是一团翻腾纠缠着的弦，并且拥有更多维度的结构。从现代的角度来看，令人感到困扰的问题是：为什么λ这么小？为什么所有正在进行的复杂过程，即使在虚无的空间中，也不会产生更大的净效应呢？为什么空间的密度不像原子核或中子星的密度那样大(19)？甚至，为什么空间的密度不像宇宙诞生10-35秒时的密度一样大？事实上，空间的密度是极早期宇宙的密度的1/10120，这也许是整个科学界在量级估算中最糟糕的一次失败。λ的值可能不正好为零，但它肯定非常小，以至于只能与星际空间中极其微弱的引力相抗衡。
一些理论物理学家认为，宇宙空间中具有微型黑洞这类复杂的微观结构，它们可以自我调节以补偿真空中的任何其他能量，并促使λ恰好为零。如果宇宙膨胀的速度确实在加快，λ也不等于零，那么这种论点将被推翻，同时也警告我们防止这样的想法：“因为某个事物非常小，所以必定存在某种深层次的原因能够表明，它恰好为零。”
λ非零的证据
在撰写本书时（1999年春季），λ非零的证据虽然很充分，但还不是决定性的。超新星的观测中可能存在一些未被正当认可的倾向或误差。不过，还存在其他的证据能够证明λ非零，它们虽然都属于技术性和间接的证据，但证实了宇宙正在加速膨胀的观点。宇宙微波背景辐射在太空中并不是完全均匀分布的，而是存在温度上的轻微起伏，这是由演化成星系和星系团的不均匀性造成的。最显著的不均匀区域的可能大小是可以计算出来的，它们在太空中的大小（例如，它们是一度见方还是二度见方）取决于视线范围内所有物质的引力聚焦的大小。这种测量直到20世纪90年代末才得以实现（测量地点在干燥的高山之巅、南极或者长时间飞行的飞艇之上），最终得出的结果否定了宇宙是一个低密度的简单宇宙。如果Ω真的为0.3，而且λ正好为零，那么星系团的种子就应该看起来比实际的要小。然而，真空中任何潜在的能量都会增强聚焦效果。如果λ为0.7左右，那就与这些测量结果一致，也与支持宇宙正在加速膨胀的超新星证据相符。
虽然引力是行星、恒星和星系中的主导力量，但在更大的宇宙尺度上，平均密度非常低，引力可能会被另一种力取代。宇宙常数λ描述了自然界中最微弱也最神秘的力，这种力似乎控制着宇宙的膨胀及其最终命运。爱因斯坦的“失误”可能最终被证明是一种成功的洞察力。如果真是这样，他的工作就会产生连他自己都始料未及的影响，而这样的例子并非个例。广义相对论最突出的一个预言是，预示了黑洞的存在。弗里曼·戴森（Freeman Dyson）这样总结了爱因斯坦自己对这个问题的看法：
爱因斯坦不仅对黑洞的概念持怀疑态度，而且还积极地反对它。他认为，黑洞的解是一个污点，需要用更好的数学公式从理论中剔除，而不是一个需要通过观测进行验证的结论。他从未表示过对黑洞的认同，无论是作为一个概念，还是作为一种物理实在。
如果λ不为零，我们就会面临这样一个问题：为什么它具有我们所观测到的值，而且这个值比它应该有的“自然”值小非常多。如果宇宙再小一些，就会大有不同（尽管下面将要讨论的长期预测会有所不同）。实际上，数值较大的λ值将会带来灾难性的后果：λ将不会在星系形成之后才开始与引力竞争，而是在密度更大的早期阶段就会超过引力。如果λ在星系从膨胀的宇宙中聚集成形之前就开始占据主导地位，或者它提供了足够强大的斥力来扰乱星系，那么就不会有星系存在。不过，我们的存在说明，λ值不应该太大。
长远的未来
地质学家根据岩石的地层推断出地球的历史，气候学家通过钻穿南极冰层推断出地球在过去100万年来的温度变化。同样，天文学家可以通过拍摄不同距离上星系的“快照”来研究宇宙的历史：那些离我们越远的星系（具有较大的红移）所代表的演化阶段越早。理论物理学家面临的挑战是了解星系及其演化过程，以便用计算机做出与现实相符的模拟（参见第8章）。
宇宙中的大多数星系已经进入了一个稳定的成熟期，一个新陈代谢减慢的平衡状态。星系中形成的新恒星越来越少，蓝色的恒星也越来越少。那么，遥远的未来将会变成什么样子呢？当宇宙增长至10倍大时，也就是宇宙的年龄是1 000亿年而不是100亿年，会发生什么呢？我以前喜欢的猜测（在很多相关证据出现之前）是：到那时，膨胀将停止，大坍缩接踵而至，宇宙重新陷入一场大危机，一切都将面临与落入黑洞的宇航员一样的命运。那时，宇宙存在的时间所剩无几，并坍缩成一团。不过，这种情况要求Ω的取值大于均衡值1，这与近年来获得的证据刚好相反。暗物质虽然确实存在，但似乎不足以使宇宙完全达到“临界密度”，因为Ω看来小于均衡值1。此外，宇宙常数λ描述的额外的宇宙斥力实际上使膨胀加速了。
宇宙似乎会无限期地膨胀下去。我们无法预测生命在100亿年或更长一段时间后将会怎样：一方面，它可能会灭绝，另一方面，它也可能会进化到可以影响整个宇宙的状态。不过，我们可以计算出无生命宇宙的最终命运：即使燃烧最慢的恒星最终也会死亡，我们所在星系群中的所有星系（银河系、仙女星系和几十个更小的星系）会合并成一个单一的系统。到那时，部分原始气体会在死亡恒星的遗骸中集结起来，其中有些可能是黑洞，有些可能是非常冷的中子星或白矮星。
从更长远的角度来看，一些现在难以觉察的极其缓慢的过程将会逐渐显现出来。在一个典型的星系中，恒星之间的碰撞是非常罕见的（这对太阳系来说是幸运的），但碰撞的次数会逐渐增加。银河系漫长的最终阶段偶尔会被强烈的耀斑照亮，每一次耀斑都表明有两颗已死亡的恒星发生碰撞。在相当长的一段时间里，由引力辐射造成的能量损失将会使所有恒星和行星的轨道开始压缩，这种作用在今天慢得几乎察觉不到。即使原子也不会永远存在。最终的结果便是，白矮星和中子星会因为其组成粒子的衰变而受到侵蚀。黑洞也会衰变，其表面会因量子效应变得模糊，并释放出辐射。在当前的宇宙中，除非存在原子大小的微型黑洞，否则这种效应太慢了，不会引起人们的兴趣。一颗恒星质量的黑洞的总衰变时间为1066年，而一个重达10亿个太阳质量的黑洞则需要1093年才会被侵蚀殆尽。
10100年之后，银河系所在的星系群中唯一幸存下来的遗迹将是一大团暗物质和一些电子与正电子。我们本星系群之外的所有星系都会经历同样的内部衰变，而且会一步步离我们远去。不过，它们远离的速度主要取决于λ的值。如果λ为零，原有的引力会使远离速度减慢。实际上，尽管星系会不可避免地远离，并且远离速度（和红移）会逐渐减小，但绝不会完全降低至零。如果我们遥远的后代有足够强大的望远镜来探测高红移的星系，即使这些星系距离他们越来越远，并且自身正在不断地衰变，但相比于今天的我们，他们实际上能够探测到的东西将会更多。1 000亿年之后，我们可以看到1 000亿光年以外的物体，因为现在远在我们视界之外的物体（因为它们的光还没有到达我们）到那时都会进入我们的视野。
然而，如果λ不为零，宇宙斥力将会推动星系以不断加快的速度彼此远离。这样，它们将会更快地从我们的视野里退出，因为它们的红移在增大而非减少。我们的视野范围将会受到一个视界的限定，这个视界很像黑洞里由内而外的视界。当物体落入黑洞时，它们会加速下落，并在接近黑洞“表面”时，红移越来越大，最后逐渐从视野中消失。在一个由λ控制的宇宙中，星系会加速远离我们，当它们接近视界时，会越来越接近光速。在以后的时间里，我们不会再比现在看得更远了。除了仙女星系和由引力卷入我们这个星系群的小星系之外，所有星系都注定会从我们的视野中消失，它们遥远的未来将会超出我们的视野，就像黑洞里发生的事件一样令我们不可企及。随着时间的推移，银河系之外的空间将以指数级的速度变得越来越空旷。
08 宇宙原始时代的“涟漪”：数字Q
宇宙刚被创造出来时虽然处于一种不太成形的状态，但被赋予了一种能力，能够将自己从未成形的物质转变成一种真正奇妙的结构和生命形式。
——圣奥古斯丁（St Augustine）
引力与熵
就像音乐和绘画中表现的那样，自然界中最吸引人的图案既不是完全规则和重复性的，也不是完全随机和不可预测的；相反，它们结合了这两方面的特点。当前可见宇宙的精细构造并不是完全有序的，也不会变成完全随机的状态。自然界中有92种不同类型的原子，不仅有在“大爆炸”中形成的简单的氢原子、氘原子和氦原子。其中一些原子存在于地球生物圈的复杂有机体中，一些存在于恒星中，另一些则分散在星际空间。宇宙各处的温度的反差也非常大，比如，恒星表面炽热（中心温度更高），但黑暗的太空则接近“绝对零度”，借助从“大爆炸”中遗留下来的微波余晖，其温度达到2.7开尔文。
这种错综复杂的结构都来自一个单调、无定形的火球，这似乎违反了一个神圣的物理学原理：热力学第二定律。这个定律描述了一种不可避免地趋向于均衡、远离模式和结构的趋势：热的物体趋向于变冷，冷的物体趋向于变热。墨水和水很容易混合，而相反的过程，即搅拌一种浑黑的液体直到浓缩成一颗黑色的液滴，则会让我们大吃一惊。有序的状态最终会变乱，但反之则不然，用专业术语来说，“熵”永远不会减少。局部熵的明显减少总是被其他地方熵的增加抵消。这条定律的典型例子就是蒸汽机，其中活塞的有序运动总是伴随着热量的损耗。
然而，当引力开始起作用时，我们需要重新思考自己的直觉。举例来说，恒星是由于其内部引力向内拉合而聚集在一起的，这种内拉的引力与其内部外推的热压力相平衡。恒星在失去能量时会变热，尽管这看起来有点奇怪。假设太阳内核的燃料供应被切断，其表面依然会保持明亮，因为有热量从它更热的内核中散发出来。如果核聚变不再提供热量，太阳就会随着能量的流失而逐渐缩小，就像威廉·汤姆逊在19世纪就已经意识到的那样，太阳将会持续1 000万年的时间。然而，这种收缩实际上会使内核变得比以前更热，因为引力在更短的距离上会产生更强大的内拉力，而为了抵消这种来自外部的巨大压力，内核的温度必须变得更高。当一颗人造卫星由于大气阻力逐渐盘旋进入较低轨道时，也会发生类似的情况：它的温度会升高，但引力释放的能量只有一半转化为热能，另一半用于加快卫星的速度，因为轨道越小，所需的速度越快。
因此，对于新恒星会在由冷尘埃气体组成的不规则云团中凝结而出这一现象，我们不应感到惊讶。密度最大的区域由于自身引力而收缩，进而像恒星一样发光。这种变化究竟是如何发生在猎户座或天鹰座星云这类环境中的，以及这一过程产生的大小恒星之间的比例是多少？即使运用最大的计算机也很难计算出结果，这也就是为什么我们不确定宇宙中有多少褐矮星构成了暗物质的原因。不过，从原理上来说，恒星的形成并不神秘：一旦引力控制了一个系统，它就会不可避免地收缩。
从“大爆炸”到星系
银河系和其他星系中的气体云已经被搅拌和循环利用过太多次了，以至于它们无法保留住关于自己起源的“记忆”。因此，宇宙变得越大，恒星的形成过程就越难以了解。星系的形成过程比恒星更复杂，它们起源于早期的宇宙，其形状是由它们的“遗传特点”和所处的环境塑造的。
如果宇宙一开始是完全平滑和均匀的，那么它会在整个膨胀过程中一直保持这种状态。在100亿年之后，暗物质的分布变得稀薄，氢和氦等元素也会变得非常稀少，每立方米只有不到一个原子。这样的宇宙将是寒冷而沉闷的：没有星系，因此也没有恒星，没有元素周期表，没有复杂性，当然也没有人类。不过，早期宇宙中哪怕只出现非常轻微的不规则性，最终也会产生极其重要的影响，因为在膨胀的过程中，密度的不均匀性会增大。比平均密度稍高一点儿的任何区域，其膨胀速度都会减小很多，因为它受到了额外引力的束缚，膨胀越来越落后于一般区域。比如，如果我们以稍微不同的速度向上抛出两个球，一开始，它们的运动轨迹可能只有细微的差别。接下来，速度较慢的球将完全停止，并开始下落，而速度较快的球仍在向上运动。在一个几乎没有任何特征的火球中，引力会放大这种微小的“涟漪”，增大了密度差别，直到密度过高的区域停止膨胀，并收缩成由引力结合在一起的各种结构。
宇宙中最显著的结构——恒星、星系和星系团，都是由引力维系在一起的。我们可以用它们全部“静止质能”（mc2）的比例来表示其结合的紧密程度，也可以表示需要多少能量才能打破这种约束，使它们分解。对于宇宙中最大的结构星系团和超星系团来说，答案是1/100 000。这是一个纯粹的数字——表示两个能量之间的比例，我们称之为Q。
Q非常小，量级为10-5，这意味着星系和星系团中的引力实际上非常微弱。因此，用牛顿定律足以精确地描述恒星如何在星系内运动，以及每个星系如何在所有其他星系和星系团内暗物质的引力影响下沿轨道运动。Q的值如此之小也意味着：我们可以将宇宙看作是各向同性的，就像我们看待星球一样；如果一颗星球表面上的起伏只有它半径的1/100 000，(20)我们就可以认为它是光滑和浑圆的。
这种微小的涟漪应该很早之前就出现了，其出现的时间早于宇宙能够“区分”星系和星系团之前。当时，这些不同系统的尺度或者当前宇宙中显得重要的任何尺度，都没有什么特别之处。最简单的猜测是，在早期的宇宙中，没有哪个尺度更受偏爱，因此每个尺度上的涟漪都是一样的。当宇宙还处于微观尺度时，这种初始的“粗糙”程度就已经通过某种方式建立起来了，至于这究竟是如何发生的，我们将在下一章进行推测。对于宇宙结构的“特征”来说，数字Q起着决定性的作用，如果Q的值太大或太小，结果将非常不同。
微波余晖中的涟漪
宇宙一开始稠密而不透明，就像恒星内部的发光气体。然而，经过50万年的膨胀，温度下降到3 000摄氏度左右，比太阳表面的温度略低。随着进一步冷却，宇宙实际上进入了黑暗时期，该时期一直持续到第一批原初星系形成并点燃自己为止。
那么，宇宙的黑暗时期究竟是如何结束的？这将是未来10年里天文学家面临的一大挑战。人们寄予了下一代太空望远镜很大的期望。按照计划，这些望远镜将会安装针对红光和红外线的灵敏探测器，以及一个口径为8米的反光镜（相比之下，哈勃太空望远镜的口径只有2.4米）。
作为来自“大爆炸”本身的余晖，宇宙微波背景辐射传递了宇宙早期的直接信息，此时星系还处于“胚胎”阶段。密度稍高的区域的膨胀速度慢于一般区域，注定会演变成星系或星系团；密度稍低的区域则注定被分解成空洞的空间。宇宙微波背景辐射的温度应该带有这些波动的印记，预期的大小约为1/100 000，这基本上与表征涟漪幅度的数字Q的数值相同。
20世纪90年代，人们对宇宙结构进行了绘制，这无疑是宇宙学的巨大胜利。宇宙微波背景辐射大约只有地球辐射的百分之一（地球表面温度约为绝对零度以上300开尔文）。科学家现在要测量的是比这还要小得多的温差，这确实是一项令人生畏的技术挑战。在确认宇宙微波背景辐射具有“黑体”光谱方面，美国国家航空航天局于1990年发射的宇宙背景探索者卫星达到了显著的精度；同时，这颗卫星还携带了第一台足够灵敏的仪器，能够辨别来自某些方向的辐射比来自其他方向的辐射略热。它扫描了整个天空，以足够高的精度测量温度，绘制了这种不均匀性。
这类测量最好在太空中进行，因为大气中的水蒸气会吸收部分宇宙微波背景辐射。在宇宙背景探索者卫星之后，人们还进行了同样的测量，测量地点或在山顶，或在南极（那里的水蒸气较少），或在带有设备的飞艇上。虽然这些新的实验只能描述小区域的情况，不像卫星那样可以描述整片天空的情况，但它们能够灵敏地以极低的成本获得同样的观测结果。
之后的重大进展来自两架比宇宙背景探索者卫星更先进、更灵敏的太空探测器：一个是美国国家航空航天局的微波各向异性探测器（Microwave Anisotropy Probe，简称MAP），另一个是欧洲航天局的普朗克探测器（Planck/Surveyor）。在几年内，这些探测器将会收集足够多的数据，揭示早期宇宙在许多不同尺度上的“粗糙度”，从而解决星系是如何形成的这一关键问题。宇宙微波背景辐射携带了很多关于极早期宇宙的信息，例如，它将有助于明确说明数字Ω、λ以及Q。
“大爆炸”余晖温度的不均匀性达到1/100 000的程度，这实际上令人宽慰，而不是令人惊讶。如果宇宙微波背景辐射暗示的是一个更加平滑的早期宇宙，那么当前宇宙中的星系团和超星系团将会成为一个谜。如果情况真是如此，除了引力，还需要另外某种力的作用，以更快地加大密度反差。
不过，Q只有1/100 000的事实确实是宇宙最显著的特征。如果你捡到一块石头，它在1/100 000的精度上是球形的，你可能想知道是什么造成了这些小的不规则性，也可能对整体的光滑性感到更加困惑。第9章将要介绍的“暴胀”是关于这个问题的最好理论，而温度的起伏则为这些想法提供了重要的检验。
“虚拟”宇宙的演化
当宇宙的年龄达到100万年时，一切仍在均匀地膨胀。这些结构是如何收缩并发展成我们现在所观察到的宇宙景象的呢？现在，我们可以利用计算机来研究一些“虚拟”的宇宙。在模拟开始时，物质处于膨胀之中，但不是很均匀。原因在于，作为初始条件的一部分，Q的特定值相对应的不规则性已经被考虑在内。
占主导地位的引力源是“暗物质”，即从早期宇宙中留存下来的粒子，它们几乎不会相互碰撞，但都受到了引力的影响。如果你在越来越大的体积上求取平均值，那么就会发现早期宇宙变得越来越平滑。这意味着，如果引力是唯一相关的力，较小的尺度将首先开始收缩。宇宙的结构是由下而上按等级形成的。亚星系尺度下的暗物质首先凝聚，合并成具有星系质量的物体，这些物体再形成星系团。在更大的尺度上，引力需要更长的时间才能逆转膨胀。
然而，这种阶梯式的聚集本身导致了一个黑暗而贫瘠的宇宙。宇宙的“发酵剂”是原子，它们的总质量比暗物质的总质量小得多：原子被动地前进，形成一种能“感受”到暗物质的引力的稀薄气体。实际上，我们所看到的一切都取决于这种气体。
这种气体的运动方式比暗物质更复杂，因为引力并不是唯一作用于它们的力。气体能“感受”到引力，但也会施加压力。这种压力阻止了气体被引力内拉成非常小的暗物质“团块”。不过，在100万倍于太阳质量的量级上，引力将会压倒一切。因此，最初形成的气体浓缩体比恒星重100万倍，这些浓缩体最终形成“第一束光”，结束了宇宙的黑暗时期。计算机程序通常采用的气体运动模型与航空工程师用来研究机翼周围和涡轮内部气流的程序类似。这样的计算被认为足够可靠，可以替代风洞试验。不过，即使如此，若想计算出这些坍缩的云团内部发生了什么，难度仍然很大。迄今为止，还没有人对开始于单个云团，最终形成一个恒星群的过程进行过模拟。一个100万倍于太阳质量的气体云既可以分裂成100万颗像太阳一样的独立恒星，也可以分裂成数目较少但质量更大的天体，甚至还可以保持为一个整体，收缩成一颗超新星或类星体。
最早的这些天体应该是在宇宙只有几亿岁时，也就是在现在年龄的百分之几时形成的。当宇宙到了10亿岁时，星系尺度的结构应该已经形成，其中每个星系都是恒星的集合，它们不仅依靠自身的引力，而且还依靠暗物质的引力维系在一起，这些暗物质形成了一个比宇宙大10倍、重10倍的“团体”。气体不断落向这些物体并冷却下来，如果这些物体正在旋转，气体就会形成圆盘，进而凝结成恒星，由此开始循环过程，合成并散播元素周期表中的所有元素。
计算机模拟至少展示了这些过程的大致轮廓，这种模拟可以像电影一样放映，用以描述宇宙的膨胀和星系的形成过程，只是其速度比实际过程的速度大约快1016倍。图8-1展示了这种模拟中的6个画面。
图8-1 计算机模拟的6个画面
这6个画面显示了膨胀的宇宙中是如何出现结构的。这些图片中略去了整体的膨胀过程，所以所有立方体的大小保持不变。最初，初始结构就存在不易察觉的不规则性。在膨胀过程中，密度较高的区域的膨胀速度越来越慢，密度反差不断增大，最终收缩成由引力约束的结构。这些结构结合在一起，产生了星系——这是人类出现的一个先决条件
与单个星系一样，星系团和超星系团也是引力聚集的产物。新形成的星系不会完全均匀地分布，有些地方的密度会比其他地方的高一点儿。随着膨胀的继续，质量较大的区域的膨胀速度将会减慢，因此这些区域的星系最终明显地比平均密度更密集，比一般星系结合得更加紧密。
我们如何才能检验一个虚拟的宇宙是否与真实的宇宙完全相似呢？这些模拟必须再现我们所观察到的星系的特性，包括体现星系特征的大小和形状，圆盘星系和椭圆星系的比例，以及它们的聚集方式。不过，模拟还必须做更多工作：它必须与宇宙“快照”相匹配，这些“快照”告诉了我们宇宙更早期时星系的外观，以及它们形成星系团的方式。
如前所述，我们当前看到的来自最遥远的星系的光线（新一代的望远镜可以对这些星系进行探测和分析）是它们刚形成时发出的。它们看起来和现在的星系不同，而且没有一个已经成形且稳定旋转的盘状结构，构成它们的气体中也只有一小部分变成了恒星。大多数星系都很小，它们不断合并，我们今天所看到的大星系是由主星系吞噬较小的邻居形成的。
作为早期恒星形成的副产品，宇宙中还会发生一些更有趣的事情。一些气体会沉降到一群暗物质粒子群的中心，并在自身的引力作用下收缩，形成一个比普通恒星重100多万倍的“超级恒星”。如此巨大的天体非常明亮，以至于其核燃料不能持续很长时间，它结束生命的方式不是爆炸，而是坍缩成黑洞。因此，一旦星系开始形成，空间就会被这些黑洞“刺穿”。气体不断落入其中，释放出的能量照亮了星系的其他部分。
这些天体被称为“类星体”或“活动星系核”，它们之所以有趣有两个原因。首先，它们比星系本身更明亮，因此可以作为探测灯照亮遥远的宇宙。类星体的光谱能够揭示视线范围内的气体云，并为宇宙中氘的含量提供最好的证据，正如我们所见，这是对“大爆炸”理论的最好检验。其次，这类天体能使我们对爱因斯坦的广义相对论进行重要检验。它们释放的能量来自非常接近黑洞的旋转的物质，甚至可能来自自转的黑洞本身。我们根本就没有机会捕获这种物质流的实际图像，这比捕获一颗围绕另一颗恒星旋转的类地行星的图像更具挑战性。不过，类星体发出的辐射因强大的引力而发生红移（这是除普通宇宙红移以外的红移）。由于这些气体在黑洞附近高速旋转，所以也会产生很大的多普勒频移，即离我们远去的一侧发出的光变红，而不断接近我们的另一侧发出的光则变蓝。根据推断出的运动和引力场，我们可以检验黑洞是否具有爱因斯坦理论所预测的那些精确属性。
有多少是我们可以预测的
如果用一句话来总结“‘大爆炸’以来发生了什么”，那么最好的回答可能是深吸一口气，然后说：“从一开始，引力就塑造了宇宙结构，增强了温度反差，这是100亿年后出现人类以及周围这些复杂结构的先决条件。”
一旦重到足以自我吸引的系统形成，对平衡的偏离就会增大。这样，宇宙就可以从一个温度均匀的原始火球演化为包含非常炽热的恒星结构的状态，它们向非常寒冷的空旷空间释放出辐射。这个过程为更加复杂的宇宙演化和生命的出现奠定了基础。虽然单个恒星因演化而密度变得更高了（有些以中子星或黑洞而终结），但整体而言，物质的分布会变得越来越稀疏。这些复杂结构是一系列事件的结果，宇宙学家可以将这些事件追溯到致密的原始介质，它们几乎没有结构。
就像达尔文的生物进化论一样，我们关于宇宙结构是如何形成的观点是一个极具说服力的宏伟蓝图。与达尔文主义一样，这整个过程是如何开始的仍然是一个谜：数字Q到底是如何被确定的（也许源自极早期宇宙的微观振动），这个问题至今仍然令人困惑，就像地球上第一个生命是如何起源的问题一样。不过，宇宙学在一个方面是比较简单的，那就是一旦确定了起点，其结果在很大程度上是可以预测的。宇宙中所有以同样方式开始的大区域的最终结果在统计上都是相似的。相比之下，生物进化的总体过程却很容易受到“意外事件”的影响，比如气候变化、小行星撞击、流行病等。因此，如果让地球的历史重演，最终可能会形成一个完全不同的生物圈。
这就是用计算机来模拟宇宙中结构形成过程的重要性所在。星系和星系团是引力作用于初始不规则性的结果。我们并不尝试解释细节上的特点，只注重最后的统计结果，就像海洋学家想要了解的是波浪的统计结果，而不是在特定地点和时间下的一个特定波浪的细节。
起始点是一个膨胀的宇宙，可以用Ω、λ和Q来描述。宇宙的演变结果敏感地取决于这三个关键数字，它们被铭刻在极早期宇宙中，只是我们不能确定这个过程是怎样的。
Q的调谐
星系、星系团和超星系团的形成显然要求宇宙中含有足够多的暗物质和原子。Q的值不能太低，因为在一个只有辐射而其他物质极少的宇宙中，引力永远无法战胜压力。λ也不能太高，否则在星系形成之前，宇宙斥力就会超过引力。此外，最初在扩散气体中还必须有足够多的普通原子(21)，以便形成所有星系中的所有恒星。然而，我们已经看到，还需要其他一些东西，即最初的不规则性，这是结构得以发展起来的“种子”。数字Q描述了这种不规则性或“涟漪”的幅度。Q为什么约为10-5仍然是一个谜。但这个数值的大小至关重要：如果它太小，或太大，宇宙的“结构”就会大不相同，并且不利于生命的出现。
如果Q的值小于10-5，但其他宇宙常数保持不变，那么暗物质聚集的过程就需要花更长的时间，而且它们会更小、更松散。由此产生的星系将是缺乏活力的结构，其中恒星的形成也会变得缓慢、效率低下，“加工”出的物质会被吹出星系之外，而不是被循环利用形成新的恒星和行星系统。如果Q的值小于10-6，气体就永远不会收缩成由引力束缚在一起的结构，这样的宇宙将永远是黑暗的，没有任何特征，即使它最初的原子、暗物质和辐射的“混合”与当前的宇宙是一样的。
如果Q的值比10-5大太多，即最初的“涟漪”被大幅度的波动代替，那么宇宙中将充满动荡和暴力。比星系大得多的区域在宇宙早期就会收缩，但它们不会形成恒星，而是会坍缩成巨大的黑洞，每个黑洞的质量都比当前宇宙中的整个星系团大得多。任何残存的气体都会变得非常炽热，以至于发射出强烈的X射线和伽马射线。星系，即使它们设法形成了，也会比当前宇宙中的星系更加紧密地结合在一起。恒星将会被捆绑在离彼此很近的地方，频繁地发生碰撞，从而无法形成稳定的行星系统。出于相同的原因，太阳系不可能在离银河系中心很近的地方存在，因为与现在所处的非中心地带相比，那里的恒星群更加拥挤。
如果Q的值碰巧为10-5，而不是更大，这一事实也让宇宙学家更容易理解当前的宇宙。一个小的Q值保证了宇宙中出现的结构与视界相比都是小系统，这样，我们的视野就大到足以涵盖许多独立的区域，其中每个区域都大到足以成为一个合适的样本。如果Q的值大得太多，超星系团就会聚集成更大的结构，延伸到我们的视界范围，而不是像当前的宇宙那样，被限制在这个尺度的1%左右。因此，谈论可见宇宙的“平滑”特性就变得毫无意义，而且，我们甚至都无法定义Ω这样的数字。
如果没有Q的小取值，宇宙学家就寸步难行，直到最近，这一点还被认为是一种令人满意的巧合。现在，我们已经意识到，这不仅仅为宇宙学家提供了方便，事实上，如果宇宙没有这种简单的特性，就不可能进化出生命。
09 宇宙栖息地（三）：我们的视野之外有什么
那时，世界确实是被创造出来的，不过，不是在时间里，而是与时间同时出现。因为时间里所创造的一切是在一段时间之后和之前创造的，也就是在过去之后、未来之前。但那时还没有什么过去，因为不存在什么创造物，其运动可以用来计算持续的时间。所以，世界只能是与时间同时被创造出来的。
——圣奥古斯丁
“大爆炸”的故事有多可信
“大爆炸”理论已经岌岌可危地存在了30多年，许多测量都有可能驳倒它，只要得到的结果不同。以下是其中5种可能的测量结果：
● 天文学家可能已经发现了一个天体，其氦丰度为零，或者远低于氢丰度的23%。这将是一个致命的事实，因为恒星内部的氢聚变可以轻易地使氦丰度升至银河系形成之前的水平，但无法将所有的氦重新还原为氢。
● 由宇宙背景探索者卫星精确地测量出的宇宙微波背景辐射的能谱可能与预期中的“黑体”辐射能谱或热辐射能谱不同。
● 物理学家可能已经发现了中微子与“大爆炸”理论不相符的一些现象。在“火球”中，中微子比原子多得多（大约多10亿倍），这与光子的情况一样。所以，一个中微子的质量即使仅为原子的百万分之一，它们总体上也会为目前的宇宙贡献超多的质量，甚至比隐藏在暗物质中的质量还要多。正如第6章所讨论的，中微子的实际质量（如果不是零）似乎太低了，不足以对“大爆炸”理论造成威胁。不过，将来的研究结果可能会证明它们具有更大的质量。
● 氘丰度可能与从“大爆炸”中留存下来的预期数量不符。
● 天空中宇宙微波背景辐射的温度的波动可能意味着，Q的值与从当前宇宙结构中推断出的值不相符，而不是如第8章所讨论的那样，等于10-5。
然而，“大爆炸”理论已经通过了这些检验。这表明，我们得认真对待那个将宇宙反推到开始膨胀后一秒钟时（也就是氦开始形成时）的推理基础。不过，就像根据岩石和化石可以推断出地球的早期历史一样，这些推论同样是间接性的，并且没那么定量化。
也许，我们还可以向更早的时期追溯，不仅是追溯到一秒钟的时候，而是不到一秒钟的时候，以更深入地探测宇宙，甚至解释关键的宇宙数字。
我们可以很自信地退回离“大爆炸”更近一些的时段，但不能太近。我们不太了解宇宙在最初1/1 000秒时的物理过程，因为此时所有物体的密度都比中子星的高。在微观尺度上，科学家可以通过高能粒子的碰撞实验来模拟高温和高密度下的情况。不过，这项技术究竟能让我们回推多远，是有限度的。即使正在日内瓦欧洲核子研究中心建造的巨型高能粒子对撞机（Large Hadron Collider）也无法获得“大爆炸”后10-14秒时所有粒子具有的能量。
在宇宙诞生10-35秒时，甚至在更短的时间内，宇宙的许多重要特征可能已经定型了。在这种情况下，宇宙年龄时钟上的每10-1秒（小数点后每增加一个零）都同样充满变化，也都同样重要。相比于从氦开始形成的第三分钟（大约相当于“大爆炸”后的200秒）到当前时刻（3x1017秒，即100亿年）的变化，从10-14秒回推到10-36秒所经历的变化更大，因为它跨越了更多个10的指数级。由此看来，宇宙在极早期阶段很活跃，处于不断的变化之中（图9-1）。
图9-1 宇宙膨胀过程中的一些关键阶段的时间图表
一开始，宇宙的奥秘和微观世界的奥秘是相互重叠的。为了探索这些奥秘，我们需要将引力（在大尺度上起主导作用的力）与控制单个粒子的其他力联系起来。然而，这项工作仍未完成。当前，亚原子世界中的各种力和粒子已被归为同一类型。
微观世界里的统一
早在19世纪，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）就认识到了电和磁之间存在的紧密关系：运动的磁铁可以产生电，而运动的电荷会产生磁场。该原理是电动机和发电机出现的基础。1864年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clark Maxwell）将法拉第的发现编成一组著名的方程式，用以表示变化的电场是如何产生磁场及其相反的过程的。在真空中，这些方程式在存在电磁振荡的地方有解。这就是光的本质：它是一种电磁能的波，就像无线电波、X射线和其他被称为电磁波的东西一样。
这样就只剩下两种不同的力：电磁力（电力和磁力被视为一种力）和引力。法拉第自己也渴望将这两种力统一起来，尽管他意识到还为时过早。100年之后，爱因斯坦晚年一直在寻找这两种力之间的深层联系，但仍然毫无结果。我们现在知道，这种研究注定会失败，因为他当时还不知道那些控制原子核的短程力，即将质子和中子束缚在原子核内的强相互作用力或核力（它决定了ε的大小），以及对放射性衰变和中微子至关重要的弱相互作用力。在最杰出的传记作者兼物理学家亚伯拉罕·派斯（Abraham Pais）看来，爱因斯坦生前最后30年“还不如去钓鱼”。这种观点多少有些苛刻。
宇宙学界现在面临的挑战是统一这4种力：控制微观世界的3种力——电磁力、强相互作用力、弱相互作用力，以及在大尺度上占支配地位的引力。在当代，迈向这种统一的第一步与下面这些人物有关联：美国物理学家谢尔顿·格拉肖（Sheldon Glashow）和史蒂文·温伯格（Steven Weinberg），荷兰物理学家杰拉德·特霍夫特（Gerard t'Hooft）和巴基斯坦物理学家阿卜杜斯·萨拉姆（Abdus Salam）。他们的研究结果表明，由麦克斯韦统一的电磁力与一种非常不同的力存在联系，那就是对中微子和放射性衰变很重要的弱相互作用力。这些力在宇宙早期是相同的，只有当宇宙冷却到约1015摄氏度的临界温度以下时（在宇宙诞生10-12秒的时候），它们才彼此独立，并区别开来。最大的加速器可以模拟这样的温度，当欧洲核子研究中心在实验中发现了萨拉姆和温伯格预测的新粒子时，二人的理论得到了支持。
20世纪50年代和60年代，人们发现了许多新粒子（作为我们所熟悉的电子、中子和质子的补充），以至于陷入了这样一种危险境地：粒子物理学变得像集邮一样。不过，不同类型的粒子被区分开了；亚原子粒子可以被归类为不同的“族”，就像元素周期表上的原子可以被归类为“周期”和“族”一样。1964年，两位美国理论物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）和乔治·茨威格（George Zweig）提出了“夸克模型”（quark model）。夸克的电荷是电子电荷的1/3或2/3。杰罗姆·弗里德曼（Jerome Friedman）、亨利·肯德尔（Henry Kendall）和理查德·泰勒（Richard Taylor）等人的实验支持了这一模型，他们使用新型的斯坦福直线加速器（Stanford Linear Accelerator）将电子撞向质子。结果发现，在撞击后，电子按照一定的方式破裂了，似乎每个质子由三个“点电荷”组成，其带电量分别为电子总电荷的2/3、2/3和1/3。然而，“夸克模型”有一个违反直觉的方面，即一个孤立的夸克永远不能被移动，尽管在质子内部，夸克表现得像是自由的（所有探测微小带电粒子的尝试都失败了）。到了20世纪70年代后期，“粒子大观园”中的大多数成员已经用9种类型的夸克得到了解释。
20世纪70年代出现的所谓“标准模型”（standard model）给微观世界带来了明显的秩序。电磁力与弱相互作用力已经被统一，而强相互作用力或核力可以用夸克来解释，而夸克是由另一种叫作“胶子”的粒子结合在一起的。不过，没有人认为这就是最终的结论，因为基本粒子的数量仍然多到令人困惑，方程式中涉及的数字必须由实验来确定，不能仅通过理论来推导，尤其重要的一点是，“胶子”的解释并没有确定强相互作用力的强度，这一点对数字ε=0.007至关重要。
在统一电磁力和弱相互作用力之后，下一个目标是引入强相互作用力，形成所谓的“大统一理论”，从而将支配微观物理世界的所有力包括在内。不过，这种理论还没有大到足以包括引力，因为这意味着更大的挑战。这里存在一个障碍：力的统一被认为只有在1028摄氏度的温度下才会发生，这比目前的实验所能达到的最高温度还要高出上万亿倍，而若想获得所需的能量，就需要一个比太阳系大得多的加速器。因此，我们很难在地球上验证这些理论。
与此同时，这些理论在我们这个低能量的世界里造成的影响微乎其微。例如，作为所有恒星和行星主要成分的质子会非常缓慢地衰变，这种影响在遥远的未来可能很重要，但当前无足轻重。然而，在最初的10-35秒里，所有物质的温度都高于1028摄氏度。也许对于力的统一来说，极早期宇宙是唯一能达到所需温度的地方。然而，这个“实验”早在100多亿年前就停止了。那么，它是否留下了化石，就如同宇宙中的大多数氦都是从最初的几分钟遗留下来的呢？答案似乎确实如此。事实上，宇宙对物质而非反物质的偏爱（在第6章中讨论过）可能就是在这个极早期阶段出现的。更为重要的是，宇宙的巨大规模及其正在膨胀的事实，可能是由在那些短暂的初始时刻里所发生的事情决定的。
