“暴胀”的概念
关于宇宙的两个基本问题是：为什么它在膨胀？为什么它这么大？通过探测出宇宙在膨胀过程中发生了的事情，我们可以回推到宇宙最初的几秒钟，并用氦元素和氘元素的丰度来证实这一点。实际上，“大爆炸”理论是对“大爆炸”之后发生的事情的描述；而且是相当成功的描述，但它并未说明最初是什么导致了膨胀。另外一个谜题是：为什么宇宙既具有整体的一致性，使宇宙学研究容易进行，同时又允许星系、星系团和超星系团形成？或者，我们还可以更进一步提出：是什么决定了物理定律本身？
一个基本的谜团是，为什么在100亿年后，宇宙还在膨胀，而其Ω的值与均衡值1仍然相差不大（我们在第6章中进行了讨论）。宇宙既没有在很久以前坍缩，也没有膨胀得过快，使它的动能以10的许多次方倍的力量压倒引力的作用。这要求在早期宇宙中，Ω的值被调制得惊人地接近均衡值1。是什么让万物开始以这种特殊的方式膨胀呢？为什么当我们从相反的方向观察偏远地区时，它们看起来如此相似呢？或者，为什么宇宙微波背景辐射的温度在太空各处几乎是一样的呢？
如果当前宇宙中的所有部分在极早期就是同步和协调的，然后加速分离（这就是“暴胀”理论的关键假设），那么这些谜团就会被解开。1981年，当时年轻的美国物理学家艾伦·古斯（Alan Guth）提出了“暴胀”理论。就像在科学领域经常发生的那样，这个理论还有几个先驱，特别是苏联的亚历克斯·斯塔罗宾斯基（Alex Starobinski）和安德烈·林德（Andrei Linde）以及日本的佐藤胜本的理论。古斯的论点非常清楚，使大多数人相信这确实是一个至关重要的洞见。古斯在其著作《暴胀宇宙》（The Inflationary Universe）中讲述了这个想法浮现在自己脑海中时的“尤里卡(22)时刻”，以及活跃的理论物理学家是如何辩论和进一步发展这个想法的。当时作为一名正在一个过度拥挤的职业领域里寻求合适职位的年轻研究者，针对美国学术界的现状，古斯还坦率地从社会学的角度提出了自己的见解。
根据暴胀宇宙理论，宇宙之所以如此之大，引力和膨胀如此接近平衡的原因在于，在当时的可见宇宙还处于微观尺度的早期，发生了一些不寻常的事件。在当时拥有极高密度的环境中，“宇宙斥力”发挥着主导作用，λ的值似乎非常巨大，压倒了普通的引力。膨胀由此挂上了“超速档”，导致加速失控，因此，胚胎宇宙开始暴胀变大，并变得均匀，从而在引力和动能之间建立了一种“精密调谐”的平衡。
所有这一切被假定发生在“大爆炸”后10-35秒之内！当时普遍存在的条件远远超出了我们可用实验来测试的范围，因此所有细节都是推测的。尽管如此，我们仍然可以作出与其他物理理论一致的推测，以及与对后期宇宙的了解一致的推测。
暴胀理论背后的想法极具吸引力，因为它似乎表明了整个宇宙是如何从一颗微小的“种子”演化而来的。它之所以被认为是真实的，是因为暴胀是以指数级的速度进行的，它会翻倍，翻倍，再翻倍。数学公式通常不会产生巨大的数字，除非它们很长且很复杂。一个“适中”的数字生成一个巨大的数字（比如1078，即当前可见宇宙中原子的总数）的唯一自然方式是，使变化以“指数级”进行，它表示大小翻倍的次数。一个球体的半径每增加一倍，其体积就增加8倍（在普通的欧几里得空间中），而若想达到1078这样的数字，只需要100次这样的翻倍。
这正是宇宙“暴胀”阶段发生的事情。当宇宙暴胀到足以容纳我们现在所看到的一切之后，导致暴胀的强烈排斥作用就消失了，转而开始了更加悠闲的膨胀。这一转变将原来“真空”中潜藏的巨大能量转化为普通能量，产生了原始火球的热量，并引发了我们更熟悉的膨胀过程，从而形成了现在的宇宙。
自从30多年前首次提出暴胀的概念以来，人们就一直对它进行着激烈的争论。根据对远远超出我们可直接研究范围的高压强、高密度等条件下物理现象的不同假设，暴胀经历了许多变体。但是，除非出现更好的理论，否则这个理论的总体构想肯定会保持其吸引力。目前，暴胀理论提供了唯一可信的解释：解释了为什么宇宙如此之大，如此均匀；还解释了为什么宇宙会以如此快的速度膨胀，以至于膨胀到100亿光年的尺度。
我们能检验暴胀理论吗
如果起皱的表面以巨大的倍数拉伸，曲率则会减小，直到察觉不到平滑的任何偏离时为止。我们用“平滑”来类比宇宙中（负）引力能和（正）膨胀能之间的精确平衡，这是对暴胀宇宙的最可靠的一般性预测。这个预测究竟是对的吗？最简单的平滑宇宙是Ω的值恰好等于均衡值1。第5章中提出的证据表明，原子和暗物质仅占构成临界密度物质的30%，这看上去让人有些沮丧。因此，理论家便热切地抓住了膨胀正在加速的主张，因为这样一来，与数字λ相关的能量就必须被加进来。当前的宇宙似乎确实是“平滑的”，尽管我们当中更为谨慎的人可能会认为，最终结论尚未得出，几年后才能出现定论。构成临界密度的“混合”物质中有4%是原子，约25%是暗物质，其余是“真空”本身。
“平滑”的这种证据是比较令人鼓舞的，因为它至少激励我们去寻求进一步的验证，尤其是那些可能揭示暴胀过程中的细节的“征候”。大多数关于极早期宇宙的详细想法持续的时间都很短暂。对于宇宙最初10-35秒内发生的情况，我们非常不确定，就像伽莫夫和其他先驱第一次探索宇宙元素的起源时，对“大爆炸”后1秒时的物理过程不确定一样。在一些重要方面，他们最初的想法是错误的，但在一二十年后得到了纠正，并奠定了坚实的基础。也许，我们可以寄希望于未来10年中超高能物理学与宇宙学的协同发展。
在氦元素最初形成的几分钟内，涉及了核聚变反应和原子碰撞，其过程可以通过实验重现。一方面，相比之下，在暴胀阶段，决定宇宙基本数字（如Q）的过程太过极端，无法在地球上模拟，甚至在加速器中也无法模拟，这使挑战变得更加严峻。另一方面，这一事实为研究极早期宇宙提供了额外的动力，也可能为新的“大统一理论”提供了最有力的检验，因为极早期宇宙是唯一一个能量足够高的地方，可以使这些理论的独特效应显现出来。当天文学家试图理解宇宙现象时，他们通常会借助物理学家在实验室里获得的发现，而现在，他们可以通过发现一些新的物理过程来回报物理学家。事实上，这种例子已经出现，例如，中子星拓展了我们对高密度物质和强引力的认识。不过，最极端的现象是“大爆炸”本身。20世纪50年代，宇宙学还处于物理学的主流之外，只有像伽莫夫这样的“怪人”才会关注。而现在，宇宙学问题引起了许多主流理论物理学家的兴趣。这无疑给了我们乐观的理由。
当宇宙的尺寸小于一个高尔夫球时，就会产生微观的“振动”，从而使它们膨胀得如此之大，以至于在整个宇宙中伸展开来，形成涟漪，最终会演变成星系和星系团。理论物理学家仍然没有证明暴胀模型能否“自然地”解释Q等于10-5的原因，这个数值描述了这些涟漪的幅度特征。这说明，暴胀模型能否解释Q的值，取决于一些仍处于“实战检测”阶段的物理过程。不过，我们可以从中了解到一些细节，并排除一些选项，因为不同类型的暴胀理论会作出不同的预测。利用微波各向异性探测器和普朗克探测器的测量，以及对星系聚集方式的探测，我们将会获得有关暴胀阶段的线索，并揭示有关大统一理论中的物理过程的一些知识，这些知识无法直接从“普通”能级的实验中推断得出。
依据最终发展为星系和星系团的波动，人们认为暴胀会产生“引力波”，即空间结构本身的振动，并以光速交错传播于宇宙中。这种波碰到的物体会受到引力的作用，首先将其拉向一个方向，然后又拉向另一个方向。因此，它们会发生轻微的“摆动”。这种效应微乎其微，为引力波的探测带来了巨大的技术挑战。欧洲航天局的LISA项目（Last Interferomenric Space Array，即激光干涉空间阵列）计划在太阳周围的轨道上部署一组彼此相隔数百万千米的飞行器，它们之间的距离将由激光束监控，精确度达到百万分之一米。
LISA的灵敏度可能也不足以察觉出这些原始时代的振动。不过，其他信号应该更容易被探测到，这对其设计者来说是一种安慰。例如，当两个黑洞相撞并合并时，就会产生强烈的引力波。我们希望此类事件不时发生。大多数星系的中心都有一个黑洞，其质量相当于数百万颗恒星的质量。经常有成对的星系发生碰撞和合并（我们看到许多这样的事件正在发生），每当此时，两个星系中心的黑洞就会一起螺旋上升并结合在一起。
因此，我们期望很快对暴胀时期进行经验性的探测。即使我们不知道适当的物理学，也可以计算出特定理论假设的定量结果（Q的值和引力波等），然后将这些结果与观测结果进行比较，这样至少可以缩小可能性的范围。
“大爆炸”的其他遗迹
宇宙极早期的任何“化石”都至关重要，因为它们是弥补宇宙和微观世界之间的纽带。部分理论物理学家提出了一种有趣的可能性，磁单极子可能是从早期宇宙中遗留下来的，古斯的理论明显地表达了这个观点。法拉第和麦克斯韦证明了电和磁之间的密切关系。但是，正如他们清楚地认识到的那样，这两种力之间有一个关键区别：正电荷和负电荷可以单独存在，但磁的“北极”和“南极”似乎是不可分开的。磁体是偶极子（有两个磁极），而不是单极子（只有一个磁极）。如果我们切开一个偶极子，就永远不会得到两个单极子，而只是更小的两个偶极子。尽管进行了许多巧妙的搜索，但从来没有人捕获到过磁单极子。
现代理论认为，磁单极子可能存在，但其质量可能非常大（比质子重1 000万亿倍）。由于它们拥有巨大的质量，就需要大量的能量来制造它们——这种能量在早期宇宙中普遍存在，但在之后就不存在了。在现在的宇宙中，磁单极子非常少，因为磁场遍布星际空间，如果存在大量磁单极子，磁场就会“减少”。古斯对磁单极子的消失感到困惑，因为它们似乎不可避免地产生于宇宙早期。实际上，他的最佳猜测是，它们的总质量将比实际存在的暗物质的总质量大数百万倍。暴胀的一个重要结果（如果它发生在磁单极子形成之后）是，它将会稀释磁单极子，这便解释了它们当前缺失的原因。
磁单极子是空间中的一种“结”，用该领域的专业术语来说，它们是“拓扑缺陷”（topological defect）。实际上，更有趣的是线状缺陷，而非点状缺陷，也就是结成细管的空间区域，其厚度小于一个原子。它们要么像松紧带一样形成闭合的环，以接近光速的速度原地旋转，要么直接穿过宇宙。一些宇宙学家推测，这些空间上的缺陷可能是宇宙结构的种子，至少，它们促成了数字Q的产生。这一想法在20世纪90年代早期引起了人们的兴趣，但后来被证明与之后绘制出来的星系聚集的细节不相符。但这些环可能仍然存在，而且它们的性质非常特殊，比如，虽然它们比原子还小，但质量却比原子的大，1 000米长的质量相当于地球的质量。因此，天文学家应该尽一切努力发现它们。
微型黑洞是另一种源自“大爆炸”之后的可能遗留物。一个原子大小的黑洞的质量相当于一座山的质量。正如我们在第3章介绍的那样，这是数字N取较大值的一个直接结果：在原子尺度上，引力非常弱，无法战胜其他力，除非将N个原子的质量压缩到一个原子的体积中去。可以想象，极早期宇宙产生了促使它们出现的必要压力。尽管目前还没有什么办法产生这么大的内压力，但将来的某些高科技文明也许可以做到这一点。如果再结合下面这个推论，前景将特别迷人：一个黑洞内部可能会萌发出一个新的宇宙，然后暴胀成一个与我们的时空毫无关联的新时空（可能是无限的）。
宇宙是生于“无”吗
一个横跨100亿光年的宇宙（甚至可能比我们的视野还远）居然是从一个无限小的点中产生的，这似乎有违直觉。这一切之所以能够发生是因为，无论发生了多少次膨胀，宇宙的净能量始终为零。根据爱因斯坦著名的质能方程，一切物质都具有mc2的能量。但由于引力，所有物质也都有负能量。我们需要能量来摆脱地球的引力——必须燃烧足够的火箭燃料，以达到11.2千米每秒的速度。因此，与太空中的宇航员相比，地球的人都存在能量不足的问题。然而，宇宙中所有物质加在一起所造成的能量“赤字”（专业名称为“引力势能”）在数值上可能等于负的mc2。换句话说，宇宙本身就是一个“引力陷阱”，它是如此之深，以至于其中的所有物质都具有一个负的引力势能，正好抵消了它的静止质能。所以，宇宙暴胀的能量成本实际上为零。
宇宙学家有时声称，宇宙可以“生于无”。但他们应该注意自己的言辞，尤其是在同哲学家讲话时。自从爱因斯坦开始，我们已经认识到，即使空的空间也具有某种结构，可以被扭曲和变形，哪怕将空间缩小成一个“点”，它也蕴含着粒子和力，这仍然是一个比哲学家眼中的“无”丰富得多的结构。也许有一天，理论物理学家能够写出支配物理实体的基本方程。然而，物理学永远无法解释是什么“将火注入方程”，并在真实的宇宙中让它们变成实体。最根本的问题是：为什么存在有而非无呢？这仍然属于哲学家的思考范畴。即使是他们，也会像路德维希·维特根斯坦（Ludwig Wittgenstein）那样明智地回答：“对于不能说的，我们必须保持沉默。”
从视界之外到多元宇宙
第7章中所描绘的长期预测实际上是基于一个无法验证的假设，即我们视界之外的宇宙区域与我们所看到的区域是相似的。如果你身在海洋中心，就不能指望陆地正好处于自己的视界以内，但你知道海洋并非没有尽头，终会有一块大陆出现在其边界。同样，我们可能会错误地认为，宇宙是无限地均匀延伸的，是无边无际的。实际上，我们可能生活在一个低密度的气泡中，它大到远远超出了我们的视野，但被一个更大的区域包围，不过该区域最终会在我们头顶上空坍缩。如果真是这样，当我们遥远的后代发现高密度物质出现在他们的视线中时，就会修正永久膨胀的“预测”。一方面，在刚刚超出我们视界的地方是不大可能发生剧烈变化的；另一方面，我们也没有外推到无穷远的可靠保证。
暴胀理论最重要的意义是，它极大地扩展了我们对宇宙的了解。若想解释我们所看到的宇宙，必须有足够的暴胀，才能解释清楚出现在望远镜观测范围内的1078个原子。但这只是一个最小量。一旦暴胀开始，可能要花很长时间才能停止（理论物理学家将其称为暴胀的“优雅退出”问题）。事实上，暴胀理论的大多数版本都表明，“翻倍”的次数应该远远超过我们解释可见宇宙时所需的次数。在第1章，我们设想了一系列关于宇宙的景象，每一个景象的观测点都比前一个远10倍。从日常的人类尺度开始，第25个镜头将我们带到了当前视野的极限。从本质上来说，这个极限是由光在第一个星系形成后的约100亿年的时间里能够传播多远决定的。然而，暴胀理论者设想的宇宙要大得多，达到任何“边缘”都需要数百万个镜头，而且每次观测距离都要增加10倍。如此浩瀚的空间（至少对我来说）是我们无法把握的。相比于从视界到宇宙边界这种飞跃，从微观尺度向视界尺度的跳跃简直不值一提。虽然时空不是无限的，但它远远超出了我们的视界。光从“边缘”到达我们之前的时间就是以年为单位的数字，其之后有不少于100个零，甚至有数百万个零。
然而，这还不是全部。即使这个巨大的宇宙的范围需要一个百万级别的数字来表达，但它可能也不是宇宙的全部，而仅仅是一次暴胀的结果，或者只是一个暴胀插曲，但这个插曲（“大爆炸”中的一个插曲）本身可能只是无穷尽的“合奏曲”中的一个片段。事实上，这是“永恒暴胀”理论的自然结果，俄罗斯宇宙学家安德烈·林德尤其支持该理论。根据这种情况，我们需要对极端密度下的物理过程作出特定的假设，即宇宙可能有一个无限的过去。那些暴胀永不结束的区域总是增大得更快，足以为其他“大爆炸”提供种子。这些推测还有不同的版本，比如，其中一段暴胀可能会在黑洞内被触发，创造出与我们的时空分离的新领域。
在此，请让我对“宇宙”一词作一个语义说明。“宇宙”的正确定义是“万物皆有”。我在本章论证的是，传统上被称为“宇宙”的实体，也就是天文学家所研究的东西，或者“大爆炸”的后果，可能只是整体中的一个部分，即整个合奏曲中的一个部分，每个部分都有可能源自各自的“大爆炸”。学究们可能更愿意将这个整体重新定义为“宇宙”，但我认为，保留“宇宙”的传统定义有助于减少混淆。因此，我们需要一个新词来代表整个“宇宙”，那就是“多元宇宙”。我将在第11章回到“多元宇宙”这个概念上来。
10 数字D：三维及更多维
地球轨道是衡量一切的尺度；与它外切的是一个十二面体，而与十二面体内接的圆周是火星轨道；与火星轨道外切的是一个四面体，而与这个四面体内接的圆周就是木星的轨道；与木星外切的是一个立方体，而与这个立方体内接的圆周是土星的轨道。与地球轨道内切的是一个二十面体，而与这个二十面体内接的圆周是金星的轨道；与金星轨道内切的是一个八面体，而与这个八面体内接的圆周是水星的轨道。这就是行星的数目为六(23)的原因。
——约翰尼斯·开普勒
为什么D=3是特殊的
我们的空间是三维的，其中有点（零维）、线（一维）、面（二维）和体（三维）。不过，就只有这么多维度了，即使我们可以从数学上想象出一个维度更多的空间。数字“3”有什么特别之处呢？从古典时期起，几何学家就注意到了不同维度的有趣特征。例如，在二维空间中，我们可以画一个等边数任意的正多边形（如等边三角形、正方形、正五边形、正六边形等），但在三维空间中，只有5种柏拉图式的“正多面体”，所有的边和角度都是相等的。四维空间中有6种这样的立体，而在更高的维度空间中则只有3种。
在三维世界中，诸如引力和电力等力皆遵循平方反比定律，即如果你走2倍远，来自物质或电荷产生的力就减弱至1/4。迈克尔·法拉第在其开创性的电学研究中，用一种图形化的方式解释了这一点。他设想“力线”产生自每个电荷或物质中，力的强度取决于这些线的集中程度。在距离r处，这些力线分布在一个与r2成正比的面积上；在更大的距离上，力被稀释了，其强度与r2成反比。然而，一个四维“球体”的面积将与r3成正比，即如果r增加一倍，其面积将增加8倍，而不是4倍。如此，法拉第的论证得出的是一个立方反比定律。
正如牛顿认识到的那样，行星的轨迹是由引力效应和行星运动的离心效应之间的平衡控制的。太阳系的轨道是稳定的，从这个意义上来说，行星速度的微小变化只会略微扰动自身的轨道。但是，如果引力遵循的是立方反比定律而不是平方反比定律，那么这种稳定性就会丧失。如果行星的运行速度减慢，哪怕只是稍微减慢一点点儿，它就会以更快的速度坠入太阳，而不仅仅是进入一个稍微小一点儿的轨道上运行，因为立方反比的力在靠近太阳系中心的过程中会急剧增强；相反，如果行星轨道的运动稍微加速，它就会迅速地向太阳系外旋转而陷入黑暗。
18世纪的英国神学家威廉·佩利（William Paley）有一个著名的论点：宇宙的外观设计意味着存在一名设计师，正如手表意味着存在一名钟表匠。佩利在剑桥大学受过良好的数学训练，能够理解平方反比定律的这一神秘特性，并将其作为一个有力的论据纳入他为一位仁慈的创造者进行的辩论中。他的其他“设计者”的证据大多来自生物学领域，但在后达尔文时代，这些证据受到了质疑，甚至连神学家都不相信。因为，眼睛、手等人体器官令人印象深刻的适应性是自然选择的结果，是活器官与其环境共生的结果。现在看来，佩利关于平方反比定律的温和观点是他最有力的观点之一：自然界没有机会选择一条受人喜爱的力的定律，也没有任何东西可以反作用于宇宙，使它作出任何改变。20世纪初，人们认识到，原子是由带正电的原子核和核外轨道上运动的电子组成的。可惜佩利的文章写于此前的一个多世纪，否则，他本可以指出，出于类似的原因，原子不可能存在于受立方反比定律统治的宇宙中，因为那里没有稳定的电子轨道。
因此，空间维度超过三确实会产生一些问题。那么，我们能生活在一个少于三个维度的世界吗？最好的论证也非常简单：在“扁平地带”或者任何二维平面中，复杂结构都有其固有的局限性。一个复杂的网络不可能没有交叉的导线，也不可能没有任何一个体内有管道（例如消化道）穿过而不被一分为二的物体。在一维的“线性区域”中，范围更为狭窄。
当我们发现自己生活在三维空间中时，之所以不应该感到惊讶，这些仅仅是最显而易见的原因，数学家还发现了其他原因。
时间与时间箭头
时间是我们所感受到的第四个维度。当我们确定一个事件时，需要四个数字：三个空间坐标来描述事件发生的地点，第四个坐标说明事件发生的时间。正如一位荒诞派的作家所言：“时间是自然界阻止事件同时发生的方式。”换句话说，事件是沿着以时钟的滴答声为里程碑的路线展开的。时间与其他三个维度是不同的，因为我们似乎只被拖着往一个方向移动或前进，而在其他三个维度中，我们可以朝任何一个方向移动（东或西、北或南、上或下）。因此，我们最好称宇宙为“3+1”维的空间。爱因斯坦告诉我们，空间和时间之间存在联系，时间流逝的速度是有“弹性的”，它取决于时钟是如何移动的，以及时钟是否在一个大质量物体附近。不过，爱因斯坦的思想保留了时间和空间之间的区别，也就是对空间中的东西与处于过去和未来的东西进行了区分。
“时间的箭头”从过去一直指向未来。如果将一部记录日常事件的电影倒转过来看，就会显得荒诞和异常：因果颠倒，这就好比破碎的玻璃碎片和一滴滴的液体会自动聚合在一起组成一杯酒；或者，汇集在水壶上的蒸汽会凝结成水。在马丁·阿米斯（Martin Amis）颇具讽刺意味的关于倒转时间的小说《时间之箭》（Time's Arrow）中，有过这么一个场景：纽约的出租车“先付给你足够的车费，什么也不问……也不说明我们为什么站在那里，在几个小时之后，最终挥手告别，或者致敬如此好的服务”。
过去和未来的不对称性在我们的经验中是如此根深蒂固，以至于除了一些关心哲学的物理学家外，很少有人会思考它带来的难题。令人困惑的是，微观世界的基本规律中并没有这种不对称性。尽管基本规律在过去和未来并没有不同，但世界的变化是不可逆转的。无论正放还是倒放，一段反映两个彩色球之间的一次碰撞的影片看起来或多或少都是一样的。不过，当放映开始之后，碰撞的整个形式会清楚地显示出时间的箭头。同样，我们的世界似乎也是按照一种特殊的方式建立起来的。
我们虽然被困在时间之中，但可以从“时间之外”的想象视角来获得更清晰的洞察力，就像库尔特·冯内古特（Kurt Vonnegut）所著的《太阳神的海妖们》（Sirens of Titan）中的生物，它们将人类视为“巨大的千足虫，一端长满婴儿的腿，另一端长满老人的腿”。按照这样的想象，宇宙将是一个静态的四维实体（块状宇宙），日常物体的“世界线”在一端（我们称之为未来）将会比在另一端（我们称之为过去）更加混乱。不过，更难以解释的是为何会出现“有序”的状态。如果一条长弦的一端被编织成一个不同寻常的图案，无论是在左边还是在右边，我们都会同样感到吃惊。同样，在一个“块状宇宙”中，未来似乎与过去存在于同样的基础之上，无论是在开端还是在终端找到秩序，都一样令人困惑。
当我们说宇宙正在膨胀时，实际上就是给时间预设了一个箭头，就是假定可以对一部电影的画面或者“块状宇宙”中的三维切片进行排序，使宇宙在被我们设定为“未来”的时间里更加分散。
时间的不对称性可能与宇宙的膨胀有关。事实上，我已经在第8章阐述过，在宇宙的膨胀过程中，引力是如何增强任何初始密度的反差，使结构从一个几乎毫无特征的火球中浮现出来。在宇宙的早期阶段，这种不对称性不会出现在任何局部测量中，因为那时密度非常高，以至于微观过程，也就是粒子之间的碰撞、光子的发射和吸收等，会比膨胀速度发生得更快。每时每刻，一切都处于平衡状态。物质不会保留任何“记忆”，无论它以前是更密集还是更稀疏，也不会带有时间方向的印记。然而，当宇宙被稀释得更稀疏时，这些微观过程就会变慢，而膨胀就会产生至关重要的影响。
如果宇宙长期保持在10亿摄氏度的温度，或者核聚变反应发生得越来越快，那么所有的原子可能都会被加工成铁。幸运的是，膨胀的速度足够快，核聚变反应在将23%的氢转化为氦之前，就停了下来。这个例子恰恰说明，宇宙膨胀是如何导致了平衡的偏离，因此膨胀的宇宙中所发生的事情与坍缩的宇宙中所发生的事情是不同的。
正如安德烈·萨哈罗夫首先指出的那样，我们的存在依赖于一种不可逆的效应，这种效应在宇宙更早的阶段使物质多于反物质。如果不是这样，所有的物质都已被等量的反物质湮灭，宇宙中将不会有一个原子，这样就不会有恒星形成，更不会有化学过程来产生复杂的结构。
关于时间，仍然存在很多谜团，人们对此完全没有达成共识。物理学家朱利安·巴伯曾对专家进行了一项非正式的调查，调查的问题是：“你认为时间真的是一个基本概念吗？或者它能否从更基本的概念中推导出来（这与从一个物体组成原子的运动中推导出温度的高低非常相似）？”对此，各方的反应比例相当接近。对于时间最终会被更深层次的东西解释这一观点，持赞成态度的人略多于持反对态度的人。
大尺度上存在卷起的维度吗
空间和时间一定具有某种复杂的结构。我们知道，空间被黑洞刺穿（银河系中有数百万个黑洞，其他星系的中心甚至有更大的黑洞），而在黑洞中，时间和空间交织在一起。不过，这些复杂性仅限于宇宙学视角下的“局部”区域。在比超星系团更大的尺度上，宇宙是近乎均匀的。这表明，在我们目前的视界尺度上，空间的几何结构是平滑而简单的。宇宙微波背景辐射在整个太空中几乎具有相同的温度，这一事实也显示了宇宙的平滑特性。
有数学倾向的宇宙学家想要知道这种简单性是不是一种错觉。他们认为，也许我们一次又一次地看到的空间景象可能是同一个区域的重复，就像在布满镜子的大厅或万花筒里看到的景象一样，空间也许是被“卷起”的或具有某种细胞结构。如果我们确实存在于这种奇怪的宇宙中，那么那些细胞结构至少必须是我们视界距离的百分之几，换句话说，细胞结构的大小超过几亿光年。我们之所以知道这一点，是因为如果这些细胞结构更小，那么像处女星系团那样独特的结构就会被重复地看到。此外，通过测量天空中宇宙微波背景辐射温度的微小不均匀性，我们得到了一个更有力的证据，因为这种不均匀性并不存在重复的特征。因此，我们现在可以排除任何比我们的视界小得多的细胞结构。
在有限的光速所形成的视界之外，我们很少获得观测结果。在远远超过100亿光年的尺度上，空间可能是以一种复杂的方式卷起来的，甚至维度数也发生了改变。然而，对于任何望远镜所能观测到的范围以外的情况，我们只能得到间接的暗示。
那么，超小尺度上的情况又当如何呢？在这种情况下，我们的简单理论肯定会崩溃。实际上，我们可能需要抱定一些非常复杂的观点，包括额外的维度，以便正确地理解粒子、力和宇宙常数。
时间和空间的微观结构：量子引力
我们已经花了一个世纪的时间来习惯：普通物质，即固体、液体和气体，具有离散的原子或分子结构。时间和空间本身会有粒子性吗？空间似乎是一个平滑的连续体，但这只是因为我们的经验都太“粗糙”，即便最复杂的实验也无法探测到这种结构所具有的非常精细的尺度。
虽然我们不知道空间和时间的微观结构的具体细节，但常识告诉我们，它们不能被切割成任意小的碎片。精细尺度上的细节只能通过波长更小的辐射来探测。例如，建筑物不会挡住波长为几米的无线电波，但会在阳光中投射出清晰的影子。光由百万分之一米长的光波组成，比这更小的光波无法用普通光学显微镜观测到。若想探测更清晰的细节，我们需要更短的波长或者借助其他一些技术，比如电子显微镜等。然而，根据量子理论，越短的波长来自能量更高的量子或“能量包”。
能量的基本量子用普朗克常数来描述，普朗克常数是以伟大的物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）的名字命名的，他在一个世纪前率先提出了“量子化”的概念。在一定程度上，我们可以通过使用能量越来越高的量子来探测更精细的结构，对应的波长也越来越短。不过，这里存在一个限度。因为当所需量子的能量达到一个极端时，它们就会坍缩成黑洞。在大小约为质子的1/1019的“普朗克长度”上，就会出现这种情况；具有这种微小波长的量子所携带的能量相当于1019个质子的静止质能。光通过这个距离大约需要10-43秒，而这个“普朗克时间”是迄今为止可以测量到的最短的时间间隔。因此，即使是空间和时间也会受到量子效应的影响。然而，与电力起控制作用的普通原子的情形相比，由于引力非常弱，时间和空间里出现量子效应的尺度将小得多，这是宇宙常数N取巨大值的结果。
有些理论家比另一些更偏爱推测。不过，即使最大胆的物理学家也承认“普朗克尺度”是一个极限。我们无法测量小于普朗克长度的距离；当两个事件之间的时间间隔小于普朗克时间时，我们就无法区分这两个事件，或者判断出哪个先发生。这些尺度小于原子的程度就像原子小于恒星的尺度。在这一领域，不能指望进行任何直接的测量：它需要的粒子能量比实验室中所能达到的能量要高出1000万亿倍。
20世纪，科学的两大支柱是：在微观世界起重要作用的量子力学和爱因斯坦的引力理论，后者不包含量子概念。目前为止，我们没有一个统一的框架来协调和统一它们。不过，这种缺失并不妨碍地球科学的进步，也不妨碍天文学的进展，因为大多数现象要么涉及量子效应，要么涉及引力，但不是两者都涉及。由于数字N的巨大取值，在原子或分子的微观世界里，引力是可以忽略不计的，而量子效应起着关键的作用；相反，在由行星、恒星和星系等天体领域中，引力起支配作用，量子的不确定性则可以忽略不计。然而，在宇宙的起始阶段，量子振动可以撼动整个宇宙；相反，引力只在单个量子尺度上显得重要，这些发生在10-43秒内，也就是普朗克时间以内。若想理解“大爆炸”后的最早瞬间，或者了解黑洞内“奇点”附近的空间和时间，我们需要量子理论和引力的统一。
在黑洞附近，当速度接近光速时，我们的普通常识毫无用处。在宇宙早期的极端条件下，以及接近普朗克长度的微观尺度上，情况也是如此。因此，我们必须抛弃对空间和时间的常识性观念。在如此微小的尺度上，黑洞可能会出现也可能会消失；时空可能是一种混沌的泡沫状结构，没有明确的时间箭头；波动可能产生新的领域，最终演变成独立的宇宙；空间也可能具有一种晶格结构，或者像链条一样贯穿起来；时间可能会变得像空间一样，以至于在某种意义上来说也没有开端。
量子引力仅有的另一个舞台是黑洞内部中心的奇点，它隐蔽在视界以内。如果一种理论只能在如此奇异和难以接近的领域才能显示出其结果，那我们就很难检验它。若想这种理论被认真对待，要么严格地将它纳入某种可以用许多其他方式加以检验的包罗万象的理论中，要么它必须具有独特的必然性。
目前科学家正在采取几种不同的方法进行探索，但对于哪种方法是正确的，他们还没有达成共识。史蒂芬·霍金曾“打赌”，一个统一的理论将在20年内出现，尽管他承认，他已经输掉了20年前所打的一个类似的赌，并还清了赌账！最雄心勃勃和鼓舞人心的方法似乎是超弦理论，它直接跳到了所有力的统一理论，而量子引力理论只是它的一个副产品。
超弦理论
超弦理论的支持者声称，该理论可以将支配微观世界的这三种力结合在一起，它们分别是电磁力、强相互作用力和弱相互作用力，同时还可以解释基本粒子，比如夸克、胶子等。引力实际上是这一理论的一个重要组成部分，而不仅是一个额外的复杂因素。超弦理论的关键思想是，宇宙中的基本实体不是点，而是一些非常微小的弦环，不同的亚核粒子是这些弦的不同振动状态，也就是不同的谐波（和弦）。这些弦的尺度为普朗克长度，换句话说，它们比我们实际能探测到的尺度小很多。此外，这些弦不是在我们通常的“3+1”维空间中振动，而是在十维空间中振动。
额外维度的观点并不新鲜。20世纪20年代，西奥多·卡鲁扎（Theodor Kaluza）和奥斯卡·克莱因（Oskar Klein）试图扩展爱因斯坦的时空理论，以便将电力包括在内。通过在普通空间的每个点上都加上额外的结构，他们试图想象电场和带电粒子的运动。这个额外的维度是在一个微小的尺度上“卷缩”起来的，它并没有向我们展示自己，而是像一张纸一样紧紧地卷成一条，看起来就像一条一维的线，即使它实际上是一个二维曲面。卡鲁扎-克莱因理论后来出现了种种问题，但额外维度的概念最近获得了戏剧性的复兴。在超弦理论中，普通空间中的每一个“点”都是一个复杂的六维几何结构，但以普朗克长度的尺度卷缩在一起。
所有的物理理论都包含方程式和公式，非专业人士难以理解其中的技术细节，但幸运的是，其关键思想不会因此变得难以理解。不过，一般来说，数学类的问题总是率先得到解决，物理学家可以“从书架上”得到这些数学规律并加以应用。例如，爱因斯坦在其“弯曲的时空”理论中使用的几何概念都是在19世纪发展起来的，用来描述量子世界的数学语言也是如此。不过，超弦理论提出的问题仍然困扰着数学家。例如，为什么一个宇宙最终会有四个“膨胀”的维度（时间，加上三个空间维度），而不是某个不同数目的维度呢？宇宙的本质以及支配它的力量，将取决于额外维度卷缩起来的方式。这是如何发生的，是否存在许多不同的途径呢？
20世纪80年代，超弦理论第一次激发了人们的热情，尽管这些想法可以追溯到更早的几十年前。从那以后，这种理论耗费了大批杰出数学物理学家的努力。最初的过度盛行之后是一段令人沮丧的时期，因为该理论的复杂性令人困惑。不过，自1995年以来，超弦理论有了“第二春”。现在人们已经认识到，额外维度可以卷缩成5种不同的六维空间。在更深的数学层面上，这些维度空间可能是独立的，但其相关的结构可以被嵌入十一维空间。此外，弦（一维实体）的概念可以扩展应用到二维表面（薄膜）上。事实上，十维空间中可以存在更高维度的表面，换句话说，如果一个二维表面被称为二维膜，那么也可以有三维膜，等等。然而，十维弦理论错综复杂的性质和我们所能观察到或测量到的任何现象之间仍然存在着一条不可逾越的鸿沟。
曾经有先例表明，即使没有直接的经验支持，有些理论也会得到认真对待，尤其在那些理论表现出独特的“优雅性”或“正确性”的情况下，这种响亮的真理之声，迫使人信服。例如，20世纪20年代的许多物理学家都接受爱因斯坦的广义相对论，因为它在概念上极具吸引力。这一理论已经通过精确的观测被证实了，但在早期，证据很少。爱因斯坦本人对自己理论的优雅印象比任何实验都要深刻。同样，在当今时代，公认的数学物理学知识领袖爱德华·威滕（Edward Witten）曾说过：“错误的好理论极其罕见，而能够与弦理论的庄严威仪相媲美的错误的好理论至今尚未出现。”
尽管如此，我们之所以对超弦理论持乐观态度，还存在非美学方面的特殊原因。首先，爱因斯坦的广义相对论将引力解释为四维时空中的曲率，这一理论不可避免地被纳入超弦理论中。因此，我们长期寻求的引力和量子原理之间的统一应该会自然而然地出现。
这个理论加深了我们对黑洞的理解。这里的故事可以追溯到20世纪70年代初，当时在普林斯顿大学工作的以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦正在思考这样的问题：人们最近发现，黑洞是规范化的天体（如第3章所述），这一事实会产生什么后果。这意味着他们完全忘记了黑洞是如何形成的。致使黑洞形成的方式似乎有无数种。从理论上来说，岩石、行星、气体，甚至宇宙飞船都有可能落入黑洞，但这段历史的所有痕迹都已被抹平。贝肯斯坦指出，这就像两种气体混合时出现的“熵增”现象：许多不同的初始状态会导致完全相同的最终结果，难以区分。信息的丢失对应熵的增加，因此贝肯斯坦推测，黑洞可能具有一个熵，用它可以计算出黑洞形成方式的数目。如果贝肯斯坦是对的，那么黑洞也会有温度，当霍金计算出黑洞并非完全是黑暗的，而是会发出辐射时，他的想法就有了更坚实的基础。在天文学家发现的黑洞中，这种辐射太过微弱，无法被测量到，但如果原子大小的“微型黑洞”确实存在，这种辐射可能会很重要。
超弦理论，这种在普朗克尺度上描述空间结构的理论引出了一个新的观点。1996年，美国理论物理学家安德鲁·斯托明格（Andrew Strominger）展示了如何将黑洞（尽管是一种特殊类型的黑洞）想象成由弦尺度元素“构建”起来的天体。他认为，这些微小的“砖块”可以用不同的“排列”方式构成同一个黑洞，并指出了计算这些“排列”方式的数目的方法，以构成相同的黑洞。他与贝肯斯坦和霍金计算出的熵值完全吻合。虽然这不是一个经验性的论据，但它增强了我们对该理论的信心，因为它证实了一个基于更传统物理学的计算，并加深了我们对黑洞神秘特征的了解。
另一种希望是，超弦理论可以为我们理解量子概念提供新的视角，尽管目前这一观点争议较大，基础也不太牢固。理查德·费曼说过：“没有人真正懂得量子力学。”它的有效性令人惊异，大多数科学家几乎都在不假思索地应用它。不过，它也有“怪异”的一面，从爱因斯坦开始的许多思想家都难以接受，直到现在，我们还不敢说对该理论有了透彻的理解。
