《宇宙：从起源到未来（出版书）》
作者：[美]约翰·布罗克曼
译者：高爽
内容简介：
全书收录21篇专题论述，涵盖暴胀理论、循环宇宙模型、弦理论等核心议题，呈现阿兰·古斯、丽莎·兰道尔等学者对宇宙起源、时空结构及量子力学的多维度解析，通过学术争议与对话展现学科发展动态，并延伸至模拟宇宙、数学粗糙度等跨界思考，系统梳理人类探索宇宙本质的理论框架。
宙为何是今日之貌，又将迎来怎样的黄金时代？《宇宙》一书集合了全球宇宙学、物理学、天文学等领域最顶尖的科学家，针对这一问题同台辩论，在唇枪舌剑中一探宇宙的过去与未来，开启对宇宙的“大思考”！“宇宙暴胀理论之父”阿兰·古斯、“弦理论之父”伦纳德·萨斯坎德、“永恒混沌暴胀理论之父”安德烈·林德、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克、国际权威的额外维度物理学大师丽莎·兰道尔、加拿大圆周理论物理研究所创始人之一李·斯莫林、数学大师贝努瓦·曼德尔布罗特……每一个名字都如雷贯耳，他们对宇宙的过去与未来、对人类在我们这个宇宙中的位置等“终极问题”的头脑风暴，必然火花四溅！
目录
各方赞誉
总序
前言
01 宇宙学的黄金时代
02 循环宇宙
03 暴胀宇宙
04 一个会产生出泡泡的泡泡正在产生新泡泡
05 弯曲的旅行
06 时间之前
07 宇宙为何是今日之貌？
08 我们是被模拟出来的吗？
09 从思考本质着手
10 我们的宇宙只是宇宙景观的一个角落
11 人择原理
12 科学与确定性无关
13 空非空
14 我的爱因斯坦
15 爱因斯坦与庞加莱
16 在更大的尺度上思考宇宙
17 量子猴子
18 获得诺贝尔奖之后
19 谁会关心萤火虫？
20 构造者理论
21 粗糙度无处不在
译者后记
各方赞誉
伟大头脑的伟大之处，绝不在于他们拥有“金手指”，可以指点未来；而在于他们时时将思想的触角延伸到意识的深海。他们发问，不停地发问，在众声喧哗间点亮“大问题”和“大思考”的火炬。
段永朝
财讯传媒集团首席战略官
建筑学家威廉·J.米切尔曾有一个比喻：人不过是猿猴的1.0版。现在，经由各种比特的武装，人类终于将自己升级到猿猴2.0版。他们将如何处理自己的原子之身呢？这是今日顶尖思想者不得不回答的“大问题”。
胡泳
博士，北京大学新闻与传播学院教授
“对话最伟大的头脑”这套书中，每一本都是一个思想的热核反应堆，在它们建构的浩瀚星空中，百位大师或近或远、如同星宿般璀璨。每一位读者都将拥有属于自己的星际穿越，你会发现思考机器的100种未来定数，而奇点理论不过是星空中小小的一颗。
吴甘沙
驭势科技（北京）有限公司联合创始人兼CEO
一个人的格局和视野取决于他思考什么样的问题，而他未来的思考，在很大程度上取决于他现在的阅读。这套书会让你相信，在生活的苟且之外，的确有一群伟大的头脑在充满诗意的远方运转。
周涛
电子科技大学教授、互联网科学中心主任
作为美国著名的文化推动者和出版人，约翰·布罗克曼邀请了世界上各个领域的科学精英和思想家，通过在线沙龙的方式展开圆桌讨论。“对话最伟大的头脑”这套书就是活动参与者的观点呈现，让我们有机会一窥“最强大脑”的独特视角，从而得到思想上的启迪。
苟利军
中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学教授
“第十一届文津奖”获奖图书《星际穿越》译者
未来并非如我所愿一片光明，看看大师们有什么深刻的思考和破解之道，也许会让我们活得更放松一些。
李天天
丁香园创始人
与最伟大的头脑对话，虽然不一定让你自己也伟大起来，但一定是让人摆脱平庸的最好方式之一。
刘兵
清华大学社会科学学院教授
以科学精神为内核，无尽跨界，Edge就是这样一个精英网络沙龙。每年，Edge会提出一个年度问题，沙龙成员依次作答，最终集结出版。不要指望在这套书里读到“ABC”，也不要指望获得完整的阐释。数百位一流精英在这里直接回答“大问题”，论证很少，锐度却很高，带来碰撞和启发。剩下的，靠你自己。
王烁
财新传媒主编，BetterRead公号创始人
术业有专攻，是指用以谋生的职业，越专业越好，因为竞争激烈，不专业没有优势。但很多人误以为理解世界和社会，也是越专业越好，这就错了。世界虽只有一个，但认识世界的角度多多益善。学科的边界都是人造的藩篱，能了解各行业精英的视角，从多个角度玩味这个世界，综合各种信息来做决策，这不显然比死守一个角度更有益也更有趣吗？
兰小欢
复旦大学经济学助理教授
如果每位大思想家都是一道珍馐，那么这套书毫无疑问就是至尊佛跳墙了。很多名字都是让我敬仰的当代思想大师，物理学家丽莎·兰道尔、心理学家史蒂芬·平克、哲学家丹尼尔·丹尼特，他们都曾给我无数智慧的启发。
如果你不只对琐碎的生活有兴趣，还曾有那么一个瞬间，思考过全人类的问题，思考过有关世界未来的命运，那么这套书无疑是最好的礼物。一篇文章就是一片视野，让你站到群山之巅。
郝景芳
2016年雨果奖获得者
布罗克曼是我们这个时代的“智慧催化剂”。
斯图尔特·布兰德
《全球概览》创始人
布罗克曼是个英雄，他使科学免于干涩无趣，使人文学科免于陈腐衰败。
杰伦·拉尼尔
虚拟现实之父
总序
1981年，我成立了一个名为“现实俱乐部”（Reality Club）的组织，试图把那些探讨后工业时代话题的人们聚集在一起。1997年，“现实俱乐部”上线，更名为Edge。
在Edge中呈现出来的观点都是经过推敲的，它们代表着诸多领域的前沿，比如进化生物学、遗传学、计算机科学、神经学、心理学、宇宙学和物理学等。从这些参与者的观点中，涌现出一种新的自然哲学：一系列理解物理系统的新方法，以及质疑我们很多基本假设的新思维。
对每一本年度合集，我和Edge的忠实拥趸，包括斯图尔特·布兰德（Stewart Brand）、凯文·凯利（Kevin Kelly）和乔治·戴森（George Dyson），都会聚在一起策划“Edge年度问题”，而且常常是在午夜。
提出一个问题并不容易。正像我的朋友，也是我曾经的合作者，已故的艺术家和哲学家詹姆斯·李·拜尔斯（James Lee Byars）曾经说的那样：“我能回答一个问题，但我能足够聪明地提出这个问题吗？”所以，我们要去寻找那些可以启发不可预知答案的问题，那些激发人们去思考意想不到之事的问题。
现实俱乐部
1981—1996年，现实俱乐部是一些知识分子间的非正式聚会，通常在中国餐馆、艺术家阁楼、投资银行、舞厅、博物馆、客厅，或在其他什么地方举办。俱乐部座右铭的灵感就源于拜尔斯，他曾经说过：“要抵达世界知识的边界，就要寻找最复杂、最聪明的头脑，把他们关在同一个房间里，让他们互相讨论各自不解的问题。”
1969年，我刚出版了第一本书，拜尔斯就找到了我。我们俩同在艺术领域，一起分享有关语言、词汇、智慧以及“斯坦们”（爱因斯坦、格特鲁德·斯坦因、维特根斯坦和弗兰肯斯坦）的乐趣。1971年，我们的对话录《吉米与约翰尼》（Jimmie and Johnny）由拜尔斯创办的“世界问题中心”（The World Question Center）发表。
1997年，拜尔斯去世后，关于他的世界问题中心，我写了下面的文字：
詹姆斯·李·拜尔斯启发了我成立现实俱乐部以及Edge的想法。他认为，如果你想获得社会知识的核心价值，去哈佛大学的怀德纳图书馆里读上600万本书，是十分愚蠢的做法。在他极为简约的房间里，他通常只在一个盒子中放4本书，读过后再换一批。于是，他创办了世界问题中心。在这里，他计划邀请100位最聪明的人相聚一室，让他们互相讨论各自不解的问题。
理论上讲，一个预期的结果是他们将获得所有思想的总和。但是，在设想与执行之间总有许多陷阱。拜尔斯确定了他的100位最聪明的人，依次给他们打电话，并询问有什么问题是他们自问不解的。结果，其中70个人挂了他的电话。
那还是发生在1971年的事。事实上，新技术就等于新观念，在当下，电子邮件、互联网、移动设备和社交网络真正实现了拜尔斯的宏大设计。虽然地点变成了线上，但这些驱动热门观点的反复争论，却让现实俱乐部的精神得到了延续。
正如拜尔斯所说：“要做成非凡的事情，你必须找到非凡的人物。”每一个Edge年度问题的中心都是卓越的人物和伟大的头脑，其中包括科学家、艺术家、哲学家、技术专家和企业家，他们都是当今各自领域的执牛耳者。我在1991年发表的《第三种文化的兴起》（The Emerging Third Culture）一文和1995年出版的《第三种文化：洞察世界的新途径》（The Third Culture：Beyond the Scientific Revolution）一书中，都写到了“第三种文化”，而上述那些人，他们正是第三种文化的代表。
第三种文化
经验世界中的那些科学家和思想家，通过他们的工作和著作构筑起了第三种文化。在渲染我们生活的更深层意义以及重新定义“我们是谁、我们是什么”等方面，他们正在取代传统的知识分子。
第三种文化是一把巨大的“伞”，它可以把计算机专家、行动者、思想家和作家都聚于伞下。在围绕互联网和网络兴起的传播革命中，他们产生了巨大的影响。
Edge是网络中一个动态的文本，它展示着行动中的第三种文化，以这种方式连接了一大群人。Edge是一场对话。
第三种文化就像是一套新的隐喻，描述着我们自己、我们的心灵、整个宇宙以及我们知道的所有事物。这些拥有新观念的知识分子、科学家，还有那些著书立说的人，正是他们推动了我们的时代。
这些年来，Edge已经形成了一个选择合作者的简单标准。我们寻找的是这样一些人：他们能用自己的创造性工作，来扩展关于“我们是谁、我们是什么”的看法。其中，一些人是畅销书作家，或在大众文化方面名满天下，而大多数人不是。我们鼓励探索文化前沿，鼓励研究那些还没有被普遍揭示的真理。我们对“聪明地思考”颇有兴趣，但对标准化“智慧”意兴阑珊。在传播理论中，信息并非被定义为“数据”或“输入”，信息是“产生差异的差异”（a difference that makes a difference）。这才是我们期望合作者要达到的水平。
Edge鼓励那些能够在艺术、文学和科学中撷取文化素材，并以各自独有的方式将这些素材融于一体的人。我们处在一个大规模生产的文化环境当中，很多人都把自己束缚在二手的观念、思想与意见之中，甚至一些公认的文化权威也是如此。Edge由一些与众不同的人组成，他们会创造属于自己的真实，不接受虚假的或盗用的真实。Edge的社区由实干家而不是那些谈论和分析实干家的人组成。
Edge与17世纪早期的无形学院（Invisible College）十分相似。无形学院是英国皇家学会的前身，其成员包括物理学家罗伯特·玻意耳（Robert Boyle）、数学家约翰·沃利斯（John Wallis）、博物学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）等。这个学会的主旨就是通过实验调查获得知识。另一个灵感来自伯明翰月光社（The Lunar Society of Birmingham），一个新工业时代文化领袖的非正式俱乐部，詹姆斯·瓦特（James Watt）和本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）都是其成员。总之，Edge提供的是一次智识上的探险。
用小说家伊恩·麦克尤恩（Ian McEwan）的话来说：“Edge心态开放、自由散漫，并且博识有趣。它是一份好奇之中不加修饰的乐趣，是这个或生动或单调的世界的集体表达，它是一场持续的、令人兴奋的讨论。”
约翰·布罗克曼
前言
这本书作为Edge系列之一，会着重关注宇宙的问题。在官网Edge.org上，有本书21篇文章的节选，其中也包括采访、演讲文字、特邀文章等，而且很多内容都有相应的视频。
Edge囊括了很多科学家、艺术家、哲学家、技术大师和企业家，这些人都是现代社会知识、技术和科学等领域的重要人物。通过授课、研讨会、晚宴等形式，这些学者正在重新书写我们这个世界的文化体系。Edge将其汇集而成了第三种文化。
在Edge.org网站上，有访谈对话，有文化沙龙，数百万字的文档鲜活地呈现了智者、大家们过去18年来的对话。这些内容向公众完全免费公开。
以科学精神为依托，Edge发起的思想者之间的非正式对话，以第三种文化的精神进行非技术性的、没有复杂公式的、口语化的对话。我将其描述为：“在经验世界中的科学家和思想者，他们的工作和精彩的文章正在取代我们生活中的传统智慧，正在重新定义我们是谁、我们是什么。”
《宇宙》这本书问世的同时，位于南极的BICEP2射电望远镜发现了引力波，确认了宇宙暴胀理论预言的原初引力波的存在。[1]以此为契机，我们汇集了Edge网站上最优秀的思想者，他们大多是工作在科学前沿的理论物理学家和宇宙学家。他们提供了一幅基于过去30年发展的宇宙学图景。用代表人物阿兰·古斯（Alan Guth）的话来说，那是一个“黄金时代”。
宇宙学的黄金时代已经走到了它的顶峰，不只是因为南极BICEP2的发现，还包括2012年位于欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）对希格斯玻色子的发现。这一发现让宇宙的基本组成粒子有了可以理解的质量。
这本书以阿兰·古斯在2001年发表的演讲开始，他是暴胀理论之父，这样的安排显然恰到好处。一年后，在Edge举行的一次聚会上，古斯与保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）碰了面。斯坦哈特提出了与古斯的暴胀理论相竞争的循环宇宙理论。而关于引力波的新数据可能已经排除掉了这一理论。可想而知，两人思想的碰撞一定非常值得读者期待。
安德烈·林德（Andrei Linde）被誉为永恒混沌暴胀理论之父。他强调了多重宇宙的概念和人择原理。“宇宙的诸多部分可能彼此差异巨大，而我们只不过生活在自己熟悉的宇宙环境中。”
丽莎·兰道尔（Lisa Randall）和尼尔·图罗克（Neil Turok）详细地阐述了膜理论，这一理论是弦理论的二维结构。膜理论是循环宇宙理论的核心概念。
肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）仔细考虑了“可观测宇宙为何以如此纯朴的规则和秩序展开”这一神秘问题。
英国皇家天文学家马丁·里斯（Martin Rees）则推测了我们是否有可能只是超级智能计算机制造出来的模拟生命。
李·斯莫林（Lee Smolin）讨论了时间的本质。之后，他又和弦理论之父伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind），就斯莫林的宇宙自然选择理论和人择原理的功效进行了绅士般的论战。
布赖恩·格林（Brian Greene）、保罗·斯坦哈特和《爱因斯坦传》的作者沃尔特·艾萨克森（Walter Isaacson），讨论了爱因斯坦可能会如何看待21世纪的理论物理学。斯坦哈特和格林针对弦理论进行了讨论。
地中海大学的理论物理学教授卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）建议回归基础；亚利桑那州立大学的宇宙学家劳伦斯·克劳斯（Lawrence Krauss）放弃了对暗能量的痴迷；科学史学家彼得·伽里森（Peter Galison）提出了20世纪早期两位现代大师之间的分歧，即爱因斯坦和庞加莱；而诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）则享受这样的未来：“我们将在过去已经取得丰硕成果的物理学中，继续前行。”
加州大学伯克利分校的理论物理学教授拉斐尔·布索（Raphael Bousso）是乐观主义者。他说：“我认为我们已经准备好上《奥普拉脱口秀》了……我们将从中得到一些更深刻问题的答案，即关于宇宙大尺度结构是怎样的、量子引力是如何作用于宇宙学的。”
量子力学工程师赛斯·劳埃德（Seth Lloyd）解释了宇宙如何感知自身；史蒂芬·斯托加茨（Steven Strogatz）从大群萤火虫的同步闪光中看到了宇宙的暗示；牛津大学物理学家戴维·多伊奇（David Deutsch）预言，他的构造者理论最终将“提供一个描述物理学系统和物理学定律的新模型。它还会有自己的新原理，比现有的最深刻的理论，如量子理论和相对论，都更加直指本质”。
最后，数学大师贝努瓦·曼德尔布罗特（Benoit Mandelbrot）在他80岁高龄时，回顾了分形几何学的漫长职业生涯。他发现：“我的生活最近发生了一次重要转折，我意识到，我长时间以来在脚注里写的东西应该得到重视……我非常长寿，直到今天也还在不停地学习。在众多考虑之下，我认为我的工作由一个单一的总目标所引导：找到一个对粗糙度的严格谨慎的分析方法。终于，这个主题给我的生活带来了强有力的凝聚作用。”
宇宙学可能经历了它的黄金时代，但是你会发现，仍然存在大量模糊不清的状况，人们对其有怀疑也有意见不一。本书收录的21篇文章有着十足的超验精神，并且并不是为了下什么定论。在几个月（甚至几年）之前，大型强子对撞机得出了更多关于微观世界的数据，强大的高科技望远镜和卫星在继续探索着宏观世界。请保持怀疑之心！我们对宏观世界理论的讨论，还在继续。
愿这场讨论继续繁荣！
约翰·布罗克曼
01 宇宙学的黄金时代
戴维·施拉姆（David Schramm）认为，我们所处的今天，是宇宙学的黄金时代。这话说得千真万确！当下的宇宙学研究正在从一系列不靠谱的推测，转变为真正的硬科学分支，它的各种理论可以得到精确观测的检验和发展。宇宙学最有意思的领域之一，是对宇宙背景辐射的不均匀性起伏的预测，这正是我一直以来深度参与的领域。我们认为，宇宙背景辐射是宇宙大爆炸之后的热量余晖。这种辐射最显著的特征之一，是它在所有方向上均匀统一，在忽略了背景辐射中地球相对运动的影响之后，辐射的均匀性达到了十万分之一的精度。
我深度研究的理论称为宇宙暴胀理论，这一理论似乎是对宇宙均匀性的最佳解释。均匀性并不容易理解。你也许会认为，取出烤箱的比萨从热变凉的过程所体现出的物理学基本原理，就能解释宇宙的均匀性——事物倾向于达到统一的温度。实际上，通过宇宙学方程算出宇宙在任意给定的时间里膨胀得有多快，物理学家就可以计算出达到均匀性所需要的时间。
物理学家发现，为了实现整个宇宙背景辐射的均匀性，宇宙需要足够快地冷却，信息必须以100倍光速的速度传播。但是，根据现有的所有物理学理论，任何事物的运动速度都不会超越光速，因此宇宙均匀性的现象就无法得到解释了。大爆炸理论的经典版本不得不简单粗暴地假设，宇宙从一开始就是各向同性的，即完完全全的均匀。
宇宙暴胀理论是标准大爆炸理论的扩展，它进一步描述了最初驱动宇宙膨胀的原因。在大爆炸理论的经典版本中，膨胀是初始假设，也就是不需要任何解释。经典大爆炸理论算不上一个完整的大爆炸理论，它只能算是描述大爆炸结果的理论。暴胀提供了回答宇宙大爆炸结果的可能答案，目前这个回答看起来几乎是确定的正确答案。
宇宙暴胀理论利用了现代粒子物理学的结果。粒子物理学预测，高能状态存在特殊类型的物质，这些物质会导致引力转向，产生排斥力。暴胀理论认为，早期宇宙包含至少一定量的这种特殊物质。其结果是，你只需要很少一点的这种物质，就可以使排斥力剧烈增大，达到足以覆盖整个可观测宇宙的范围。
由于在暴胀模型中宇宙可以从极端微小的状态开始演化，所以宇宙暴胀理论对可观测宇宙的均匀性作出了简单、有效的解释。在早期宇宙微小的范围内，宇宙有充足的时间实现温度和密度的均匀性，这与房间中的空气会充满整个空间从而实现密度均匀的机制相同。并且，如果你将房间孤立起来，足够长的时间之后，温度也会达到一致。对于微小的早期宇宙，在暴胀模型的开始之初，宇宙的历史有足够的时间让这些机制发挥作用，最终促成宇宙达到几乎完美的均匀状态。暴胀接管和放大了这些微小区域，将其变得足够大，直到充满整个宇宙，将其均匀性与宇宙膨胀开始时保持一致。
当这一理论最初得到进一步发展时，人们开始担心我们把宇宙设想得过于均匀。宇宙最令人惊叹的特征之一就是其均匀性，但并不意味着绝对均匀。我们有星系和恒星，有星系团和各种复杂的结构，这些都需要我们对其进行进一步解释。如果宇宙开始于彻底的均匀性，它将一直保持这样的均匀，也就不会使物质聚集或是产生特殊的结构。
我相信史蒂芬·霍金是第一个回答了这个问题的人。他指出，量子效应可以拯救我们，虽然他早期的计算不够精确。真实世界不是被经典物理学描述的，尽管它很厉害，也可以给我们提供完全描述事物的决定性方程。但是真实世界，根据我们对物理学的理解，需要量子力学进行描述。这意味着，一切都是概率问题。
我们感知的“经典”世界中，每个物体都有确定的位置和运动轨迹，它们其实只是量子理论预言的不同状态的平均值而已。如果我们在这里采用这种观念，至少走对了大方向。这意味着，我们在经典方程中预言的均匀密度仅仅是量子力学密度的平均值，真实值在一个范围内波动，只是位置有所不同。量子力学的不确定性使早期宇宙的密度可以在某些地方更高一点，而在另一些地方略低一点。
这样，在暴胀结束时，我们期待，在物质几乎均匀的密度上能泛起轻微的涟漪，而且是可以实际计算的涟漪。坦白地说，我们对粒子物理学的了解还不够，还不能精确预测这些涟漪的尺度。但我们可以计算的是，这些起伏的强度依赖涟漪的波长。也就是说，所有尺度的涟漪都存在，你可以计算不同尺度的涟漪具有怎样不同的强度。你还可以讨论我们称为“频谱”（spectrum）的东西，我们利用这个词精确地描述声波。当谈论声波的频谱时，我们讨论的是不同波长的声音具有怎样不同的强度。同样的分析也适用于早期宇宙，早期宇宙不同涟漪的不同波长有着各自的强弱程度。今天我们可以在宇宙背景辐射中看到这些涟漪。
我们能看见它们，绝对算得上是现代科技的奇妙贡献。1982年当我们第一次预言这种起伏的时候，天文学家还无法注意到地球在背景辐射中运动的效应，这种效应大约占到千分之一的数量级。而我们讨论的密度起伏的涟漪，只有十万分之一的强度。也就是说，宇宙密度起伏的迹象，仅仅是我们当时能勉强观测到的强度的1%。
我一直不相信我们能真正看到这些涟漪。这要比当前的观测水平强100倍，这对天文学家来说太难以实现了。但是惊喜和光明在1992年到来了。具有7度角分辨率（angular resolution）的COBE卫星（Cosmic Background Explore，宇宙背景探测器）首次探测到了这些涟漪，当然仅仅是最长波长的涟漪，不过我们现在已经有了更好的观测。现在的角分辨率已经远远小于1度，可以非常精确地测量不同波长的涟漪强度。这可是非凡的成就！
大约一年半以前，BOOMERANG和MAXIMA实验发布了一系列独特的声明。两个探空气球实验给出了宇宙在几何上具有平坦性的强烈证据，这正是暴胀理论所预言的。在这里，平坦不是指二维平面，三维空间也可以平坦。根据广义相对论，平坦的宇宙三维空间意味着不存在曲率。利用宇宙演化所引起的涟漪，你实际上可以看到空间的曲率。不过，一年半之前也出现了困扰人们的重大分歧，没有人知道该如何处理这个问题。他们测量到的频谱图像有几个峰值。这些峰值是早期宇宙密度波的震荡，这种现象被称为共振（resonance），共振使某些特定波长的震动强度增加。测量证明了第一个峰值，恰恰就是我们期待中的位置和形状。但我们没找到第二个峰值。
为了用理论拟合数据，人们不得不假设宇宙中存在比过去认为的多了大约10倍的光子，因为额外的光子可以产生某种阻尼效果，以使第二个峰值消失。当然，所有的实验都有误差。如果实验多次重现，结果不会每次都精确一致。因此我们可以想象，第二个峰值只是因为运气不好而恰好没有被观测到。尽管如此，如果宇宙包含了其他观测已经得出的光子密度，峰值不可见的概率将下降为1%。因此预测和理论之间的分歧依然存在。
所有戏剧性的改变都发生在三四个月之前。现在第二个峰值不仅能看得见，而且高度与理论预期精确一致，一切观测现在都可以完美地被理论预测。这真是太好了！虽然我知道在这条道路上我们一定还会遇到很多困难，但我们有了一幅漂亮的图景，目前来看，它确认了早期的宇宙暴胀理论。
我们当前关于宇宙的图景面临着一些新困境，这些问题都是两三年前出现的。为了拟合数据，匹配观测，我们必须假设宇宙中存在我们过去不知道的新能量。这种新成分通常被称为暗能量。就像它的名字所暗示的那样，我们依然对它的细节所知甚少。它就像是我们之前谈论过的排斥力，是早期宇宙中驱动暴胀的元素。事实上，我们今天的宇宙依然充满了类似的物质。虽然反引力效果比早期宇宙存在过的效果微弱多了，但我们非常确定的是，今天的宇宙正在加速膨胀，这正是暗能量作用的结果。
虽然我试图对我们已经理解和掌握的知识进行宣传，但这其中仍然存在很多不确定性。比如，我们依然不清楚宇宙组分中最充足的物质的性质。暗能量占宇宙总质量（能量）的60%，我们却不了解它到底是什么。它可能是真空能本身，但我们并不知道更多细节。另外，被我们称为暗物质的部分占宇宙总质量的30%甚至40%，我们同样不了解它。暗能量产生排斥力并且平滑分布，暗物质像普通物质那样受到引力作用，它彼此吸引并且成团，但我们不知道它的构成。而我们已经认识的质子、中子、普通物质的原子和分子，只占宇宙总质量的5%。
在宇宙学领域，我们已经取得了巨大进展。但同时，我们目前掌握的理论还远远没发展到说明一切的程度。
02 循环宇宙
若你向大多数宇宙学家问及我们这一领域目前所在何处，他们会告诉你，我们身处人类历史中一段非常特殊的时期。得益于科学技术的众多进步，我们能够以前所未有的方式观察到非常遥远又非常早期的宇宙。比如，我们可以获得宇宙幼年时期的浮光掠影，那时第一批原子正在形成。我们还可以获得宇宙青春期的剪影，那时第一批恒星和行星正在孕育中。现在我们更是能够获取宇宙完整、详细的三维图像。综合上述这些在人类历史上首次获得的各种信息，你可以得到一系列关于任何宇宙演化模型的严格限制。
回顾20世纪90年代早期关于宇宙演化的各种理论，我们近10年获得的数据已将它们一一排除，只剩下一种被视为共识的模型。这一模型结合了20世纪20年代至40年代发展起来的大爆炸模型、20世纪80年代由阿兰·古斯提出的暴胀理论，以及我将简要讨论的最近一项修正。这一共识理论与我们现在对宇宙的观测结果高度一致。因此，许多宇宙学家认为，我们终于确定了宇宙的基本历史。
但我有一种颇为不同的观点，这一观点受到了两件事的启发。第一件事就是我前面提到的最近一项修正。我必须说明的是，这项修正不仅仅是一项修正，更是对我们关于时间和宇宙历史相关概念的一次颠覆。第二件事是，近年来我从事的一项将宇宙历史搞得七零八落的替代理论的研究：所有创造了宇宙重要特征的事件以不同的顺序、不同的物理学机制，在不同的时间，以不同的时间尺度发生。并且到目前为止，这一模型似乎还能高度再现共识图景的所有成功预言。
这一图景与共识图景的关键区别可以归结到时间的本质上。标准模型，或者说共识模型，假定时间有起点，也就是我们常说的大爆炸。根据此模型，由于某些我们不甚明了的原因，宇宙突然从无到有，充满物质与能量，并在过去的150亿年持续膨胀和冷却。在替代模型中，宇宙是无限的。时间是无限的，过去无始，未来无终。事实上，贯穿宇宙演化的进程，三维空间始终无限。
更具体些，这一模型提出了一个以循环形式演化的宇宙。也就是说，宇宙经历了从热到冷，从致密到稀疏，从热辐射到我们今日所见的结构，并最终成空无的演化时期。接着，一系列事件发生，循环再次开始：空无宇宙再次被注入能量，形成了一个膨胀与冷却的新时期。这一过程永恒周期性地重复。我们现在所见证的仅仅是最近的一次循环。
循环宇宙的概念并不新颖。在有记录的历史中，人们早已思考过这个想法。例如，古印度有一套详尽的基于循环宇宙概念的宇宙学。他们预言，一次循环会持续86.4亿年，这是一个具有三位有效数字精度的预言。这令人印象极为深刻，尤其是他们当时可没有量子力学，也没有弦理论！与之不同，我认为应该是数万亿年而不是数十亿年。
在西方思想中，“循环”的概念也是反复出现的主题。例如，埃德加·爱伦·坡（Edgar Allan Poe）和尼采都有各自的循环宇宙模型。在相对论宇宙学的早期，爱因斯坦、亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）、乔治·勒梅特（Georges Lemaître）和理查德·托尔曼（Richard Tolman）也曾对循环的想法抱有兴趣。循环的概念吸引了如此多人的原因显而易见：如果宇宙有起点，你就不得不解释它为什么会开始、在什么条件下开始。如果你的宇宙是循环的、永恒的，那就不必解释起始问题了。
在将循环概念带入现代宇宙学的尝试中，若干技术难题被发现于20世纪20年代和30年代。那时的想法是，三维宇宙在时间轮回中的经历始于大爆炸的膨胀时期，又反转到终结于大挤压（Big Crunch）的压缩时期。宇宙反弹，膨胀再次开始。难题之一是，每次当宇宙挤压到极限，它的密度和温度就会提升到一个无限大的值，通常的物理学定律是否适用也难以明了。
其次，每一次膨胀挤压循环都会通过自然热动力学过程创造熵，并添加到更早循环的熵。所以，每次循环开始时的熵密度都会比前一次更高。事实证明，一次循环的持续时间与熵密度息息相关。如果熵增加，持续时间也会相应增加。因此，随着时间流逝，每次循环的持续时间都会比上一次长。但问题是，反推时间，每次循环的时间会变得越来越短，直到经过一个有限的时间，持续时间缩减到零。这样，起始难题还是没能避免，只是推迟了有限的循环次数。如果我们想要再次引入循环宇宙的概念，就必须解决这两大难题。为此，我即将描述的循环宇宙模型便应用了一些新想法。
为了理解寻找替代模型的重要意义，我们要先深入了解下共识模型。不可否认的是，共识模型的某些方面非常吸引人，然而我要强调的是，共识模型还是不够简单明了。尤其是最近的观测发现迫使我们去修正它，使其变得更加复杂。因此，我先从共识模型的综述开始说起。
共识理论以大爆炸为起点：宇宙有初始。过去50年内，人们将此作为一项标准假设。但我们现在还不能用任何物理学定律来证明这一点。此外，它不得不假设宇宙的初始能量密度低于临界值。否则，宇宙将会在进入下一个演化阶段（暴胀期）前停止膨胀并再次坍缩。还有，要进入暴胀阶段，还必须存在某种能量来驱动暴胀。一般而言，这种能量被假定为暴胀场。该理论还不得不假定，在起始值低于临界密度的宇宙各部分中，以暴胀能量的形式储存着一股不可忽视的能量。这股能量最终充满宇宙并开启加速膨胀期。上述假设都可以说是合理的，但假设也仅仅是假设。将这些假设考虑在内，我们才能更好地比较共识模型与它的挑战者。
假设这些条件全部满足，暴胀能量在瞬间超越质量和辐射。暴胀期开始，宇宙急剧加速。许多奇迹似的事情因暴胀完成：宇宙变得均匀和平坦，又留下了那么一些不均匀，进而成为星系的种子。而后宇宙又在合适的条件下准备进入下一个演化阶段。根据暴胀模型，暴胀能量衰退成物质与辐射组成的高温气体。过了差不多一秒钟，第一批轻原子核由此产生。又是数万年过去，缓慢移动的物质主宰了宇宙。就在这些阶段中，第一批原子诞生，宇宙变得透明，宇宙的结构——第一批恒星、星系形成了。目前为止，一切还相对简单。
最近的发现告诉我们，我们已进入了宇宙演化的新阶段。恒星和星系形成后，奇怪的事情发生了，这些事情导致宇宙的膨胀开始再次加速。在宇宙由质量和辐射主宰，并逐渐形成结构的过去150亿年中，由于物质和辐射的自引力吸引效应与对宇宙膨胀的对抗效果，宇宙的膨胀是在减速的。直到不久前，物质和辐射还依然被认为是宇宙的主导能量形式，而减速也将永久地持续下去。
然而，最近的观测结果却并非如此：宇宙膨胀正在加速。这意味着，宇宙中的大部分能量既非物质也非辐射，而是一种超越了物质和辐射的能量。因为缺少相应的术语，我们称之为暗能量。与我们熟悉的物质与辐射不同，暗能量具备自引力排斥效应。这就是导致宇宙加速膨胀而非减速的原因。在牛顿的引力理论中，所有质量都是引力吸引的，但爱因斯坦的理论则允许引力排斥的能量存在。
我认为，无论是物理学家、宇宙学家，还是大众，都没有真正理解这一发现的意义。从整个历史的角度来看，这是一场“哥白尼”式的革命。“革命”一词可以说源自哥白尼，他改变了人类关于空间、关于人类在宇宙中位置的认知，这是哥白尼的重要贡献。通过证明地球绕太阳旋转，哥白尼引发了一连串的思考，让人们明白人类所处的地球在宇宙中并无特殊之处。而现在，关于时间的本质，我们发现了一件很奇怪的事，即我们所处的位置并无特殊，但我们所处的时间却非同寻常。在这一时间中，宇宙膨胀由减速转为加速；曾主宰宇宙的物质和辐射迅速变得无关紧要；宇宙结构由向更大尺寸形成转变为停止形成。我们刚好处在两大演化阶段转化过程之间。正如哥白尼的地球不是宇宙中心的假设引发了一连串思想“地震”，最终改变了我们关于太阳系乃至整个宇宙的概观理解一样。毫无意外，宇宙加速膨胀的发现也许会完全改变我们对于宇宙历史的看法。这正是我们考虑替代模型的一大动因。
了解了共识模型之后，让我们再将目光投向循环宇宙假设。由于它是循环式的，所以我可以从我任意选取的点开始讨论。为了更具有对比性，我将从类似“大爆炸”的点开始说起，我称其为“爆炸”。在这一点上，宇宙在一次循环中便达到了温度和密度的最高值。与大爆炸模型不同的是，在这一情境下，温度和密度并不是发散的，而是有一个有限大的极值。尽管这一温度极高，可以达到约1020开尔文，足以将原子和原子核蒸发成它们的基本组分，但还未高至无穷。不仅如此，它事实上也远低于量子引力效应占据主导地位的普朗克能标（Planck energy scale）。爆炸之后，宇宙直接进入了一个由辐射主导的阶段。由于此图景下没有标准模型所具备的暴胀理论，我们仍需解释宇宙为何是平坦而均匀的，仍需解释导致了星系形成的涨落又来自何方。与早期暴胀解释不同，在这里我将用循环宇宙中另一不同阶段来回答这些问题。
在循环宇宙模型中，宇宙直接进入辐射主导阶段并如常形成核丰度，然后直接进入物质主导阶段，原子、星系和大尺度星系皆诞生于此，紧接着的则是一个由暗物质主导的阶段。暗物质在标准模型中“入侵”，为使理论和观测相符，我们不得不把它加进来。而在循环宇宙模型中，暗物质则是将要或者说正在驱动着宇宙以循环形式演化的核心要素。暗能量主导宇宙后做的第一件事就是我们现如今看到的：加速宇宙膨胀。为什么这一点至关重要？因为尽管这种加速比暴胀导致的加速慢了100个量级，但只要时间充足，最终仍能获得与暴胀相同的结果。随着时间流逝，这种膨胀使物质和辐射变得日益稀薄，令宇宙渐趋均匀和各向同性，并最终进入真空态。
赛斯·劳埃德曾说，我们的视界内有1080～1090个比特，但如果纵观万亿年宇宙，你会发现，平均起来你的视界内没有或者不到一个比特。事实上，当计数比特时，我们应意识到宇宙在加速膨胀，计算机实际上在失去我们视界内的比特。这就是我们观测到的东西。
宇宙在变得均匀且各向同性的同时，它也在变得平坦。可以想象，如果宇宙存在任何弯曲，即使这个过程很慢，膨胀也终究会将其扯平。如果一直这样下去，就没什么好说的了。但在这一情景下，暗能量仅存在于一个有限的时期引发了一系列事件。这些事件最终导致引力能转化为新的能量和辐射，使得宇宙开始了新一轮的膨胀。从局部观察者的视角看，这正像是宇宙经历了一次循环；也就是说，看上去像是宇宙每轮清空，然后新的物质和辐射产生并引发新一轮膨胀。在此意义上，这就是一个循环宇宙。如果从能看见整个宇宙的全局观察者的角度看，就会发现，在这个理论中，我们的三维空间是永恒且无限大的。物质在各个阶段被创造后会变稀薄，不管我们看不看得到。从局部看，宇宙像是在循环；而从整体看，宇宙是在稳定地演化，熵在这种演化的时间和空间中随着循环不断增多。
