《宇宙的起源（出版书）》
作者：[英]约翰·巴罗
译者：黄静
内容简介：
全书围绕宇宙学核心议题展开，系统阐述宇宙大爆炸理论、时间起点、基本粒子构成及宇宙探测等内容，涉及静态宇宙模型、循环宇宙模型、恒稳态宇宙模型、膨胀宇宙模型等多元理论框架。
回答现代宇宙学家必须面对的终极问题，用简明扼要的文字详述宇宙诞生的奥秘，一本人人读得懂的宇宙学科普著作。所有你关心的宇宙学话题：宇宙大爆炸、时间的起点、宇宙的基本粒子、宇宙探测、新的宇宙研究视角、各类宇宙模型（宇宙的构成、静态宇宙模型、循环宇宙模型、恒稳态宇宙模型、膨胀宇宙模型）……都可以在本书中找到！
目录
献词
题词
序言 宇宙的起源
1 膨胀中的宇宙
2 设想中的多种宇宙模型
3 宇宙有起点吗
4 宇宙的暴胀和粒子物理学家
5 暴胀和COBE卫星
6 时间——一段简短的历史
7 步入迷宫
8 全新维度
献给丹尼斯和比尔，
你们是宇宙学家，是绅士，是导师，
你们理应获得更多更美好的献词！
所见者美也，
所明者甚美也，
世间所未名者，
美之大成也。
——
尼尔斯·斯廷森
（Niels Steensen，1638—1686）
序言 宇宙的起源
人类正生活在宇宙的黄金时期，距离宇宙中发生的那些激动人心的事件已经过去很久了。在繁星满天的日子里遥望天空，你会看到数以万计的星星组成一条被我们称作“银河”的玉带，横跨黑暗的天空。这是古人对宇宙的全部了解。渐渐地，随着人们发明出倍率越来越大和分辨率越来越高的望远镜，一个难以想象的浩瀚宇宙开始进入我们的视野。大量的恒星聚集在我们称为星系的光岛之中，周围围绕着的是寂静的微波海洋——这是约150亿年前宇宙大爆炸的回声。时间、空间和物质似乎起源于一次爆炸性事件，在那之后，宇宙以一种整体膨胀的状态出现，同时也在逐渐冷却，不断变得稀薄。
最开始，宇宙是一个充满辐射的“炼狱”。它的温度太高了，导致任何原子都无法在其中生存。在发生大爆炸后的最初几分钟里，宇宙的温度便冷却到足已形成最轻的元素的原子核。在仅仅几百万年之后，宇宙就已冷却到足以形成原子，简单的分子也随之出现。经过数十亿年的复杂发展，物质凝聚形成恒星和星系。而后，随着稳定的行星环境的出现，一系列复杂的生物化学复合体以我们不甚了解的过程被孕育出来。这一系列复杂的过程是如何以及为何开始的呢？关于宇宙的起源，现代宇宙学家必须解答哪些问题？
从现代科学的角度来看，古代的各种创世故事都算不上科学理论，因为它们并未试图揭示任何关于宇宙结构的新认知，它们的目的仅仅是消除人类想象中的未知恐惧。通过从创世的角度定义人类所在的位置，古人可以将世界与自身联系起来，从而消除对未知或不可知的事物的恐惧。现代科学需要达到的目标远不限于此，它必须足够深刻，才能告诉我们更多未知的宇宙信息；现代科学的知识储备必须广博到能够做出预测，以证明和解释当前的宇宙；现代科学还应该为我们指出隐藏在一系列不相关事实背后的内在连贯性和统一性。
虽然现代宇宙学家采用的方法很简单，但对外行人而言并不容易理解。这种方法就是，首先假设支配地球运转的法则，然后将其推广到整个宇宙的尺度上，直到某人发现这个法则并不适用，再对其进行调整。比较典型的例子是，宇宙中有一些地方处于极端环境中，比如拥有极高或者极低的密度和温度，尤其是在过去的某段时间里，但我们生活的地球没有这种情况。因此有时候，我们期望相关理论在这样的极端条件下仍能适用。虽然有时确实如此，但在一些情况下，我们研究的是近似真实的自然法则模型，相比于真正的自然法则，前者具有一定的限制性。因此，当我们达到这些极限时，必须尝试建立更接近真实的模型才能解释特殊的新发现。虽然许多理论能用于预测，但我们不能通过观测检验其对错。事实上，正是这些预测决定了未来天文台或者人造卫星的建造。
宇宙学家热衷于构建“宇宙模型”，他们希望通过模型对宇宙的结构和历史进行简化的数学描述，以找到主要特征。就像模型飞机重现了真实飞机的一部分但并非所有特征一样，我们不可能寄希望于一个宇宙模型就可以涵盖宇宙的每一个细节。我们的宇宙模型还比较粗略，它们将宇宙看成一个完全均匀的物质海洋，但忽略了物质凝聚成恒星和星系的过程。只有当研究者研究更具体的问题，比如恒星和星系的起源时，才会考虑这个完美均衡的模型的缺陷。不过，构建模型这一方法非常有效，因为宇宙最显著的特征就是，我们可以通过模型，用简单且理想化的方式描述宇宙中以物质的形式均匀分布的可见部分。
宇宙模型还涉及宇宙的某些性质，诸如宇宙的密度或者温度，后者的数值只能通过观测获得，而且只有一些特定观测值组合符合模型的要求。通过这种方式，我们可以检验宇宙模型和真实宇宙之间的兼容性。
我们在宇宙的各方面探索上成就斐然。除了使用卫星、航天器和望远镜，我们还可以利用显微镜、原子对撞机和加速器、计算机以及人类的思维，来扩展对整个宇宙微观环境的认识。除了外太空的世界，比如恒星、星系以及宏大的宇宙结构，我们也开始研究微观世界深处错综复杂的精妙之处。在那里，我们发现了原子核的内部结构和组成部分——作为物质的基础组成部件，虽然数量很少，结构简单，但它们的结合组成了这个纷繁的世界，而我们也不过是其中特殊的一部分。
我们的两个前沿认知——关于物质组成的微观世界和恒星及星系组成的天文世界，在当代以一种意想不到的方式结合到了一起。它们原本属于不同的研究领域，由不同的科学家通过不同的方式来解答，现在他们的研究兴趣和方法紧密地交织在一起。通过粒子探测器对基本粒子展开研究，科学家很可能揭开星系形成的奥秘，这些基本粒子的特性也可能通过观测遥远的星光得到答案。通过重建宇宙的历史、寻找宇宙“青少年时期”的遗迹，结合宏观和微观的物理世界，我们对宇宙的统一性有了更加深刻和完整的认知。
《宇宙的起源》这本书的目的是，为初学者简明扼要地解说宇宙的起源。比如，关于宇宙早期的历史，我们有什么证据？宇宙起源的最新理论是什么？我们可以通过观测检验这些理论吗？我们自身的存在与它们有什么关系？这些是我们向着时间之始行进的旅程中可能会遇到的一些问题。我还将介绍一些关于时间的本质的最新理论，比如“宇宙暴胀”和“虫洞”理论，并在此过程中解释COBE卫星（宇宙背景探索者卫星）观测的重要性以及在1992年春天，它的观测给我们带来的欣喜。
我要感谢从事宇宙学研究的同事以及合作者，他们的讨论和发现让我有机会讲述宇宙起源的故事。安东尼·奇塔姆（Anthony Cheetham）和约翰·布罗克曼（John Brockman）(1)对这本书的构想值得称赞。我还要感谢格里·莱昂斯（Gerry Lyons）和萨拉·利平科特（Sara Lippincott）的指导。我的妻子伊丽莎白也提供了大量的帮助，她让我迅速地完成了这本书的写作，而不是无限期拖延，我对她所做的一切一如既往地心怀感激。当然，我的另一些家庭成员——戴维、罗杰和路易斯对这本书就显得兴致索然了，他们最感兴趣的是夏洛克·福尔摩斯。
1 膨胀中的宇宙
“我必须对你表示感谢，”夏洛克·福尔摩斯说道，“因为你让我对这个稍显有趣的案子产生了兴趣。”
——《巴斯克维尔的猎犬》（The Hound of the Baskervilles）
宇宙是以何种方式、何种原因并从何时开始的？它到底有多大？是什么形状？由何种物质构成？这些问题是任何一个拥有好奇心的孩子都可能会提出的，同时也是数十年来现代宇宙学家上下求索的。对于畅销书作家和记者而言，宇宙学的一个吸引人之处在于，该学科最前沿的许多问题都很容易表述；而其他前沿科学领域，比如量子电子学、DNA测序、神经生理学或者数学，专家提出的问题很难用通俗易懂的语言传达给大众。
20世纪早期，哲学家和天文学家尚未对“空间是绝对固定的”这一概念提出质疑。他们认为，在这个绝对固定的舞台上，恒星、行星和其他所有天体都只是沿着各自的轨道运转。但到了20世纪20年代，这种对宇宙的简单描述开始发生改变。首先是物理学家开始探索爱因斯坦的引力理论会带来什么结果，并获得相应的启发；其次是美国天文学家埃德温·哈勃通过对遥远星系中恒星光线颜色的观测，获得重大发现。
哈勃利用了波的一个简单性质：如果波源远离接收器，接收器收到的波的频率就会下降。如果你想观测这一性质，可以在一潭静止的水里上下摆动手指，看着波峰移动到水面的另一个点，然后将手指朝远离接收点的方向移动。相比于原先移动的那个点，此时接收器接收到的波的频率就会变低，而当你的手指靠近接收点时，接收到的波的频率就会增高。所有的波都具有这种性质。这一性质在声波中的体现就是火车鸣笛或者警笛的音调变化。光也是一种波，当光源远离观察者时，光波频率降低，这意味着被观察的可见光颜色会微微变红，这种现象被称为“红移”。当光源靠近观察者时，接收频率增高，可见光的颜色则变蓝，这种现象被称为“蓝移”。
哈勃发现，星系发出的光呈现出系统性的红移现象。通过测量红移的程度，他可以确定光源后退的速度。同样，通过比较同一类恒星（内在亮度相同的恒星）的视亮度，可以推断出它们与地球的相对距离。他发现，光源距离地球越远，远离的速度就越快。这一趋势被称为“哈勃定律”，该定律用数据来说明如图1-1所示。
图1-1 “哈勃定律”数据示意图
注：这是哈勃定律的现代图解，表明星系后退速度的增加与它们同地球的距离成正比。
图1-2展示了从遥远星系接收到的光信号的例子，与实验室中相同原子发出的光相比，这些来自遥远星系的原子在光谱上向红色方向移动。
图1-2 一个遥远星系的光谱（被称为“Markarian 609”）
注：该图展示了在5 000埃米附近的3个光谱线（标记为Hβ、O和O）和6 500埃米附近的2个光谱线（标记为Hα和N）是如何系统地移动到更长的波长上的（同在实验室测量的数据相比）。实验室中光谱线的位置用标以“实验室”字样的箭头表明；测量的位置是光谱图上的峰值标记。红移现象（红光的波长大约为8 000埃米）可以帮助科学家计算出星系后退的速度。
哈勃发现的是膨胀的宇宙。在这之前，人们认为宇宙是一个恒常不变的舞台，行星和恒星在其中进行着可观察的固定运动，而哈勃发现宇宙是动态的、变化的。这是20世纪科学界的最大发现，它证实了爱因斯坦广义相对论对宇宙的预言：它不可能是静止的。因为如果星系间不相互远离，彼此之间的引力会使它们聚集在一起。所以宇宙不可能是静止不动的。
如果宇宙正处于一种膨胀的状态，那么当我们倒转历史、回顾过去时，就应该能找到证据证明宇宙起源于一种体积更小、密度更大的状态——该状态的尺寸似乎为零。这个假设后来被称为“宇宙大爆炸”。
我们在宇宙研究方面的步伐迈得有点大。对于宇宙现阶段的膨胀现象，还有许多重要方面值得探究，因此，当下我们不应该一头扎进对宇宙过去的钻研之中。首先，我们要搞清楚到底宇宙中的什么东西在扩张。在电影《安妮·霍尔》中，伍迪·艾伦靠在沙发上表达他对宇宙膨胀的焦虑：“毫无疑问，宇宙膨胀意味着布鲁克林（纽约市的一个区）正在膨胀，你我在膨胀，所有人都在膨胀。”但值得庆幸的是，他的担忧是错的。我们没有膨胀，布鲁克林没有，地球没有，太阳系也没有。事实上，银河系也并未膨胀，甚至成千上万个星系聚集在一起被我们称为“星系团”的集合也没有膨胀。这些物质的集合在化学键力和引力的作用下紧密地结合在一起，它们的相互作用比宇宙膨胀的力更大。
只有当我们站在大规模的星系的尺度上时，才会发现宇宙的膨胀力超越了局部引力。例如，与我们相邻的仙女座星系正向银河系移动，因为仙女座星系和银河系之间的引力大于宇宙的膨胀力。星系群是宇宙膨胀的标尺，膨胀的并非星系本身。我们可以用一个简单的方式进行类比，比如位于正在膨胀的气球表面的尘埃。气球不断膨胀，表面的尘埃也会散开，但每个尘埃微粒本身并不会以同样的方式膨胀。尘埃的作用就是标记气球表面被拉伸的距离。同样，我们最好将宇宙的膨胀看作星系群之间空间的扩展，如图1-3所示。
图1-3 将宇宙的膨胀看作空间的扩展
注：气球表面的点代表一个个星系。虽然星系间的空间距离增加了，但星系本身的大小并没有发生改变。这类似于一个有着二维空间表面的宇宙，此处由气球的表面表示。在膨胀的表面上，任何一个星系都能看到其他星系正在不断地远离自己。需要注意的一点是，膨胀的中心点并不在气球的表面上。
我们可能会担心所有星系都在远离地球这一事实造成的后果。但星系远离的为什么是地球呢？如果我们对科学史有一丁点儿了解，就必然知晓，哥白尼证明地球并非宇宙的中心。如果我们认为宇宙的一切都在离地球远去，实质是又把地球置于了无限宇宙的中心位置。但事实并非如此。膨胀的宇宙不像大爆炸一样在空间中存在某个起点。宇宙并非从某个固定的背景空间开始膨胀，宇宙包含了所有膨胀的空间。
请将空间想象成一片弹性薄板，任何物质在这个可延展的空间上的存在和运动都会产生凹痕和弯曲。宇宙弯曲的空间就像四维球体的三维表面，这是我们无法直观看到的。但如果将宇宙想象成一个平面，一个只有两个维度的空间，那它就近似于一个三维球体的表面。
设想这个三维的球体表面正在变大，就像图1-3中膨胀的气球一样。气球的表面是一个膨胀的二维宇宙，如果我们在上面标记两个点，当气球充气时，这些点就会相互远离。如果在气球表面标记许多点后再充气，你就会发现，无论你将自己放在气球表面何处，当气球膨胀时，除你之外的所有其他点都会离你远去。
你也会发现哈勃的膨胀定律：与那些相距较近的点相比，相距更远的点之间在以更快的速度相互远离。从这个例子中我们可以看到，虽然气球的表面代表空间，但气球膨胀的中心根本不在表面。气球的表面不存在膨胀的中心，也没有任何边缘，因此你不可能从宇宙的边缘掉下去。宇宙不会膨胀成任何东西，因为宇宙就是一切。
至此，我们会产生一个问题：宇宙的膨胀是否会无限地持续下去？如果我们将一块石头扔到空中，它会被地球的引力拉回来，扔的力量越大，传递给石头的能量就越多，它在被拉回地球之前所能达到的高度就越高。现在我们知道，如果以超过11.2千米/秒的速度发射一个物体，它就能脱离地球引力。这便是火箭的关键发射速度，太空科学家称之为脱离地球引力的“逃逸速度”。
上述观点也适用于任何被引力阻碍的爆炸或者膨胀着的物质系统。如果物质向外的动量超过了引力内拉所产生的能量，该物质便会超越逃逸速度，继续膨胀。但是，如果引力在该物质各部分间产生的力较大，则这个正在膨胀的物体最终会重回原点，就像在地球上扔石头一样。膨胀的宇宙也是如此。宇宙膨胀之初也有一个临界启动速度，如果膨胀的速度超过该值，那么宇宙中所有物质的引力将无法阻止膨胀，并且宇宙将永远膨胀下去。相反，如果膨胀速度小于临界值，膨胀将停止并发生逆转，最终收缩到尺寸为零的状态，也就是它的初始状态。
这两种情况之间存在着所谓的“英国式的折中宇宙”（British compromise universe），它膨胀的速度刚好符合临界启动速度，即保持使宇宙永远膨胀的速度最小值（见图1-4）。关于宇宙的最大谜团是，它目前正逐渐逼近这个临界值，事实上，宇宙膨胀的速度太接近临界值，使我们无法肯定宇宙现今膨胀的速度到底是在临界值的哪一边，我们也不知道未来宇宙的膨胀速度将如何变化。
图1-4 三种膨胀的宇宙
注：开放的宇宙在一定程度上是无限的，并且会永远膨胀下去；封闭的宇宙是有限的，并将收缩到“大坍缩”状态。两者间的分界是临界的宇宙，在这种情况下，宇宙无限大且永远保持膨胀的状态。
宇宙学家认为，我们非常接近这一临界值，宇宙的这种特殊现象需要得到解释。令人难以理解的是，随着宇宙的膨胀和时间的流逝，如果它不是精确地以临界启动速度开始膨胀，那么它的速度便会日渐偏离这个分水岭。这给我们带来一个巨大的难题，因为宇宙已经持续膨胀了约150亿年，但它现在的速度仍然非常接近临界值，我们无法确定它的速度落在临界值的哪一边。
经过如此漫长的时间后，宇宙膨胀的速度依然与临界启动速度难分伯仲，这就要求宇宙的初始膨胀速度与临界启动速度的差别小于1/10000……000（1后面跟36个零）。为什么？后文我会介绍，科学家对宇宙最初膨胀时刻可能发生的事件所做的研究，为这种极不可能的问题提供了一个可能的解释。但在这里，我们只要理解为什么在百亿年的膨胀之后，任何宇宙的膨胀速度都必须与这一临界值非常接近，就已经足够。
如果宇宙膨胀的起始速度比临界启动速度快得多，那么引力就永远无法将同一区域的物质岛聚集在一起形成恒星和星系，而恒星的形成是当前可见宇宙演化过程中至关重要的一步。恒星是物质的聚合，随着聚合物质的不断增多，其中心就会产生足够大的压力，引起自发的核聚变反应。这些核聚变反应在漫长而平静的岁月中将氢变成了氦，这正是太阳正在经历的阶段，但在生命的最后阶段，恒星会遇到一场核能源危机。
每颗恒星都会经历一个快速变化的爆炸时期，在这个过程中，氦被转化成碳、氮、氧、硅、磷以及所有在生物化学过程中起重要作用的元素。当恒星以超新星的形式爆发时，这些元素便散落到太空中，最终融入行星和人类体内。恒星是所有元素的来源，而这些元素也是生物化学复合体乃至生命赖以存在的基础，我们体内的每一个碳原子核都源于恒星。
因此，比临界启动速度膨胀得更快的宇宙永远无法产生恒星，从而也永远无法产生能够进化出复杂“生命体”所需的基本元素，而这些元素是人类或者硅基计算机所必需的。同样，如果宇宙膨胀的速度远低于临界启动速度，它的膨胀将会逆转为坍缩状态，恒星便没有足够的时间成形、爆发以及创造生物的组成元素，这样的宇宙便无法产生生命。
我们能够从以上分析中获得一个令人惊讶的结论：只有那些在数十上百亿年后仍然以非常接近临界启动速度膨胀的宇宙，才能产生足够多的物质，从而形成足以进化出智慧生命的复杂聚合结构（见图1-5）。我们不该惊讶宇宙膨胀的速度为何如此接近临界启动速度，因为我们不可能存在于以其他速度膨胀的宇宙中。
图1-5 宇宙膨胀会产生的各种结果
注：宇宙膨胀的速度如果远大于临界值，物质便无法聚合形成恒星和星系。因此，这样的宇宙无法产生生命。而如果宇宙膨胀的速度远小于临界值，在恒星形成之前便坍缩了。阴影区域表明了智慧生命得以进化的宇宙膨胀速度范围及时期。
在膨胀宇宙的研究及其历史的重建方面，我们的进展非常缓慢。20世纪30年代，比利时牧师兼物理学家乔治·勒梅特（Georges Lemaitre）在宇宙探索初始阶段的研究上发挥了主导作用，他的“原始原子”（primeval atom）理论是如今宇宙大爆炸模型的前身。最重要的宇宙研究进展发生在20世纪40年代末，移民美国的俄罗斯人乔治·伽莫夫（George Gamow）带着手下两名年轻的研究生拉尔夫·阿尔夫（Ralph Alpher）和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman），开始认真思考如何运用已知的物理学知识阐释膨胀宇宙的初期状态。
阿尔夫和赫尔曼意识到一个关键点：如果宇宙在很久以前是从一个炽热且稠密的状态开始的，那么这个爆炸性的起点应该还残留有一些辐射。更具体地说，在宇宙刚诞生的几分钟，它应该已经处于极度炽热的状态，热到足以让核聚变反应在任何地方发生。这些重要的猜想后来被更加详尽的预测和观察证实。
1948年，阿尔夫和赫尔曼预测到，宇宙大爆炸后的辐射残余随着宇宙的膨胀在冷却，此前应该保持在比绝对零度(2)高5开尔文。然而，他们的预测却被湮没在物理文献中。15年后，其他几位科学家开始思考炽热的膨胀宇宙的起源，但没人看过阿尔夫和赫尔曼的相关论文，因为当时的通信并不像如今这么发达。
20世纪50年代和60年代早期，在大多数物理学家眼中，重建宇宙早期历史的细节并不是一件非常严肃的科学活动。但到了1965年，形势发生了改变。阿尔夫和赫尔曼的宇宙辐射场被阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）偶然发现。这种辐射场表现为微波噪声以相同频率从太空的四面八方传来。他俩是新泽西州贝尔实验室的无线电工程师，当时正负责校准一条灵敏的无线电天线以跟踪第一个“回声号”（Echo）卫星。
与此同时，在几千米外的普林斯顿大学，由物理学家罗伯特·迪克（Robert Dicke）领导的小组重新独立地计算出了阿尔夫和赫尔曼在很久以前得出的结果，并开始着手设计用于搜寻宇宙大爆炸遗留辐射的探测器。他们听说贝尔实验室的接收器总是接收到无法解释的微波噪声，便很快认定这就是他们正在寻找的大爆炸残余辐射。如果该微波的源头确实是热辐射，则温度为2.7开尔文，这与阿尔夫和赫尔曼的估值非常接近。这种热辐射被称为“宇宙微波背景辐射”（cosmic microwave background radiation）。
宇宙微波背景辐射的发现标志着宇宙大爆炸模型研究的正式开始。渐渐地，其他观测结果进一步揭示了宇宙微波背景辐射的特性。它在每个方向上的强度基本保持一致，上下浮动不超过千分之一。大家在不同频率上测量宇宙微波背景辐射的强度时，发现其强度呈现出典型的随频率变化而变化的特征，而这正是纯热（pure heat）的特征。人们称这种辐射为黑体辐射。可惜的是，地球大气层中分子对辐射的吸收和发散，让天文学家无法确认辐射在整个光谱上是否均为热辐射。
然而，学界仍然怀疑，宇宙微波背景辐射并非产生于宇宙大爆炸，而是源于大爆炸过后很久才发生的某个剧烈事件。而这些疑问只能通过观测地球大气层以外的辐射才能解答。1989年，美国国家航空航天局（NASA）发射的COBE卫星取得了首个成就——从太空中测量到了宇宙微波背景辐射的完整辐射谱。这种辐射拥有自然界可见的最完美的黑体光谱，同时它也证明，宇宙曾经的温度比现今高千百摄氏度（见图1-6）。因为只有在这样极端的条件下，宇宙中的辐射才能以如此高的精确度符合黑体辐射的标准。
图1-6 宇宙微波背景辐射强度的变化
注：COBE卫星位于地球大气层上方，上图是它观测到的宇宙微波背景辐射强度的变化及其频率。观测结果（图中的小圈）完美地符合源于纯热辐射做出的预测（图中曲线），并且其温度也为2.73开尔文。
另一项重要实验同样证明了宇宙微波背景辐射并非起源于宇宙近期的某个事件，该实验在执行高空飞行任务的U2飞机上实施。U2飞机原本只用作战略侦察机，体型小巧但拥有巨大的翼展，这些特性让其成为非常稳定的观测平台。这次实验与以往向下的观察方向不同，科学家通过观察天际发现，天空中的辐射强度在各个方向上有微小但系统性的变化，正如之前的预测所言。如果辐射在遥远的过去就已经产生，就会出现这种变化。
如果宇宙微波背景辐射在宇宙早期就已经出现，并且形成了一个均匀膨胀的海洋，那就意味着我们会穿过它。地球作为一个整体，绕着太阳运转，而太阳绕着银河系运转；同样，银河系绕着它的邻居运转，这样的例子不胜枚举。这些运动意味着我们正朝着某个方向穿过宇宙微波背景辐射（见图1-7）。当我们顺着这个方向观测时，辐射强度将达到最大值，而在反向180度的方向上，辐射强度值最低，并且在两个极值之间根据角度的不同呈现出典型的余弦变化（见图1-8）。这种现象就好比在暴风雨中奔跑一样，你的前胸最湿，而最干燥的部位是背部。雨就是我们谈论的微波，它对着我们运动的方向横扫过来。
图1-7 各个方向上的辐射强度
注：我们穿过大爆炸产生的具有各向同性的宇宙微波海洋。我们测量了相同运动方向上宇宙微波背景辐射的最大强度，也测量了相反运动方向上宇宙微波背景辐射的最小强度，两个极值之间存在稳定的余弦变化。
图1-8 宇宙微波背景辐射呈现出的余弦变化
注：“星空中伟大的余弦”显示了宇宙微波背景辐射在毫开尔文下的实际温差，当观测的角度改变时，辐射强度会随着变化从最大值转变为最小值。温差线显示了每个温度测量的精确度。
随后，几个不同的实验同样证实了后来被我们称作“星空中伟大的余弦”（The Great Cosine in the Sky）的发现。相对于宇宙的微波海洋而言，我们和所居住的星系群在不断移动。因此，辐射不可能产生于星系的内部，因为如果真是这样的话，辐射会随着我们的运动而运动，我们就将无法观察到其强度的余弦变化。
我们正在穿越始于大爆炸的宇宙微波背景辐射是影响辐射强度变化的一个因素，但并非导致其强度在不同方向呈现微小变化的唯一因素。如果宇宙在不同方向上以略微不同的速度膨胀，那么辐射的强度将会在扩张速度较快的方向上减弱（温度变低）。不仅如此，在某些方向上，物质的聚合会变多，而在另外一些方向上，物质难以聚合。物质密度在不同方向的区别同样也会改变来自这些角度的辐射强度。寻找这些变化则成为COBE卫星的使命。1992年，它们的发现震惊了全世界。
我们审视这些来自星空不同方向上的辐射强度值时，发现了一些关于宇宙结构的惊人事实。宇宙在每个方向上都在以几乎相同的速度膨胀，误差不高于千分之一。我们称这种膨胀特点为各向同性，也就是说，宇宙膨胀的速度在每个方向上都是一样的。如果一个人可以从某个所谓的“宇宙展览馆”中随机挑选可能出现的宇宙，那么能选出来的宇宙种类肯定不计其数，而且和当前的宇宙也各不相同。有些宇宙可能在某些方向上的膨胀速度比较快，有的宇宙或许在高速旋转，甚至有的宇宙在某些方向上收缩、在其他方向上膨胀。然而，我们的宇宙是如此特别：它似乎处于一种不可思议的有序状态，在这种状态下，它的膨胀速度在各个方向上都保持着惊人的一致性。这就好比你发现孩子们的卧室都保持着非常整洁的状态一样，这种情况出现的可能性是极低的。这时候，你会思考是否有什么外部因素促使了这一变化。同样，我们必须对宇宙膨胀呈现出的显著的各向同性给出一个合理的解释。
宇宙学家一直认为，宇宙膨胀的各向同性是一个巨大的谜团，必须对此做出解释，而科学家所采取的方法阐明了这个学科的思维方式。第一种解释认为，宇宙在膨胀之初就具有各向同性，而现在的状态只是它特殊起始状态的体现。这便是所谓的“天行有常”。
然而，从实际角度出发，这种解释并不是很有帮助。因为它没有解释任何东西，它的作用就好比用牙仙哄小孩一般(3)。当然，这个解释有可能是真的，但如果事实真是如此，那我们便希望能够找到一些更深层次的“原理”，以重现宇宙初始阶段各向同性膨胀时的状态。这种“原理”也许可以在其他更适合的地方显现。这种解释的缺点是将阐释宇宙目前状态的希望完全寄托在（对我们而言）未知的（也许是不可知的）初始状态上。
第二种解释认为，将目前的状态看作宇宙中某些物理过程的结果，而这个过程还在继续。因此，我们也许可以将宇宙的初始状态放在一边，无论它最初是多么不规则，但经过数十亿年的岁月洗礼，这些不规则的部分全被磨平，只留下了各向同性的膨胀状态。这种解释的优点是引出了可能的研究主题，例如，宇宙的这种演化过程是否可以消除膨胀的非一致性？达到这种一致性需要花费多长时间？到目前为止，这些过程是否能够消除宇宙膨胀中所有的不规则情况，又或者只能消除其中的一小部分？
第二种解释让我们确信，无论宇宙以何种方式开始，在它的早期阶段，都不可避免地出现了一些演化过程，确保宇宙在历经150亿年的膨胀之后，刚好呈现出如今我们所观察到的模样。
尽管第二种解释听起来很有吸引力，但它也有缺点。如果我们成功地证明宇宙当前状态的由来与其初始状态毫无关联，那么我们对其结构的观察将对宇宙初始状态的探索毫无帮助。
2 设想中的多种宇宙模型
旁人皆为专才，唯有他是全知全能。
——《布鲁斯-帕廷顿计划》（The Bruce-Partington Plans）
当阿尔伯特·爱因斯坦于1915年提出广义相对论时，并没有多少人相信宇宙是由巨大的恒星聚集，也就是我们所知的星系构成。当时的人们普遍认为，这些地球外的光源或者星云位于银河系中。天文学家或哲学家也都一致认为充满繁星的宇宙是静态的。
正是在这种认知背景下，爱因斯坦提出了引力新理论，包含且取代了牛顿的经典力学体系。与牛顿对引力的经典描述不同，即使宇宙在一定程度上是无限的，引力也具有描述整个宇宙的非凡能力。人们目前只找出了爱因斯坦方程式的最简单的解。但幸运的是，这个简单的答案已经很好地描述了我们所观察到的宇宙。
当爱因斯坦开始探索新方程式所揭示的宇宙时，他采用了科学家通常使用的方法——对所需解答的问题进行简化。真正的宇宙是一种复杂度远超于我们想象的存在。对我们而言，它就是一头极度复杂的“野兽”，难以应付。也正是因为如此，爱因斯坦对其进行了简化。他假设，宇宙中的物质在任何地方都是均匀分布的，也就是说，他忽略了不同区域的密度变化。他还假设，宇宙在各个方向上都保持一致。我们现在知道，这些假设都是对宇宙状态的极好诠释，宇宙学家今天仍然会在推导宇宙的整体演化情况时采用这种假设。
然而，爱因斯坦的极度苦恼也随之而来，因为他发现自己所推导的方程式要求宇宙必须随着时间的流逝不断膨胀或者收缩。这并不难理解，牛顿对万有引力的描述也符合该要求。如果你把一团尘埃粒子放入太空，由于相互之间的吸引力，粒子团会逐渐收缩，唯一能阻止这种情况发生的是某种爆炸，这样才能将粒子分开。宇宙无法保持静止的状态，除非有另外一种力量介入来对抗引力，在没有相反作用力的情况下，静态分布的恒星以及星系间的引力会使它们收缩。
爱因斯坦对自己的广义相对论推导出来的预测深感困惑。显然，他缺乏说出宇宙并非处于静止状态的自信。在当时，膨胀的宇宙是一种非常奇怪的概念。相反，他开始寻找方法来合理地修改自己的新理论，以阻止宇宙出现膨胀或者收缩的可能性。他发现，可以在数学中引入某个项来代表某种斥力，这种力与作用于物质的引力刚好相反。如果将这个他称为“宇宙常数”的项放入广义相对论中，便可以建立他想要的模型，其中，斥力正好抵消了引力。这就是我们所熟知的爱因斯坦静态宇宙（Einstein static universe）模型（见图2-1）。
图2-1 爱因斯坦静态宇宙模型
注：静态宇宙的大小不会随时间改变，它没有起点也没有终点。
1922年，来自圣彼得堡的年轻数学家兼大气物理学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）对爱因斯坦的计算进行了研究，并发现这位大师的计算存在重大疏漏。静态宇宙虽然是修正方程式的一个解，但并非唯一的解。实际上，其他的解所描述的宇宙都是膨胀的，这也是最初广义相对论方程式预测的结果。爱因斯坦的反引力项无法阻止真实宇宙的膨胀。弗里德曼发现了所有符合广义相对论方程式的膨胀宇宙，并将研究结果转交给了爱因斯坦。
起初，爱因斯坦只是认为，弗里德曼犯了简单的计算错误，但很快，他就被弗里德曼的同事说服了。这位同事发现，包含宇宙常数的方程式推导出来的是一个不真实的静态宇宙：如果爱因斯坦的静态宇宙在最微小的程度上发生改变，就会开始膨胀或者收缩。这个宇宙的版本就如同使一根针在针尖上保持平衡，太过于脆弱。
许多年之后，爱因斯坦将自己对宇宙常数的坚持称为“一生中最大的错误”。宇宙常数的引入让他错过了一个震动世界的机会，即预测出宇宙正在膨胀。这一失误让光环落到了弗里德曼的头上。但可惜的是，弗里德曼没有活着看到他的预言得到实证。7年后，埃德温·哈勃的观测最终让全世界的人们相信宇宙是膨胀的。弗里德曼为了气象研究进行了许多危险的高海拔热气球飞行，曾一度保持热气球高空飞行的世界纪录。1925年，他死于高海拔飞行后遗症。他的早逝对科学界而言是巨大的损失。去世时，他只有37岁。
尽管爱因斯坦继承了传统的静态宇宙观，但这并不意味着他的前辈否认宇宙状态可能发生变化的可能性。尽管之前未曾有宇宙膨胀或者收缩的概念，但有很多人猜测宇宙可能正在逐渐变成一个无序且不适宜居住的状态。这种想法源于人们对热量作为能量来源的研究。工业革命为科学和工程带来巨大进步，其中最重要的是人们对机器和蒸汽机的设计和理解，这些发展衍生出了热能作为能量形式的研究。大家都知道，能源是一种守恒的“商品”，它既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式变为另一种形式。
然而，事情并非这么简单。某些形式的能量比其他形式的更有用，衡量效用的方法是衡量能量存在形式的有序程度：无序程度越高，效用越小。这种被称为“熵”的混乱状态似乎在自然过程中不断增大。在某种程度上，这并没有什么神秘之处。比如，你的桌面和孩子的卧室会从一种有序状态变为一种无序状态，这种过程不可逆。有很多方式可以让事情从有序走向无序，而非相反，我们从实践经验中完全可以确定这一点。这个想法也被写入了著名的热力学第二定律，该定律表明，一个封闭系统的熵不会减小。
对蒸汽驱动引擎的痴迷让鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）(4)以及其他一些科学家将宇宙本身看作一个符合热力学定律的系统。这预示了多少有点令人沮丧的宇宙前景：宇宙中的一切似乎都在朝着无趣、无结构的状态前进，所有有序的能量形式最终都将被瓦解。为了将这些想法形成逻辑，克劳修斯引入了宇宙“热寂”（heat death）的概念。他预言，在未来，“宇宙将处于一种永恒的死寂状态”，因为熵会不断增大，直至它可能达到的最大值。此后，宇宙将再无任何变化。宇宙将会停在熵值最大的状态——一个毫无特点的辐射海洋，到处都一样，再没有像恒星、行星或者生命这样的有序的东西，只有热辐射变得越来越冷，直到宇宙达到终极平衡。
另一些人则开始研究这个想法能否推演出宇宙遥远过去的状态。该想法暗示着宇宙一定有一个起点，一个具有最高秩序的状态。1873年，具有影响力的英国科学哲学家威廉·杰文斯（William Jevons）声称：
我们无法无限地追溯宇宙的热量历史。对于一个特定的（即过去的时间）负数，公式得出了一个不可能的值。已知的自然规律表明，一些初始热量的分布无法从之前的分布中产生。现在，热力学（theory of heat）让我们陷入了进退两难的境地，要么相信宇宙始于过去的某个特定日期，要么赞成自然法则的运作发生了一些我们无法解释的变化。
引人注意的是，这一论证的提出比宇宙膨胀概念的提出早50年。20世纪30年代，爱因斯坦的引力理论推导出宇宙是膨胀的，这一点被哈勃望远镜证实了。在这样的背景下，英国天文学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）重申了这一观点。他写道：
倒转时间，我们会发现世界上有许许多多的结构。如果我们停留在宇宙早期阶段，就会回到物质和能量可能存在最大结构的时代。再往前追溯是不可能的。因为我们将到达时空的另一端——一个我们称为“起点”的地方。我能够接受现阶段的科学理论对未来的预测，也就是宇宙将变为热寂状态。也许这是数十亿年之后的事，但沙漏中的沙子终将耗尽，我们无法逆转。我没有对这个结论本能地产生退缩心理……奇怪的是，与宗教的渴求相反，人们总是将物理宇宙终将终结的看法视作一种悲观的观点。
20世纪30年代，爱丁顿和他的挚友天文学家詹姆斯·琼斯（James Jeans）所著的读物得到普及，越来越多人知道了宇宙热寂理论。宇宙膨胀理论和克劳修斯的热寂理论相结合，加剧了人们对“宇宙中的物质将退化为无结构的热辐射状态”这一观念的恐慌。这种观点给世人带来了悲观的情绪，并且渗透进当时许多神学和哲学的著作里，甚至出现在像多萝西·L.赛耶斯（Dorothy L. Sayers）这样的当代小说家的作品中。这种观点意味着，无论在地球上，还是在宇宙其他地方，生命的灭绝都将不可避免；同时也证实，世界末日就算离我们还很遥远，也终将会到来。
有趣的是，尽管当时没有人注意到，但杰文斯和其他人关于宇宙“起点”的观点并不完全正确。尽管热力学第二定律要求宇宙的熵在我们追溯过去时变小，但这并不意味着在经过有限的时间后，它会达到零的状态，如图2-2所示。熵可以随着时间的推移呈指数级增长，也可以无限接近于零，但不会真正达到零，如图2-3所示。
图2-2 熵随时间的变化而变化的趋势
注：上图显示的是熵从某个阶段开始的一段增量。如图可见，当时间倒回过去的某个点时，熵为零。
