图8-1 超弦宇宙的膨胀类型
注：在构想的超弦宇宙中，空间的各个维度随时间的变化产生不同的膨胀。在宇宙刚诞生的时刻，所有维度都以同样的速度膨胀，但在普朗克时间，即10-43秒之后，只有三维继续膨胀，最终成为当前的可见宇宙，大小至少是3×1027厘米，这些三维构成了可见宇宙的整个空间。其余的几个维度则被困住，大小保持不变。我们发现不了这些空间，因为它们的大小只有10-33厘米。到目前为止，还没有任何观测证据能够证明这些维度的存在。
六维空间为何出现这种困境仍然是一个有待解决的问题。如果真是这样，会给早期宇宙的研究增添许多困难。也许宇宙中存在某种隐藏至深的自然法则，要求三维空间不断膨胀至极大，就像当前可见宇宙的大小。又或者，膨胀空间的维度数是以相当随机的方式确定的，甚至维度数可能在宇宙的不同区域都有所不同。
空间的维度数与宇宙中可能发生的事情有着密切联系。值得我们注意的是，三维空间的宇宙非常特殊。如果维度数在三个以上，稳定的原子就不可能存在，也就不可能有围绕恒星稳定运行的行星轨道。波在三维空间中以一种独特的方式运动，如果空间的维度数是偶数，比如二维、四维或者六维，那么波信号就会产生混响，也就是说，在不同时间发出的波信号可以同时到达某处。而在奇数的维度空间中，这种情况就不会发生，因为波信号是无混响的。然而，在除了数量为三的所有奇数维度中，波信号都会失真。只有在三维空间中，波才能以一种尖锐、不失真的方式传播。基于这些原因，智慧生命似乎只能存在于大型的三维宇宙中，因为在其他维度的大型结构里，连接任意结构（如原子）的电磁力和强相互作用力不复存在。
如果因为某种深刻的自然法则才出现三维空间，那么我们非常幸运。如果宇宙的维度数只是时间开始时附近事件的随机结果，或者在可见宇宙视界之外的地方随着地点的变化而变化，那么这种情况就更像由虫洞波动决定的自然常数。我们能确定找到三维空间的概率无论有多小，它最终都存在。因为我们观测的正是三维的大型宇宙空间，不过也没有其他宇宙能让我们完成这样的进化。
前沿宇宙学和高能物理学正在探索新的数学理论分支，并且已经勾画出当代宇宙学的一个总体特征：它并不完全符合科学的传统定义。像卡尔·波普尔（Karl Popper）这样的科学哲学家强调，如果某个看法具备意义或者可以被称作“科学”，就必须能够以某种方式进行验证。在以实验室为基础的科学中，这不会产生什么问题。原则上，一个人几乎可以开展他所选择的任何实验，尽管在实践中，他可能会受到经济、法律或者道德方面的限制。
在天文学中，情况大不相同。我们没有在宇宙中进行实验的自由。我们虽然可以用多种方式进行观测，但不能直接在宇宙中开展实验，只能寻找事物之间的关联。比如，当我们观察星系时，会注意到是否所有体量大的星系都非常明亮，螺旋形的星系是否含有最多的气体和尘埃，等等。在宇宙学里，情况也不同于陆地科学，因为我们对宇宙的观测偏见不能仅通过在不同条件下开展重复的实验就能得到纠正。
科学家已经解释了为什么我们必须生活在宇宙膨胀开始的数十亿年后以及为什么我们只能看到整个宇宙的（可能是无限的）一小部分。我们还提到，宇宙性质因地而异的一个结果是，智慧生命只能在特定的区域完成进化。宇宙学是一项研究，在这项研究中，可用的数据总是达不到期望，而且已收集的一些数据往往具有片面性。明亮的星系比暗淡的星系更容易被观测到，可见光比X射线更容易被探测到。若想成为一名优秀的天文学家，关键在于理解数据收集过程中的哪些方面可能给观测结果带来偏差。
由于宇宙学的这些特点，关于宇宙起源的研究越来越受欢迎。我们在前文介绍了两种观点的对比，一种观点试图用宇宙形成时的样子来解释当前可见宇宙的结构；另一种观点则试图表明，无论宇宙在过去是如何形成的，目前的结构都是已经发生的物理过程的必然结果。宇宙暴胀理论是第二种观点的最充分展现。该理论认为，无论宇宙当初以何种方式开始，总是存在一个足够小的区域，可以通过物质和辐射之间的相互作用保持平稳，而这个区域可能经历了一段加速膨胀的时期。
这样的结果便是，形成一个与当前的可见宇宙极其相似的宇宙——古老、庞大、没有磁单极子，而且膨胀的速度十分接近所谓的临界点，即将“开放”的宇宙与“封闭”的宇宙分隔开来的膨胀速度分界线。但是近几年来，人们开始关注第一种观点。科学家已经开始研究是否存在相应的自然法则在宇宙的诞生阶段就决定了其初始状态。实际上，科学家需要的是一种新的自然法则，不是支配世界从上一分钟到下一分钟状态变化的法则，而是一种支配初始条件本身的法则。
类似的有趣理论还有詹姆斯·哈特尔和斯蒂芬·霍金提出的无边界条件。该理论对初始状态有着不同的规定，这些不同将产生完全不同的结论。亚历克斯·维兰金提出的理论见图6-7。我们也可以想象在另一种意义上看起来顺理成章的宇宙初始状态，即一个完全随机的状态。
罗杰·彭罗斯也提出了一种理论。
有一种可以测量宇宙引力场的无序程度的方法，那就是一种符合热力学第二定律的普遍“引力熵”。事实上这样的熵很有可能存在。霍金已经证明黑洞的引力场具有热力学性质，但黑洞没有像当前的可见宇宙一样随着时间的流逝而膨胀，我们也尚不知晓到底是什么决定了膨胀宇宙的引力熵。
对于黑洞的引力熵问题来说，答案很简单：黑洞边界的表面积决定了它的引力熵。彭罗斯和其他人提出，对宇宙的规律性及其面积的某种测量可以得出它的引力熵。如果膨胀速率在每个方向以及每个地方的大小都一样，引力熵就会很小。如果膨胀速率在不同地方以及不同方向上都是混乱不同的，引力熵就会变得很大。
无论引力熵的确切指标是什么，我们可以确定，如果它随着时间的推移而增加，那么在宇宙的初始状态，引力熵的值应该是非常低的，甚至为零。如果我们能准确地判定引力熵由宇宙的哪方面性质决定，就能推断出它在宇宙诞生阶段保持极低数值所带来的影响。到目前为止，我们还没有能力做到这一点。
所有关于宇宙起源的理论都无法解决宇宙学的终极问题。这些理论都是高度投机、基于某些观点之上的想法。然而，任何试图从理论上解释当前可见宇宙结构的尝试，都附带着一个重要条件。
回想一下，我们已经将宇宙这个整体与其有限的部分区分开来。自宇宙诞生以来，光传播到地球的距离，就是我们所说的可见宇宙。可见宇宙的大小是有限的。当我们说想解释宇宙的结构时，实际表达的意思是想解释宇宙可见部分的结构。然而，宇宙的范围可能是有限的，也可能是无限的，我们永远不会知道。如果它拥有无限的范围，那么可见宇宙只是整个宇宙中一个无穷小的部分。
可见宇宙是从宇宙初始状态的一个点开始，以光速膨胀而来的。宇宙中所有得到观测的部分均由那个点的初始条件决定，而不是由整个初始状态的平均条件决定，而整个初始状态本身又由控制初始条件的一些“法则”决定。
这些局限性又对决定宇宙初始状态的终极法则的效用提出了疑问。在我们设想的宇宙膨胀图景中，可见部分从初始状态的某个点或者某个极小区域开始膨胀，如图8-2所示。
图8-2 可见宇宙始于某个点
一方面，当前可见宇宙的结构由初始状态中的某个微小区域扩展而来。另一方面，我们所说的宏大原理（grand principle）对整个宇宙的初始状态进行了笼统的解释。这个解释也许是正确的，但它并非是我们理解可见宇宙所需要的。我们需要知道的是，在最初形成可见宇宙的微小区域中，存在怎样的局部特定状态。这一区域可能在某种程度上并不具备典型性，因为它最终扩张成了一个能够进化出智慧生命的宇宙。
我们已经看到，智慧生命的进化要求所在的区域拥有许多非同寻常的特性。宇宙可能是在最小引力熵的状态下诞生的，但这还不大可能用于解释当前可见宇宙的结构，因为可见宇宙很可能产生于异常波动的膨胀，而非最小熵条件下规定的平均状态。除此之外，我们对宇宙的经验知识局限于可见区域，这意味着我们永远无法对宇宙的整个初始状态进行验证，因为我们只能看到初始状态内一小部分区域的演化结果。也许有一天，我们能够揭示可见宇宙邻居的起源，但永远无法得知整个宇宙的起源。宇宙最深的秘密将永远埋藏在宇宙的最深处。
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(2)绝对零度是热力学的最低温度，单位是开尔文。绝对零度，也就是0开尔文约等于零下273.15摄氏度。——编者注
(3)牙仙是欧美等西方国家传说中的精灵。传说中，小孩子脱掉乳齿后，将乳齿放在枕头底下，夜晚时牙仙就会取走，换成一个金币，象征小孩将来会换上恒齿，成为一个大人。——编者注
(4) 1850年热力学第二定律的发现者以及“熵”这个术语的首创者。
(5)宇宙丰度是描述天体性质的一种重要物理量。丰度是指一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体总重量的相对份额。——编者注
(6) 2000年，美国费米实验室发现了第三种中微子——τ中微子。——编者注
(7)米考伯是《大卫·科波菲尔》中的人物，他性格乐观又爱慕虚荣、喜好挥霍，负债累累，还因此而入过狱。但他也有善良正直的一面，因勇敢地跟黑恶势力斗争，揭露他们的阴谋，使获救者免于受害，为了感谢他，获救者资助了他一大笔钱帮他在事业上取得了成功。——编者注
(8) 2008年10月正式更名为“SLAC国家加速器实验室”。——编者注
(9)比如宇宙射线、放射性衰变以及其他地球事件的信号，这些信号将淹没我们的探测器。
(10)为了将其可视化，请将空间想象成只有两个维度而不是平时所熟知的三维空间。
