无中生有的宇宙（上）
书名：无中生有的宇宙
作者：［加］劳伦斯·克劳斯
译者：王岚
本书献给
托马斯、帕蒂、南希和罗宾，
感谢你们的扶助，激励我“无中生有”创作此书。
1897年，在这里，什么都没有发生。
——科罗拉多州伍迪克里克小旅馆墙壁上的牌匾
序言
宇宙能否“无中生有”
自从本书英文精装版首次出版以来，一些评论家曾本能地抵触宇宙是“无中生有”的这一看点，不过现在，他们的抵触情绪已经被一个支持这一看点的重大科学发现所削弱——希格斯玻色子的发现促使人们重新理解那些看似空无的空间与我们的存在之间的关系。我想在这一版的序言中详尽阐述希格斯玻色子，并回应那些评论家对本书的抵触情绪。
当我将“Why There is Someting Rather than Nothing”（宇宙本无物，何处惹尘埃）作为本书副标题的时候，我是想将现代科学的伟大发现和一个在超过2 000年的时间里让神学家、哲学家、自然哲学家以及广大公众着迷的问题联系起来。但我当时完全没有意识到，我所抉择的措辞可能会引发怎样的争议，就如同不论谁公开说“进化”是一种理论的时候所引发的争议一样。
人们通常所说的“理论”一词的意思与其在科学领域意义是截然不同的。“空无”这个词也一样，对有些人来说这是个敏锐话题，是他们不情愿提及的。所以，即使只是像使用“上帝”这个词一样使用这个词，也可能被他们视为一种对立，以至于使他们对更重要的问题视而不见。使用“为什么”这个词，也会产生类似的效果。而将“为什么”和“空无”两个词结合起来就会产生爆炸性的效果。
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在本书的第9章中，我会详尽论述一个事实，我想在这里先介绍一下。在科学领域，每当有人问“为什么”时，他实际上想问的是“怎么会这样”。“为什么”在科学领域并不是一个有效的问题，因为它通常意味着因果，而且有孩子的人都知道的，一个人可以永远不停地问“为什么”，无论之前问题的答案是什么。最终，能结束对话的唯一方法似乎只能是说“它就该如此”。
随着科学的发展，问题本身的含义也会改变，特别是“为什么”这一类的问题。这里举一个科学发展早期的例子，其中阐明的许多问题和我在本书中所论述的较为近期的问题有异曲同工之处。
闻名的天文学家开普勒在1595年声称自己顿悟了一个非常重要的问题：“为什么会有6颗行星？”他坚信，答案就在5种柏拉图立体中。柏拉图立体是当时几何学中的神圣之物。这些立体的表面可以由规则的多边形如三角形、正方形等组成，并且可以外接出尺寸随着立体的面数增加而增大的球。他推断，假如用这些球将6颗已知行星的轨道分别开来，也许它们与太阳的相对距离以及只有6颗行星这一事实将足以显示上帝这位数学家的意志（几何学是神圣的这一想法可以追溯到毕达哥拉斯）。在1595年时，“为什么会有6颗行星”是一个非常有意义的问题，因为它显示了宇宙的因果。
然而，对现在的我们来说这个问题是没有意义的。首先，我们知道太阳系的行星不是只有6颗，而是有9颗。(1)对我而言，冥王星将永远是太阳系的一颗大行星，因为我喜欢通过这样的坚持来惹恼我的朋友尼尔·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）。而且我女儿四年级的科学项目是以冥王星为主题的，我不期看这个项目白费无功！更重要的是，我们还知道太阳系并不是独一无二的，这是开普勒与和他同时代的人所不知道的。如今，人们已经陆续发现了围绕着其他恒星旋转的2 000多颗行星，最有趣的是，它们是通过一颗名为开普勒的卫星发现的！
所以，更重要的问题不是“为什么”，而是“我们的太阳系怎么会有9颗行星（或8颗行星，取决于你怎么计算）？”显然，宇宙中有着许多类似太阳系的存在，它们的特性各不相同，我们真正想知道的是太阳系在一众“太阳系”中有多么典型。太阳系有4颗最靠近太阳的岩石行星，并在更外侧围绕着一些更大尺寸的气态巨行星，这具体是在怎样的条件下形成的？这个问题的答案也许还能显示在宇宙其他地方找到生命的可能性。
最重要的是，我们已经意识到6、8或9并没有任何深刻的含义，它们并不代表某种神性的因果或者设计……没有证据表明宇宙中的行星分布具有这种“因果”。不仅“为什么”这一问题变为“怎么会这样”的问题，而且“为什么”这个问题本身已不再具有任何可证实的含义。
同样，当我们问“为什么有物而不是空无”的时候，我们真正的意思是“怎么会有物而不是空无”，这导致我抉择的措辞再次引发争议。有许多事实似乎是大自然所发明的“奇迹”，所以显得如此“不证自明”，以致许多人舍弃阐明我们如何出现，而将它完全回因于上帝。但是我真正关怀的问题，是科学可以解决的问题，是宇宙中所有的“物”是怎样从“无”的状态演变而来，你也可以将其理解为无形如何产生了有形。这是一件惊世骇俗的事。它打破了我们对世界的认知，特别是有悖于各种形式的能量（包括质量）都是守恒的这一事实。常识告诉我们，“空无”从“无物”这个角度上说，总能量应该为零。那么，可看测宇宙中的约4 000亿个星系又从何而来？
为了让“常识”符合我们对自然的理解，我们需要修正“常识”本身。对我来说，这是科学最显著的特征和最自由的一面。对真实世界的深进了解使我们放弃了在进化过程中产生的成见和误解。我们的智力进化自我们的祖先，但我们祖先的生死存亡取决于对捕食者是否潜伏在树丛后面或洞穴之中的推断，而不是对原子中电子波函数的理解。
当代的宇宙概念对我们来说太新奇太陌生，甚至对于一个世纪前的科学家而言都是如此。这是对科学方法的力量和人类发明力与毅力的颂扬，非常值得庆贺。正如我在这本书中所描述的那样，“万物如何无中生有”这个问题和可能的答案比星系如何从真空中出现更有趣。科学为空间和时间的产生提供了可能的路线图，也许还为理解那些主宰时空变换的物理法则是如何意外诞生的提供了指引。
然而，对于许多人来说，即使知道这些古老问题的答案已经唤之欲出仍显不足，因为关于空无的更深层次的问题占据了他们的思想。例如我们能否得知，绝对的空无，杜绝了任何事物出现的空无，是否就是因果的尽头？或者是否可以说，能造物的空无或许仍仅是另外某些“物”的一部分，而我们，或任何其他形式的存在，也总是暗含其中？
在这本书中，我没有认真探讨这些方面，因为我不认为它们能为下面这个更有意义的话题添砖加瓦：“通过探索宇宙我们可以回答哪些问题？”我不往考虑这些哲学层面的问题，并不是因为我认为投身于回答这些问题的人没有在努力定义正确的问题。相反，我漠视它们，是因为我认为它绕过了一些可以回答的物理问题。而这些与宇宙起源和演化有关的问题才是真正有趣的。毫无疑问，有人会认为这个有趣是我自己定义的，也许的确如此。但是，也正因如此，人们才更应该阅读这本书。在这本书中，我没有回答任何科学无法回答的问题。并且，我在定义“空无”和“有物”时措辞非常谨慎。假如这些定义不合你意，我也无能为力，请撰写一本属于你自己的书。但不要只因为现代科学不能慰藉你的心，就贬低这些卓著的人类探险。
现在，好消息来了！在刚过往的夏天，包括我在内的世界各地的物理学家，在一段特殊反常的时间，把自己“粘”在电脑前，一同看看科学家们操作日内瓦大型强子对撞机，并直播公布他们发现了自然拼图中缺失的最重要碎片之一——希格斯玻色子。
希格斯玻色子是在约50年前提出的。它的提出是为了使粒子物理学的理论推测和实验看测之间能够保持一致。希格斯玻色子的发现是人类历史上最令人瞩目的智力探险之一。这一发现是任何对科学进取感兴致的人都应该知道的，它也使这本书的主题更加特殊。这一发现进一步证实了我们能感知的宇宙只是一个浩大的、主体被隐躲起来的宇宙的冰山一角，看似空无的空间为我们的存在种下了种子。
希格斯玻色子的推测伴随着一场重要的革命，它彻底改变了20世纪后半叶我们对粒子物理学的理解。就在50年前，尽管在前半个世纪物理学取得了浩大进取，我们却只搞懂了自然界四种基本力之一的电磁力如何与量子理论保持一致。然而，在接下来的10年中，不仅四种已知力的其中三种都被我们调查清楚了，我们还发现了自然界有一种新的优雅的统一。我们发现，所有已知的力都可以用一个统一的数学框架来描述，而且其中两个力——电磁力和弱相互作用力（这种力主导了为太阳提供能源的核反应）实际上是同一种基本力的不同表现形式。
两种区别如此之大的力是如何相互关联的？究竟，传递电磁力的光子没有质量，而传递弱相互作用力的粒子质量却非常大，大约是构成原子核的粒子的100倍，这也是弱相互作用力很小的原因。
英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）和其他几位科学家证实，假如整个空间中存在渗透其中的不可见的背景场，即希格斯场，那么可以传递如电磁力这样的力的粒子就可以与这个场相互作用，就像在糖浆中游泳一样，它们的运动会因阻力而减速。结果就是，这些粒子表现得似乎它们很重一样，也就是说表现得就似乎它们质量很大一样。物理学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）和之后进进这一领域的阿卜杜勒·萨拉姆（Abdus Salam）将这一想法使用于谢尔登·格拉肖（Sheldon L. Glashow）之前提出的弱电和电磁力模型，结果所有的一切都相互吻合了。
这个想法可以扩展到自然界中的其他粒子，包括构成质子和中子的粒子以及像电子这样的基本粒子，而所有这些粒子又组合起来构成了原子。假如一些粒子与这个背景场发生更强烈的相互作用，那么它最终会显得更重。假如它们的相互作用较弱，它则会显得更轻。假如它们根本没有相互作用，就像光子，它仍然是无质量的。
假如有什么事情听起来让人觉得好得难以置信，那么这就是一个例子。质量的奇迹实际上就是我们存在的奇迹，因为假如没有希格斯玻色子，就不会有星星，不会有行星，也不会有人。本来隐躲着的背景场似乎就是为了让世界成为它现在的样子。
但依靠无形的奇迹属于宗教的范畴，而不是科学的内容。为了确定这一发现是否属实，物理学家必须依靠量子世界的一个特征。与每个背景场相关联的都是一种粒子。假如你在空间中抉择一个点，并且用足够大的力往撞击它，就有可能将真实的粒子敲击出来。诀窍就在于要在足够小的体积上用足够大的力往撞击，而这就是症结所在。经过50年的尝试，包括美国最后没有成功实现的加速器在内，所有加速撞击的尝试都没有发现希格斯玻色子的踪迹。我当时打赌人们根本不会成功，因为作为一名理论物理学家，职业直觉告诉我，大自然的想象力通常会比人类更为丰盛多彩。
直到2012年7月。
希格斯玻色子的发现可能不会扶助我们发明更好的烤面包机或更快的汽车。但人类对它的发现却彻底展现了人类用自己的思想和技术往理解、掌握自然的能力，可歌可抽泣。在那看似空无的空间中就隐躲着成就我们存在的最基本的元素。
希格斯玻色子的发现进一步证实了我在这本书中谈及的许多想法。宇宙早期经历了一个超光速膨胀期，称为暴胀。在此期间基本上是从无中生有，产生了可看测宇宙中几乎所有的空间和物质。这一想法在很大程度上依靠于另一个场，和我们在过往发现的希格斯场非常相似，是在早期短暂起主导作用的场。
今天，渗透在所有空间的希格斯场的存在也引出了几个重要的问题：“宇宙早期什么样的条件导致了这样的一个宇宙意外？”“为什么这个场有着我们所测量到的量值呢？”“它可能会与众不同吗？”“假如初始条件稍微有一点偏差，物理法则会不会造就一个与我们今天所看测到的物质宇宙迥异的宇宙？”这些也正是我在本书接近尾声时所要讨论的那类问题。
无论这些谜题以及我将在本书中讨论的其他谜题的最终答案如何，过往40多年来，我们在基础物理学和天文学方面的发现都以深刻的方式改变了我们对于自己在宇宙中所处位置的熟悉。它们不仅改变了我们提出的问题，也改变了我们提出的问题的具体含义。这也许是现代科学最伟大的遗产，与伟大的音乐、伟大的文学作品和伟大的艺术一样，也需要被大众更加广泛地分享。
为了足够表达我的看点，在本书的开头我就必须承认，我不认同创世需要由一个创世者来实现这样的看点，尽管这个看点是世界上各种宗教的基础。漂亮而神异的事物天天都会突然出现，从冷冬清晨飘落的雪花，到夏日午后阵雨带来的彩虹。然而，除了少数例外，没有人会认为每一个这样美好的事物都是创世者布满爱心地、细致地、“人为地”发明的。大多数人都和科学家们一样，乐于在力所能及的领域之内，使用简单而优雅的物理定律来阐明雪花和彩虹是如何出现的。
当然，人们自然会提出这样的问题：“物理定律来自哪里？”或者更具体地问：“是谁发明了这些定律？”即使有人可以回答第一个问题，提问者也经常会追问“但是那又是从哪里来的”，或者“是谁发明了它”，等等。
最终，许多博学多思的人会被迫抉择一个明显需要“第一因”（First Cause）的构思，就像柏拉图、阿奎那或现代罗马天主教会所主张的那样，想象一些神圣的存在，即创世者发明了现在和未来所有的一切，这个创世者是某个人或物，是永恒并且无处不在的。
尽管提出了第一因，问题仍会接踵而至：“又是谁发明了创世者？”到最后，争论是存在一个永恒的创世者，还是存在一个没有创世者的永恒宇宙又有什么区别？
这些争论总是让我想起一个闻名的故事，故事的主角是一位专家，这位专家有时被说成是伯特兰·罗素（Bertrand Russell），有时被说成是威廉·詹姆斯（William James）。他在做关于宇宙起源的讲座时突然受到一位女士的反驳。这位女士认为世界由一只浩大的乌龟驮在背上，而这只乌龟由另一只驮着，然后由另一只……还有更多的乌龟一只驮着一只！但某种通过无限回回产生自己本身的发明性的力，或者一些想象中的比乌龟力量更大的力，并不会让我们更接近于宇宙的本源。这种无限回回的隐喻实际上可能更接近宇宙诞生的真实过程，只不过这不是单单一个创世者就能阐明的。
认为上帝可以为一切负责的看点似乎可以避免无限回回的问题，但是在这里我要引用我的口头禅：无论我们喜欢与否，宇宙就是这样。创世者是否存在与人们的意愿无关。一个没有上帝或目的的世界可能看起来很残暴甚至毫无意义，但是不能仅仅由于这样的理由就要求上帝真实存在。
同样，我们可能无法轻易地理解无穷，尽管数学——这个来自人类思想的产物能很好地处理它们，但这并不表达无穷不存在。宇宙在空间或时间上可能是无穷的。或者，正如理查德·费曼（Richard Feynman）曾经指出的，物理定律就像一个无限分层的洋葱，在我们探索新的尺度时，新的定律会开始起作用，只是我们无从知晓！
2 000多年以来，人们一直在追问：“为什么有物而不是空无？”以反驳这样一个命题：宇宙，一个包含了恒星、星系、人类……的浩大复杂系统，或许并不是产生于某种设计或某种意图或目的。虽然这通常被视为一个哲学或宗教问题，但它首先是一个关于自然界的问题。所以，要想解决这个问题，最妥当的手段当然是科学。
写这本书的目的很简单——我想展示一下现代科学是如何以各种不同的方式回答“为什么有物而不是空无”这样的问题。目前所获得的答案表明无中生有并不是问题。这个答案来源于惊人却又美丽的实验看测结果以及构成现代物理学主要基础的理论。宇宙的诞生要求万物要无中生有。而且，所有迹象都表明这可能就是宇宙诞生的方式。
我要在这里强调“可能”这个词，因为我们也许永远都没无法获得足够的证据来明确地回答这个问题。但是，一个无中生有的宇宙是合理的，这一事实无疑是重要的，也是显而易见的。
在进一步展开讨论之前，我想对“空无”这个概念做一些阐明。因为据我所知，在公共论坛上讨论这个问题时，最让那些与我持有不同看点的哲学家和神学家生气的是，作为一个科学家，我认为自己并不真正理解“空无”这个概念。
一些神学家坚持说，“空无”根本不是我所讨论的事物。他们朦胧地认为空无就是“不存在的”。这让我想起了自己在最开始与神创论者争论时，为图尝试定义“聪明设计”所做的努力。当时，随着讨论逐渐深进，我发现除了界定什么不是“聪明设计”以外，这个词根本就没有什么明确的定义。“聪明设计”不过是一把反对进化的保护伞。同样，一些哲学家和许多神学家定义和重新定义的“空无”，不同于科学家目前所做的任何一种描述。
但在我看来，这意味着大部分神学和一些现代哲学在智力上的彻底失败。因为毫无疑问，“空无”就像“有物”一样无力，特殊是假如被定义为“缺少某物”，那么我们理应正确地了解这两个量的物理性质。没有科学，任何定义都只是文字游戏。
一个世纪以前，有人用“空无”指代纯粹的真空，没有真正的物质实体，这几乎没有争议。但是，20世纪的研究结果表明，在我们更多地了解大自然如何运作之前，真空实际上远远不是我们假定的不可侵犯的空无。现在，宗教评论家告诉我，我不能将真空称为“空无”，而应该称之为“量子真空”，将其与哲学家或神学家心中理想化的“空无”区分开来。
那就这样吧。但是，假如我想将“空无”描述为没有空间和时间本身呢？这样可以吗？我推测他们可能又会与我争论不休。假如我说，我们现在已知，空间和时间本身可以自发地出现，因此“空无”也不是真正的一无所有。他们可能又要说，逃离“真正的”空需要神性，而“空无”在神谕中被定义为“唯有上帝能造物的地方”。
还有一些和我争论过这类问题的人也曾提出，假如有造物的“潜能”，那就不是真正的空无。当然，假如有赋予这种潜能的自然法则存在，也不是真正的空无。这样一来，即使我认为辩说自然法则本身也是自发出现的，也不够有说服力，因为能从中产生出法则的任何系统都不是真的空无。
这是“一只驮着一只的乌龟”吗？我不这么认为。但是乌龟理论显然更诱人，因为科学正在以让人不太舒适的方式改变着人们的探求内容。当然，这是科学的目的之一。在苏格拉底时代，人们可能将其称为“自然哲学”。短缺舒适性意味着我们正踩在新发现的门槛上。当然，援引“上帝”来避免各种“怎么会这样”的难题只是一种思想上的懒散。究竟，假如没有发明的潜力，那么上帝也不可能发明任何东西。宣称上帝存在于自然之外，就能够避免无限回回，这样的主张更是花言巧语。因此，造物的“潜能”并不是能无中生有的“空无”的一部分。
这里我真正想要表明的是科学已经改变了人们的探求内容。因此关于空无本质的这些抽象和无用的争论已被替换为能描述宇宙实际起源的有用的、可操作的内容。我还将阐明这一看点对人类现在和将来可能产生的影响。
科学一直在极为有效地增进着我们对自然的理解，因为科学看基于三个主要原则：第一，遵循证据，不论它指向何方；第二，假如提出一个理论，就必须情愿尝试证实它是错误的，就像尝试证实它是正确的一样；第三，真理的终极仲裁者是实验，而不是从信仰中得到的精神慰藉，也不是某个理性模型形式上的漂亮或优雅。
我在这里将要描述的实验结果不仅恰逢其时，而且出乎意料。科学所描绘的宇宙演化过程比任何人类杜撰出的启迪图像或富有想象力的故事都要更出色、更迷人。大自然所带来的惊喜远远超出人类的想象。
在过往的20年间，宇宙学、粒子理论和引力的一系列令人兴奋的进展完全改变了我们对宇宙的看法，使我们对其起源和未来的理解产生了惊人而又深刻的转变。因此，假如你能接受“空无”这个双关语，那么空无将是最有趣的写作对象。
这本书的真正灵感不是源自消除神话或进攻信仰，而是我期看庆贺人类获取新知以及描述那绝对令人惊异的迷人宇宙。
我们的探索将带领人们开始一段旋风般的旅程，到达膨胀宇宙的最远端，从大爆炸的最初时刻到远远的未来，并将展示过往一个世纪中物理学领域最惊人的发现。
的确，现在写这本书的直接动机源自我们对宇宙的一个极为重要的发现。它在过往30年的时间里驱使我投身科学研究，并得出了惊人的结论：宇宙中的大部分能量存在于某种神异的、现在还无法阐明的形式中，渗透在整个空间。可以认真地说，这个发现改变了现代宇宙学的研究内容。
一方面，这一发现有力地支持了宇宙起源于绝对空无的看点。另一方面，它也促使我们重新探求可能影响宇宙演化过程的许多假设，以及最终，自然界的法则是否为真正根本的问题。而这些探求，都有助于我们更好地、更轻易地往理解为什么有物而不是空无这一问题。
写作本书的缘由最早可以追溯到2009年10月。当时我在洛杉矶进行了一次同样题目的讲座。令我食惊的是，理查德·道金斯基金会（Richard Dawkins Foundation）所录制的讲座视频在YouTube播出时造成了一阵轰动。到目前为止，这段视频已经有超过150万次的看看笔录，并且其中的部分内容被无神论者和有神论团体在他们的争论中反复使用。
由于人们对这一主题有着明确的兴致，也由于在我的演讲之后网络和各种媒体上的一些令人困惑的评论，我认为值得在本书中更完全地再现我在讲座中所表达的看点。在书中，我也可以借此机会来弥补我当时提出的看点。这些看点几乎全部都集中于最近发生的宇宙学革命。宇宙能量的发现和新的空间几何学改变了我们的宇宙图景。我在本书的前三分之二将对此展开讨论。
在这段时间里，我更多地探求了构成我主要看点的许多前因和想法。我和那些对此抱有极大热情的人们讨论了写书的想法，而且我更深进地分析了宇宙学对粒子物理学发展的影响，特殊是关于宇宙起源和本质的问题。最后，我把我的一些看点展示给那些强烈反对它们的人，这使我能够得到一些新的启发，扶助我进一步完美我的看点。
在我构思最终想要在本书中表达的内容时，与物理学专业的同事们的讨论使我获益匪浅。我要特殊感谢艾伦·古斯（Alan Guth）和弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）花时间与我通信和讨论，解决我的困惑，并多次扶助我完美了我的想法。
西蒙与舒斯特出版公司（Simon Schuster）的莱斯利·梅雷迪思（Leslie Meredith）和多米尼克·安富索（Dominick Anfuso）对本书的主题很感兴致，也给了我很多鼓励。我还与克里斯托弗·希钦斯（Christopher Hitchens）相识相知成为朋友。他是我所熟悉的最有修养和最具才华的人之一。此外，他在科学与宗教方面的一系列闻名争论中也使用了我在讲座中给出的一些论据。尽管克里斯托弗身体不太好，但是他却善良、慷慨、勇猛地答应为本书撰写前言。我将永远感恩他的友好与信赖。不幸的是，克里斯托弗最终因病往世。虽然他已竭尽全力，但完成前言也已不可能。在本书第一版付梓之前，他便已英年早逝。我想念他，没有他，整个世界都空荡荡的。在经济窘迫的情状下，我那才华横溢的朋友，闻名科学家兼作家理查德·道金斯（Richard Dawkins）(2)，赞同为本书撰写后记，助我渡过难关。在我的初稿完成之后，他很快就完成了后记。他的文字优雅清楚，令人赞颂，同时又布满谦逊，令我肃然起敬。对于克里斯托弗、道金斯以及上述所有人，我感谢他们的支持和鼓励，是他们激励我再次回到计算机前陆续写作。
那是一个漆黑的夜晚，下着大暴雨。
1916年初，爱因斯坦刚刚完成了他一生之中最伟大的工作——他推导出一个全新的引力理论并将其命名为广义相对论。为此，他已经不懈努力了10年。然而，广义相对论不仅仅是一个全新的引力理论，它还重新阐释了空间和时间。此外，广义相对论也是第一个不仅可以阐明物体在宇宙中如何运行，还可以阐明宇宙本身如何演化的科学理论。
但是，这个理论在当时的人们眼中存在一个小问题。因为，当爱因斯坦将他的理论使用于对整个宇宙的描述时，其结果与当时人们对宇宙的认知大相径庭。
今天距离当时已经过往了大约一个世纪，因此我们很难足够地熟悉到，在这样一个约为人类一生的时间跨度内，人类对于宇宙的熟悉发生过多大的改变。对于1917年的科学界而言，宇宙是静止的，并且是永恒的。它由唯一的星系，也就是我们所在的银河系组成，而银河系被一个浩大、无限、黑暗、空旷的空间所包围。究竟，这是当时人们仰看星空，用眼睛或者小型看远镜看测所能得出的结论。在那时，人们没有理由往怀疑还有其他的可能。
和更早提出的牛顿引力理论一样，在爱因斯坦的理论中，引力仅仅是一种存在于所有物体之间的吸引力。这就意味着在宇宙中不可能有物体能永恒地保持静止状态，因为物体之间引力的相互作用最终会导致它们向内塌缩。这与看起来永恒静止的宇宙显然不一致。
如今，人们可能无法想象，当广义相对论所描述的宇宙与当时人们认知中的宇宙如此不同时，爱因斯坦受到了多大的打击。这是因为人们对爱因斯坦以及他的广义相对论一直有所误解，而这个误解一直令我如鲠在喉。在人们的想象中，爱因斯坦在封闭的房间里孤独地工作了很多年，和如今的一些弦理论家一样，用纯粹的探求和推理提出了他遗世独立的美丽理论。然而，事实并非如此。
事实上，爱因斯坦一直深受实验和看测的指引。虽然他的确在脑海中展开过许多“思想实验”，也确实花了十余年的时间辛劳工作，学习了新的数学方法，还曾被一些错误的理论线索误导，才最终提出了一个在数学上也如此美丽的理论。但是，在他与广义相对论的罗曼史中最重要的一个时刻其实是与看测相关的。在理论诞生前的最后几周，爱因斯坦反常繁忙，他正在和德国数学家戴维·希尔伯特（David Hilbert）竞争。爱因斯坦用他的方程进行计算后推测：水星绕太阳运行的轨道上的“近日点”（行星运行轨道上最接近太阳的点）会产生微小进动。假如不依靠广义相对论，就无法阐明这一天体物理现象。
很久以前，天文学家就发现，水星的轨道与用牛顿理论所推测的略有差异。它并不是一个完美的椭圆，因此水星也不能在绕转一圈之后回到起点。这是因为水星的轨道会产生进动，这也意味着水星在运行一圈之后不会精确地返回起点，椭圆轨道的方向会在水星每次绕转一圈之后发生微小的改变，最终显现出一种类似螺旋状的轨迹。水星轨道的进动非常微小：每个世纪仅有43个角秒（约1/100度）。
爱因斯坦用他的广义相对论对水星的轨道进行了计算，得到的结果与之前天文学家的看测完全相符。正如一位撰写爱因斯坦传记的作家亚伯拉罕·佩斯（Abraham Pais）所描述的：“我信赖，这个发现使爱因斯坦经历了强烈的情绪体验，这种情绪体验是他到那时为止的学术生涯乃至他一生中最强烈的。”爱因斯坦曾提到过自己当时出现了心悸，就似乎体内“被什么东西咬了一下”。一个月之后，他向一个朋友描述了自己的理论，形容它“美丽得无与伦比”。可见这一理论美丽的数学形式带给爱因斯坦的愉悦是显而易见的，只是这次他倒没有提起心悸的事情。
当时，看测中的宇宙看起来是静态的，这与广义相对论的推断明显不一致。这种不一致并没有继续很长的时间，但它曾导致爱因斯坦对自己的理论进行了修改，虽然这个修改后来被他视为自己一生中最大的错误。这一点容后再议。现在，除了美国某些学校的董事会，大家都知道宇宙并不是静止的，而是在膨胀的。膨胀开始于大约137.2亿年前那一次令人难以置信的大爆炸。不仅如此，现在我们还知道银河系只是可看测宇宙中大约4 000亿个星系中的一员。我们知道这一切不足为奇，因为近几十年来，我们对宇宙的看法已经发生了革命性的转变。就像早期为陆地绘制地图的人一样，我们刚刚开始在宇宙的最大尺度上全面地为宇宙绘制地图。
宇宙并不是静止的而是在膨胀，这一发现具有深刻的哲学和宗教意义，因为它表明宇宙存在一个初始的时刻。初始意味着创世，而创世会唤起人们的热情。从1929年发现宇宙在不断膨胀，到大爆炸理论被独立的看测结果所证实，其间经历了几十年。教皇皮乌斯十二世（Pope Pius XII）在1951年将其作为创世纪的证据。
回忆几个世纪以来的历程，当今的科学似乎成功地再现了《圣经》中那个万物伊始的庄重时刻“要有光”（Fiat Lux）。从虚无中，物质与无尽的光线喷薄而出，百般元素分裂扰动，幻化成万千星系。具象的物理证据出现了，（科学）已经证实了宇宙的偶然性。它同时也证实了一个有着足够依据的推论，即存在一个纪元，世界为造物主所发明。创世确有其事。我们说：“因此，造物主存在。因此，上帝存在！”
完全的故事其实更为有趣。实际上，第一个提出大爆炸理论的人是比利时的牧师兼物理学家乔治·勒梅特（Georges Lemaître）。勒梅特堪称是兼具各种不同职业能力的卓著人才。最初他接受的教诲是如何成为一名工程师，然后在第一次世界大战期间他成了一名被授予勋章的炮兵。在20世纪20年代初，他在学习神职期间又转而学习数学。再后来，他的研究方向转到了宇宙学领域，先是师从闻名的英国天体物理学家阿瑟·斯坦利·爱丁顿爵士（Sir Arthur Stanley Eddington），之后他又前往哈佛大学学习，并最终在麻省理工学院获得了物理学博士学位，而这是他获得的第二个博士学位。
1927年，在勒梅特取得第二个博士学位之前，他实际上已经解出了爱因斯坦广义相对论的方程，并证实该理论预言了一个非静止的宇宙。他甚至已经提出了宇宙正在膨胀这一看点。只是这个看点在当时看上往太过离经叛道，以至于爱因斯坦本人都曾打趣着反对道，“你的数学学得不错，但是你的物理很糟糕”。
尽管如此，勒梅特仍陆续着他的研究，并在1930年进一步提出，不断膨胀的宇宙始于一个无限小的点，他称这个点为“原始原子”。同时他还提出这个起始的时刻也许就像《创世纪》中所述，是一个“没有昨天的日子”。
因此，正如教皇皮乌斯所宣称的，大爆炸理论是由一位牧师最先提出的。人们可能以为勒梅特会对教皇的认可感到兴奋，但他其实早就不认为这一科学理论和神学存在什么因果关系，并且最终删除了自己在1931年撰写的关于大爆炸理论的论文草稿中涉及这个问题的段落。
而且，勒梅特甚至对教皇在1951年所声称的大爆炸是创世纪的证据这一看点提出了反对意见。当然，这不仅仅是因为他意识到一旦他的理论将来被证实是错误的，那么罗马天主教对创世纪的声明就有可能会引发争议，虽然那时，他已经被选进梵蒂冈的主教学院，后来还成为主教学院的主席。正如他所说：“在我看来，大爆炸理论完全与任何形而上学或宗教问题无关。”在此之后，教皇再也没有公开提及这个话题。
由此可见，正如勒梅特所说的那样，大爆炸发生与否是一个科学问题，而不是神学问题。再则，即使现在所有证据都强力支持大爆炸的确发生了，人们仍然可以依据自己的宗教信仰或哲学偏好抉择不同的理解方式。也就是说，你可以认为大爆炸意味着创世者的存在，也可以认为广义相对论的数学模型就可以阐明宇宙从最初到现在的演化，不需要任何神性的干预。然而这些形而上学的推测和大爆炸理论本身正确与否没有关系，也与我们如何理解它无关。但当我们不再局限于讨论宇宙是否真的在不断膨胀，而是陆续探究可能解答宇宙起源的物理原理时，科学就能提供进一步的线索。
然而，不论是勒梅特还是教皇皮乌斯都没能成功说服科学界接受宇宙正在膨胀这个看点。相反，正如所有正确的科学理论一样，最终说服科学界的证据都来自仔细的看察研究。这一次，是埃德温·哈勃（Edwin Hubble）用他的看测结果说服了科学界。哈勃让我觉得人类布满了无限的可能，因为他在成为一名天文学家之前是一名律师。
早在1925年，哈勃就利用一座100英寸(3)胡克看远镜取得了重大的发现。这座新建在威尔逊山上的看远镜是当时世界上最大的。如今，我们正在建造的看远镜是它直径的10倍以上、面积的100倍以上。在1925年之前，利用当时的看远镜，对于不在银河系中的天体，天文学家们仅仅能够辨认出它们模糊的图像。这些天体被称为“星云”，星云在拉丁语里的意思是“模糊的东西”，实际上就是“云”。这些天体是在银河系之中还是在银河系之外，也是当时的天文学家们争论不休的问题。
由于当时人们对宇宙的普及认知是银河系就是宇宙的全部，因此大多数天文学家都加进了“这些天体在银河系之中”这个阵营。哈佛大学闻名的天文学家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）是这个阵营的领导。沙普利在五年级退学，自学成才，最终进进了普林斯顿大学。他抉择学习天文学，是因为天文学在学校的专业列表中排在第一个。沙普利所做的工作影响深远，他证实了银河系比人们以前认为的要大得多，并且太阳不在它的中心，而是在一个远远的、平凡的角落里。由于他在天文学界很有威信，因此他对星云性质的看法在当时有相当大的影响力。
1925年元旦，哈勃发表了两年来的研究成果，内容涉及他称为旋涡星云的天体。他在旋涡星云中发现了一种特殊的变星，这种变星被称为造父变星。现在我们所知的仙女座就是他所说的旋涡星云之一。
造父变星最早是在1784年被看测到的。它们是一种特殊的恒星，亮度会遵循一定的周期发生法则的转变。1908年，当时名不见经传的天文学家亨丽塔·莱维特（Henrietta Leavitt）作为“人力计算机”受聘于哈佛大学天文台。“人力计算机”指的是当时招募的一些女性，她们的工作是从天文台拍摄的底片中测量和笔录恒星的亮度并进行分类。在那时，女性是不答应使用天文看远镜的。莱维特是教会牧师的女儿，是清教徒的后代。她取得了一个惊人的发现，并在1912年展开了进一步的研究：她注重到，造父变星的平均亮度与其亮度转变的周期之间存在一定的法则。因此，对于一个亮度转变周期已知的造父变星，假如可以确定它与地球的距离（这一距离确定于1913年），那么通过测量与其具有同一转变周期的其他造父变星的亮度，人们就能够确定地球与其他造父变星的距离！
看测到的恒星亮度与恒星到地球距离的平方成反比，这是因为光线向外发散，均匀地散布在面积随着距离的平方增加的球面上。因此，由于光在更大的球体上展开，在任何一点看察到的光的强度与球的表面积成反比。也正因如此，确定远远恒星与地球的距离一直是天文学中的主要挑战。莱维特的发现给这个领域带来了革命性的改变。哈勃经常表达，莱维特应该得到诺贝尔奖。虽然他提出这个意见有可能只是出于没有得过诺贝尔奖的私心。因为假如莱维特获奖，他就有可能凭借后续工作和她分享诺贝尔奖了。事实上，瑞典皇家科学院已经启动了提名莱维特为1924年诺贝尔奖候选人的文书工作，结果却得知她3年前就已经因癌症往世。借助于其人格魅力和自我推销的能耐以及作为看测者的才能，哈勃后来成为一个家喻户晓的名字，而莱维特，却可能只有天文迷才知道她。
通过对造父变星的看测以及莱维特发现的周期-光度关系，哈勃证实了仙女座以及其他几个星云中的造父变星与地球的距离非常远远，肯定不在银河系之内。仙女座是另一个宇宙岛，是一个和银河系几乎一样的旋涡星系。可看测宇宙中有超过1 000亿个星系，仙女座也是其中之一。哈勃的结果非常明确，包括沙普利在内的天文学家们迅速地接受了宇宙不只有银河系这一事实。此时，沙普利已经是哈佛大学天文台的台长，而哈佛大学天文台正是莱维特做出突破性工作的地方。突然之间，已知宇宙的大小扩展了很多倍，比几个世纪以来增加的都多！已知宇宙的性质也改变了，所有其他的一切也随之改变了。
在取得这一引人注目的成果之后，哈勃完全可以躺在他的荣誉桂冠上睡大觉，但是他还在陆续追逐更远大的目的——觅觅更大的星系。通过看测更远远星系中更暗弱的造父变星，他就能够绘制出更大尺度的宇宙蓝图。当他达成目的的时候，他发现了更加不同普通的事情：宇宙正在膨胀！
哈勃得出这个结论是因为他比较了自己所测量的星系到地球的距离与另一位美国天文学家维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）的一组测量结果。斯里弗分析了这些星系的光谱，要理解这些光谱的本质和意义，需要追溯到现代天文学的开端。
现代天文学中最重要的发现之一就是恒星和地球的基本元素大部分是一样的。和现代科学中的许多发现一样，这一发现也源于牛顿的一项研究。1665年，牛顿还是一位年轻的科学家，他拉上窗帘把自己的房间变暗，只在窗帘上留下一个小洞，使一束细细的阳光透过小洞并通过棱镜，他发现阳光分散成了人们熟悉的彩虹的颜色的光线。因此他认为来自太阳的白光包含了所有这些颜色。事实证实，他的推断是正确的。
150年后，有一位科学家更仔细地检查了这些被分散的光线，发现其中存在黑色的条纹。他认为这些黑色条纹的产生是由于太阳的外部大气中有一些元素吸取了特定颜色或者波长的光线。现在我们将这些黑色条纹称为“吸取线”，而吸取了这些光线的就是地球上也有的一些已知元素，包括氢、氧、铁、钠和钙等。
1868年，另一位科学家在太阳光谱的黄色部分看察到两条新的吸取线，产生这两条吸取线的元素与当时地球上任何已知的元素都不同。他认为这是一种新的元素，并称之为氦。大约30年后，氦在地球上首次被分别出来。
分析来自其他恒星的辐射光谱是探究恒星组成、温度和演化的重要科学手段。从1912年开始，斯里弗看测了来自各种旋涡星云的辐射光谱，发现这些光谱与其四周恒星的光谱相似，但是所有的吸取谱线都偏移了相同的波长。
当时人们认为这种现象是由常见的“多普勒效应”所致。这种效应以奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒（Christian Doppler）命名。他在1842年发现，当波源远离看察者，波长将会被拉伸，当波源向看察者靠近，那么波长会被压缩。这种现象人们再熟悉不过。它常使我想起西德尼·哈里斯（Sidney Harris）的漫画。平原上两个骑着马的牛仔正看着远处的火车，他们中的一个对另一个说：“我爱火车这寂寥的汽笛声，它的频率会因多普勒效应而发生转变！”生活中，假如火车或救护车正在驶向你，它们的汽笛声或者警笛声听起来就会变高，假如它们正在驶离你，它们的声音就会变低。
光波和声波一样，也会发生这样的现象，尽管其中的原理有些不同。假如光源正在远离看察者，不管这是它自身的局部运动还是空间本身的膨胀所致，它的光波波长将被拉伸，因此看上往会比原本更红，因为红色在可见光光谱中波长较长的一端。相对的，向看察者靠近的光源的光波波长将被压缩并显得更蓝。
1912年，斯里弗看测到，除了部分如仙女座这样的例外，来自所有其他旋涡星云的光的吸取线几乎全部系统性地向更长的波长偏移。据此，他推断这些天体中的绝大部分在以相当大的速度远离地球。
哈勃将他看测到的旋涡星系（如今我们已经知道旋涡星云就是星系）到地球的距离和斯里弗测量出的它们远离地球的速度进行了比较。1929年，在一位威尔逊山天文台工作人员米尔顿·赫马森(4)（Milton Humason）的扶助下，哈勃公布他们发现了一个非同凡响的体会关系，也就是现在所说的哈勃定律：星系的退行速度与星系到地球的距离之间存在线性关系。也就是说，距离地球越远的星系正在以越快的速度远离地球！
哈勃定律表明，几乎所有的星系都在离地球远往，假如某个星系到银河系的距离是另一个星系的两倍，那其退行速度是另一个星系的两倍，而距离银河系三倍远的星系的退行速度将达到三倍。哈勃定律的提出似乎很明显地暗示：银河系是宇宙的中心！
虽然事实并非如此。但是这正好与勒梅特推测的一致，宇宙其实正在膨胀。
阐明这个问题的方式多种多样，但都不太妥当，除非你跳出宇宙之外来考虑这个问题，也就是说，想象自己站在宇宙的外面。为了真正地理解哈勃定律，你需要离开银河系所在的这个特殊位置，从宇宙之外看宇宙。想象自己站在三维的宇宙之外有些困难，但想象自己站在一个二维的宇宙之外是很轻易的。我画了一个正在膨胀的宇宙在两个不同时期的图像（见图1-1）。可以看出，星系在 t2时刻相隔更远。
图1-1 正在膨胀的宇宙在两个不同时期的图像
现在，想象自己在t 2时刻生活在其中的一个星系上。我将这个星系在图1-2（b）中用白色标记出来。
图1-2 想象自己生活在其中的一个星系上
为了便于在这个被选中的星系上看宇宙的演化过程，我把图1-2（b）叠加到图1-2（a）上，但保持被选中的白色星系仍落在原先的位置上（见图1-3）。
图1-3 将两图叠加
瞧！在这个白色星系上看，所有其他的星系都在远离。在同样的时间里，与白色星系相隔两倍远的星系移动了两倍的距离，与白色星系相隔三倍远的星系移动了三倍的距离，以此类推。只要宇宙没有边缘，那这个白色星系上的人就会感觉自己是在膨胀的中心。
抉择哪一个星系并不重要。你也可以挑另一个星系，重复上述过程。
每个人的看点都可能不同，要么会认为每个地方都是宇宙的中心，要么会认为任何地方都不是宇宙中心。这都无关紧要，因为哈勃定律和宇宙正在膨胀这一事实吻合。
1929年，哈勃和赫马森第一次公布他们的发现时，不仅给出了距离与退行速度之间的线性关系，而且还对宇宙膨胀速率本身进行了定量估量。图1-4是当时展示的实际数据。
图1-4 当时展示的实际数据
可以看出，哈勃用一条直线来拟合这些数据。这一拟合结果假设了一个比较理想化的结果。因为虽然这些数据之间存在明显的关系，但是仅从这些数据来看，很难确定一条直线是不是最好的拟合方式。他们从图1-4中推算出的宇宙膨胀速率表明，一个距离银河系100万秒差距(5)的星系正在以500千米/秒的速度退行。但是，这一结果就没有那么理想了。
原因很简单，假如现在所有的天体都在退行，那么曾经它们会更靠近一些。假如引力的作用是物体间的相互吸引，那么它就会减缓宇宙的膨胀。这意味着如今以500千米/秒的速度退行的星系在过往是以更快的速度退行的。
然而，假如暂时假设星系一直以500千米/秒的速度远离，就可以反推出在多久以前这个星系和银河系处于同样的位置。由于距离银河系两倍远的星系的退行速度也是两倍，假如在此基础上反推，就会发现所有星系会在某个时刻同时叠加在银河系所处的位置上，即整个可看测的宇宙将被叠加到一个点上，这就是大爆炸发生的时刻。我们可以摘用这样的方法来估算大爆炸发生的时间。
这样估算出的显然是宇宙年龄的上限，因为假如星系曾经移动得更快，那么它们到达今天的位置所需要的时间会比这个估量值更小。
基于哈勃的分析结果，通过上述方法估算可得，大爆炸大约发生在15亿年前。然而，在1929年就已经有很清楚的证据表明，地球的年龄超过30亿年。
这样一来，事情就有些尴尬了，因为科学家们发现地球比宇宙的年龄更大，只能阐明上述分析出了错。
导致这一错误的根源其实在于，哈勃的测距方法中摘用了银河系中的造父变星来推算距离，这其实存在一定的系统性偏差。用邻近的造父变星来估量更远的造父变星与地球的距离，然后再估量看测到的更远的造父变星所在的星系与地球的距离，这其间的距离梯度十分惊人。
至于这些系统性偏差最终是如何消除的，涉及漫长的历史过程，这里就不再赘述了。因为我们现在有了更好的测距方法。
我最喜欢的一幅哈勃空间看远镜所拍摄的照片如图1-5所示。
图1-5 哈勃空间看远镜拍摄到的一个漂亮的星系
图1-5展示了一个远远又漂亮的旋涡星系，这是它很久很久以前的样子，因为星系发出的光需要旅行超过5 000万年的时间才能到达我们这里。这样的旋涡星系跟银河系差不多，其中包含了大约1 000亿颗恒星。星系中心明亮的核心区大约有100亿颗恒星。请注重照片中左下角的一颗恒星，它的亮度几乎等于这100亿颗恒星的亮度。一眼看往，你可能会产生一个合理的推测，这是银河系中的一颗恒星，离我们很近，只是正好落在这张照片上。但事实上，它也是这个远远星系中的一颗恒星，距离我们超过5 000万光年。
显然，这并不是一颗普通的恒星。它是一颗刚刚爆发过的恒星，一颗超新星，它是宇宙最瑰丽的作品之一。当一颗恒星爆发时，它在很短的时间内，大约一个月左右，发出的可见光的亮度可以达到100亿颗普通恒星产生的亮度。
恒星并不会经常爆发。在每个星系中，恒星爆发出现的频率大约是100年一次。但对我们而言，这是一件幸事，因为假如没有恒星爆发，我们根本不会存在。关于宇宙，我所知道的最富诗意的事实之一就是，其实我们身体中的每一个原子都曾经存在于某一颗爆发的恒星里。组成你左手的原子和组成你右手的原子很有可能来自不同的恒星，而我们都是恒星的孩子，我们的身体是由星尘组成的。
人们是如何知道这一切的呢？我们可以将大爆炸作为起点向后推演，推演到宇宙诞生之后大约1秒钟的那个时刻。据推算，在这个时刻，所有的物质都被挤压在一团致密的等离子体中，其温度应该在100亿开尔文(6)左右。在这个温度下，随着质子和中子结合在一起又经碰撞而分别，核反应很轻易发生。随后，宇宙逐渐冷却，我们可以推测这一过程中原初的核子结合成比氢重的原子核如氦、锂等的频率。
按照上述方法进行计算，我们发现在大爆炸的原初火球阶段，基本上没有比锂——自然界中第三轻的原子核更重的原子核形成。我们确信这个计算结果是正确的，因为我们对最轻的几种元素在宇宙中丰度的推测与看测结果正好吻合。氢、氘（重氢的核）、氦和锂这些轻元素的丰度两两相差大约10个数量级。按质量算，大约25%的质子和中子在氦核中，而每100亿个中子和质子中有1个在锂核内。在这个令人难以置信的浩大领域内，看测结果和理论推测是一致的。
这是最闻名、最重要，也是最成功的推测之一，它告诉我们大爆炸真的发生过。只有通过一次极高温的大爆炸才能够产生如今宇宙中轻元素的丰度，并与宇宙正在膨胀这一看测结果保持一致。我总是随身携带一张卡片，上面展示了理论推测中轻元素的丰度和看测结果的对比。每当碰到不信赖大爆炸发生过的人时，我就可以把卡片展示给他们看。当然，在讨论中我通常很少使用这张卡片，因为当一个人一早就认为某种理论存在错误时，我很难通过数据来说服他。尽管如此，我还是随身携带这张卡片，稍后我会在书中展示给你们看。
虽然锂对于一些人来说很重要，但对其他人来说更重要的是那些更重的原子核，如碳、氮、氧、铁等，这些都不是在大爆炸中产生的。唯一能产生这些原子核的地方是恒星炽热的核心。而它们能够进进我们身体的唯一途径就是恒星爆发时，将它们喷洒到宇宙中，直到有一天它们聚集在我们称为太阳的恒星四周的一颗小小的蓝色行星上。在银河系的演化历程中，大约有2亿颗恒星爆发过。大量的恒星“牺牲”了自己，才使得有一天你可以出生。这些恒星仿佛扮演了救世主的角色。
1a型超新星是一种特定类型的爆发恒星。在20世纪90年代进行的研究中，科学家们发现1a型超新星具有一种显著的特性：固有亮度越高的1a型超新星发光的时间也越长，并且这一结果精确度很高。虽然这种相关性在理论上还没有一个完全的阐明，但是很符合体会统计法则。这意味着这种超新星是很好的“准则烛光”，可以用于校准距离。因为它们的固有亮度可以直接测定，而不需要事先计算我们与它们之间的距离。
由于1a型超新星非常明亮，人们很轻易发现它们，假如我们在远远的星系中看察到一颗1a型超新星，那么看察它发光的时间，我们就可以推断出它的固有亮度。然后，用看远镜测量其视亮度，我们可以正确地推断出这颗超新星及其所在的星系到底离我们有多远。再测量星系中恒星发出的光的“红移”，我们可以确定其运动速度，从而可以将其速度与距离进行比较，最终推断出宇宙的膨胀速率。
到目前为止，这一切都显得顺理成章。但是，假如在每个星系中恒星的爆发是百年一遇，那我们有多大的概率能看到一次？究竟，人们上一次在地球上看到银河系内的一颗恒星爆发是在1604年，目击者是约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）。据说，只有最伟大的天文学家们才能在有生之年看察到银河系中恒星爆发的时刻，而开普勒肯定符合这一条件。
开普勒原先是一名普通的奥地利数学教师，后来成为天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）的助理。第谷曾经看测到银河系中一次更早发生的恒星爆发，为此丹麦国王赠予了他一整个岛屿作为奖赏。使用第谷在10多年中笔录的行星位置数据，开普勒在17世纪初推导出了闻名的关于行星运动的三大定律。
1．所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆的。
2．行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫过的面积相等。
3．行星绕太阳一周的时间的平方与其椭圆轨道的半长轴的立方成正比。“半长轴”，即椭圆最宽处长度的一半。
这三大定律为近一个世纪之后牛顿推导出万有引力定律奠定了基础。在做出这个特殊的奉献之余，开普勒不仅成功地将他母亲从巫术的指控中解救出来，还写下了可能是有史以来的第一个科幻故事，内容是关于月球旅行的。
如今，或许还有一种方法有助于发现超新星，那就是对天空中的每个星系都指派一名研究生。究竟，从宇宙的时间尺度上看，100年和一个研究生拿到博士学位所需要的平均时间并没有什么区别，而且研究生数量充足，花费低廉。但幸运的是，我们不必摘取这样的极端措施，原因很简单：宇宙浩大而古老，即使是罕见的事件也总是在不断发生。
选一个晚上出往走走，到树林或沙漠里，选一个你可以看到星星的地方。将你的手伸向天空，用拇指和食指扣成一个大小和一角的硬币差不多的小圈。把小圈对准天空中看不到星星的黑暗区域。在这个黑暗的区域中，利用现在已经投进使用的一个足够大的看远镜，可以看察到大约10万个星系，而每个星系中都包含数十亿颗恒星。由于恒星爆发在每个星系里大约每100年发生一次，因此平均而言，即使在这么小的视野里，一个晚上你也应该能看到大约3颗恒星爆发。
天文学家就是这样做的。他们申请看远镜的使用时间进行看测。有些夜晚他们可能会看到一颗恒星爆发，有些夜晚能看到两颗，也有些夜晚是多云天气，因此他们可能一无所获。就用这种方式，有几个科研小组已经能够精确地确定哈勃常数，误差小于10%。最新的数据表明，对于平均间距为300万光年的星系，它们之间的退行速度大约是70千米/秒。这个数字几乎是哈勃和赫马森当年测算结果的1/10。因此，如今我们推断宇宙的年龄约为130亿年，而不是15亿年。
这一结果也与对银河系中最古老的恒星年龄的独立估量完全相符。从第谷到开普勒，从勒梅特到爱因斯坦和哈勃，从恒星的光谱到轻元素的丰度，400年来现代科学的发展已经描绘了一幅卓著且能彼此印证的宇宙正在膨胀的图景。所有证据都严丝合缝，大爆炸理论形势一片大好。
我们已知宇宙有一个起点，这个起点是存在于过往的一个有限的可度量时刻。那么，我们自然会陆续追问“宇宙将如何走向终点”？
正是这个问题让我从粒子物理专业转向对宇宙学的研究。在20世纪70年代和80年代，我们精美测量了银河系中的恒星和气体的运动，还获取了比星系更大的星系团（多个星系组成的星系集团）中星系的运动信息。这使我们越来越清楚地熟悉到，宇宙中的东西比我们用眼睛或者用看远镜所能看到的多得多。
在星系的浩大尺度下，引力主导着万物的运动，因此测量星系中物体的运动，我们就可以探知驱动这些运动的万有引力。这样的测量始于20世纪70年代初美国天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）及其同事的开创性工作。鲁宾从乔治城大学取得博士学位。她上的是晚间课程。因为她不会开车，上课期间她的丈夫会在车上等她。她曾申请过普林斯顿大学，但在1975年之前，普林斯顿是不招收女性攻读天文学研究生的。鲁宾是第二位获得英国皇家天文学会金奖的女性。她获得这个奖项和其他许多荣誉一样当之无愧，都是因为她做出了突破性的工作，即测量了我们所在星系的旋转速度。通过看测距离银河系中心更远的恒星和高温气体，鲁宾发现它们所在区域的运动速度很快，快到远远超过之前人们所做的推算。之前的推算中假设了驱动这些区域运动的引力仅是由星系内可看测物体的总质量所提供。由于她的工作，宇宙学家们才最终明确，阐明这种运动的唯一方法是假设在我们的星系内明显存在更多的物质，其质量远远超过所有恒星和高温气体质量的总和。
然而，这样的假设存在一个问题。同一种计算方法能够精妙地阐明宇宙中看测到的轻元素（氢、氦和锂）的丰度，也能大致告诉我们，宇宙中组成普通物质的粒子（如质子和中子）的数量。这是因为，“烹饪”原子核像制造任何食品一样，最终成品的数量取决于开始烹调时摘用的每种食材的数量。假如你把食材加倍，那么你做出来的东西就会更多。例如用四个鸡蛋就比用两个鸡蛋做出的煎蛋卷更大。产生于大爆炸的宇宙中的质子和中子的初始密度，是由拟合看测到的氢、氦和锂的丰度所决定的。然而，这个初始密度可能是我们在恒星和高温气体中所测量出的密度的两倍。那么，那些余外的粒子往哪里了？
想把质子和中子隐躲起来很轻易，因为不发光的物体很多，雪球、行星、宇宙学家……这些都不发光。所以不少物理学家推测，有很多质子和中子位于不发光的物体中，数量和可见物体中的一样多。然而，在计算需要多少“暗物质”来阐明银河系中物质的运动时，人们发现物质的总量与可见物质的比例不是2：1，而是接近10：1。假如计算无误，那么暗物质就不是由质子和中子构成的，因为质子和中子的数量远远不够。
20世纪80年代初，我还是一个刚进门的年轻粒子物理学家。了解到可能存在这种奇异的暗物质让我极度兴奋。这意味着，宇宙中的主要粒子不再是那些人们司空见惯的质子和中子，而很有可能是某种全新的基本粒子，是地球上不存在的东西。这种存在于恒星中以及恒星之间的神异物质，静静地“导演”着整个星系的引力演出。
更令我兴奋的是，这意味着三条新的研究路线，它们可以从根本上重新阐明现实世界的本质。
1．假如宇宙中可能存在的这些奇异的新粒子和之前提过的轻元素一样，也是在大爆炸中形成的，那么，想要确定这些粒子的丰度，我们可以使用与确定轻元素丰度类似的方法。不同的是，确定轻元素的丰度时，我们利用了原子核相互作用的力，而这次我们或许可以利用主宰基本粒子相互作用的力。
2．我们也许可以利用粒子物理学的理论推算出宇宙中暗物质的总体丰度，或者设计新的实验来检测暗物质。使用这两种方法都可以得出宇宙中物质的总量，我们也就可以据此推断宇宙的几何外形。物理学不是用于发明我们看不到的东西来阐明我们可以看到的东西，而是用于探索怎样才能找到我们看不到的东西。也就是说往看以前看不见的，那些所谓的“已知的未知”。每一个候选的暗物质基本粒子都给直接探测暗物质粒子的实验提出了新的可能性。假如这些暗物质粒子在银河系中穿梭，我们可以通过在地球上建立的装置来探测它们。我们可以在暗物质粒子穿过地球的时候进行拦截。假如暗物质粒子弥散在整个星系中，那么它们现在就在我们的身边，地面的探测器就有可能发现它们的踪迹，而不需要使用看远镜搜觅远远的天体。
3．假如我们能够确定暗物质的性质及其丰度，也许就可以确定宇宙将如何走向终点。
最后的这条研究路线似乎是最令人兴奋的，所以我想从它开始讨论。究竟，我开始研究宇宙学，就是因为我想成为第一个知道宇宙会如何走向终点的人。
在当时，这看起来也是个好主意。
爱因斯坦提出广义相对论的时候，广义相对论的核心就是空间会因为物质或能量的存在而发生弯曲。1919年，这个理论不再仅仅是一个推断，因为，两支看测远征队在日食期间看测到星光在太阳四周发生弯曲，弯曲的程度正好与爱因斯坦的推测中太阳会造成的空间扭曲一致。为此爱因斯坦几乎一夜成名，他的名字也变得家喻户晓。如今，大多数人认为爱因斯坦成名是因为比广义相对论早15年提出的 E=mc2这个方程，其实并不是。
假如空间可能是弯曲的，那么整个宇宙的几何形态就变得有趣得多。因为宇宙中的物质总量的不同，宇宙可能显现以下三种不同的几何形态之一，即所谓的开放宇宙、封闭宇宙或平直宇宙。
我们很难想象一个弯曲的三维空间，这是因为我们是三维生物，无法轻易地凭直觉将其画出。就像在闻名小说《平面国》（Flatland）中的二维生物一样，他们也很难想象，对于一个三维世界的看察者来说，看起来像球面一样的世界会是什么样的。另外，假如球面的曲率非常小，在日常生活中发现这一曲率的存在也是很困难的，就像在中世纪以前，有些人觉得地球一定是平的，因为在他们眼中确实如此。
虽然我们很难想象弯曲的三维宇宙，例如封闭宇宙就像一个三维的球面，这听起来让人生畏，但宇宙的有些方面是轻易描述的。在一个封闭宇宙中，假如你向任何方向看得足够远，都能看到自己的后脑勺。
平直的三维宇宙不像一个平摊的薄饼，它就是你认知中人类所居住的宇宙的样子。这是一个传统的平凡的宇宙，在这里光线沿直线传播，一旦从空间中的某个任意点画出三根相互垂直的轴x、y和z，它们在空间中的任何位置都指向原先的三个方向。但在弯曲的三维空间中，光以弯曲的轨迹行进，而从某一个点绘制的三个垂直轴，会随着你在空间中的移动指向不同的方向。
谈论这些奇异几何形态的宇宙也许会让人觉得有趣或者印象深刻，但其实它们的存在有着更重要的影响。广义相对论明确地告诉我们，一个封闭的宇宙，其能量密度由诸如恒星和星系这样的物质甚至是更奇异的暗物质所主导，它必然有一天会塌缩，这个过程就像大爆炸的反演，或者你也可以称之为“大收缩”。一个开放宇宙将继续以有限的速度永远膨胀下往，而平直宇宙正好处于临界状态，其膨胀速率会放缓，但永远不会完全停止。
确定暗物质的总量以及宇宙中物质的总密度，能够回答这个至少与T·S·艾略特（T. S. Eliot）一样古老的问题：宇宙是将以一声巨响结束，还是呜咽着走向终点？确定暗物质总量的这段传奇可以追溯到至少半个世纪之前，人们甚至可以写一整本书来讲述这个故事。其实，我已经写了一本关于这个故事的书——《第五元素》（ Quintessence）。然而，在本书中，我将摘用图文并茂的方式来叙述这个故事，因为一张图片抵得上千言万语。
宇宙中最大的引力束缚体被称为超星系团。超星系团可以包含成千上万或者更多的单个星系，尺度可以横跨数千万光年。大多数星系存在于这样的超星系团中，实际上我们所在的银河系就位于室女超星系团之内，其中心距离我们约6 000万光年。
由于超星系团体积浩大、质量浩大，基本上假如任何一个东西会落进其他什么东西，它最终都会落进星系团中。因此，假如我们可以称量超星系团的质量，然后估量宇宙中超星系团的密度，那么我们就可以“称量宇宙”，包括其中所有的暗物质。这时再使用广义相对论的方程，我们就可以确定是否有足够的物质让我们的宇宙构成一个封闭宇宙。
到目前为止，这一切都顺理成章。但是我们如何称量尺度达数千万光年的物体呢？很简单，利用引力。
1936年，阿尔伯特·爱因斯坦应业余天文学家鲁迪·曼德尔（Rudi Mandl）的强烈要求，在《科学》（Science）杂志上发表了一篇题为《引力场中的光线偏移对恒星的类透镜作用》的小论文。在这篇简短的文章中，爱因斯坦陈述了一个特殊的事实：空间本身可以像透镜一样，使光线弯曲并放大，就像眼镜的镜片。
1936年处于一个比现在更友善、更和煦的氛围当中。当年，爱因斯坦的这篇论文是正式发表在一个闻名的科学期刊上的，但它有一个如今看来不那么正式的开头，读起来很有趣：“早些时候，鲁迪·曼德尔先生拜谒了我，请我发表一些计算的结果。而这些计算是我应他的要求进行的。这篇小论文因他的愿看而生。”也许这种非正式行文风尚的文章在当时得以发表是因为作者是爱因斯坦，但是我宁愿认为这是一个时代的产物。那时候，人们还没有在描述科学成果的措辞中完全摈弃通俗的表达方式。
“假如空间本身会因为物质的存在而弯曲，那么光线也会沿着弯曲的轨迹传播”是广义相对论的第一个重要的新发现。并且，正是这一发现使爱因斯坦举世闻名。人们最近发现，早在1912年，甚至在广义相对论完成之前，爱因斯坦就已经进行了相关的计算。因为他试图找到一些可看测的现象，以说服天文学家验证他的想法。这些计算与他1936年发表的论文中应曼德尔先生要求所进行的计算基本相同。也许正是因为他在1912年就得到了和他1936年发表的论文中所说的一样的结论，也就是“看测到这种现象的概率很小”，所以他从来没有企图发表他早期的计算结果。甚至在检查过他两个时期的笔记本之后，我们都不能肯定，他后来是否还记得在24年前所做过的那些最初的计算。
爱因斯坦在两次计算中都发现，引力场中的光线弯曲可能意味着，假如一个明亮的天体正好位于看测者和一个中间天体的前面，那么它向各个方向射出的光线可能会围绕中间天体的质量分布发生弯曲，并且再次汇聚，就像它们穿过一个普通的透镜时一样，要么产生原始物体（即上文中明亮的天体）的放大的像，要么产生原始物体的许多复制的像，其中一些可能还会被扭曲（见图2-1）。
图2-1 引力场中的光线弯曲
爱因斯坦计算出，对于一颗远远的恒星来说，假如在它的前方有另一颗恒星位于它和看测者之间，那么，它所受到的透镜效应影响太小，应该是绝对测量不出来的。于是，他便认为这样的现象不太可能看测得到。因此，爱因斯坦觉得他的论文没有什么实际价值，就像他投稿时给《科学》杂志的编辑的附信中写的：“我还要感谢您的协助，让这篇小文章得以发表。这是在曼德尔先生的督促下写的，它没有什么价值，但它能给这个同情的人带来快乐。”
然而，爱因斯坦不是天文学家，他需要一个天文学家来验证他所推测的效应也许不仅是可测量的，而且是有用的。假如把这个计算使用到更大的系统，例如星系甚至星系团对远远的天体产生的透镜效应，而不是恒星对恒星的透镜效应时，这个计算就很有用。在爱因斯坦的文章发表数月之后，加州理工学院一位聪明的天文学家弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky）向《物理评论》（ Physical Review）杂志提交了一篇论文，在文中他证实了这种透镜效应的实际用处，并且还间接地奚落了爱因斯坦，因为爱因斯坦不知道星系也可能会产生透镜效应，而不仅仅是恒星。
兹维基性格急躁，而其成就远远超越了他所在的那个时代。早在1933年，他就分析了后发星系团中星系的相对运动，并使用牛顿运动定律明确指出：星系运动得如此之快，除非星系团中物质的质量比其中恒星所奉献的质量要大得多，至少是100倍以上，否则星系就会飞散，使得星系团不复存在。因此，兹维基应该被视为暗物质的发现者，尽管在当时由于他的推理过于超前，大多数天文学家可能会觉得他所得出的结论也许能有一些不那么希奇的阐明。
兹维基1937年发表的仅有一页的论文同样引人注目。他提出了引力透镜的三种不同用途：第一，检验广义相对论；第二，利用中间星系作为一种看远镜，来放大更远距离的天体，因为这些天体用地面上的看远镜看不到；第三，用于解答为什么星系团显得比其中可见的物质重得多这一谜题：“对星云四周的光线偏转的看测可以最直接地确定星云的质量，并消除上述差异。”其中，第三种用途是最重要的。
现在，距兹维基的论文发表已经过往了74年，但这篇论文至今读起来仍像是一则利用引力透镜来探测宇宙的看测申请。如今，他提出的引力透镜的每一种用途都已经实现，而最后一种用途是其中最重要的。1987年，人们首次看测到远远的类星体受中间星系影响发生的引力透镜现象。1998年，在兹维基提出使用引力透镜方法测定星云质量61年后，人们又使用引力透镜方法确定了一个大星系团的质量。
那一年，物理学家托尼·泰森（Tony Tyson）和现在已经关闭的贝尔实验室（Bell Laboratories，从晶体管的发明到宇宙微波背景辐射的发现，贝尔实验室一直是传统中伟大科学发现诞生的圣地，还产生了许多“诺贝尔奖”得主）的同事们看测到一个距离远远的大星系团，它被浓墨重彩地标记为CL 0024 + 1654，距离我们大约50亿光年。在哈勃太空看远镜所拍摄的这幅漂亮的图像中（见图2-2），我们能看到一个更远远的星系显现出多个像的壮看景象。这个星系位于大星系团的后面，离我们的距离比大星系团还远50亿光年。星系的多个像显现出高度扭曲和拉长的样子，位于其他没有受透镜效应影响的星系中。这些没有经过透镜效应影响的星系普及更圆。
图2-2 大星系团
这张照片能让我们产生很多联想。照片中的每一个点都是一个星系，而不是恒星。每个星系中包含大约1 000亿颗恒星，和恒星一起存在的可能有数千亿颗行星，也许还有早已失落的文明。因为这张照片拍摄的是50亿年之前的景象，所以我用了“早已失落”这个表述。照片中的光在太阳和地球形成的5亿年之前就已经发出了。照片中的许多恒星已不复存在，因为它们早在数十亿年前就耗尽了核燃料。除此之外，扭曲的图像正确地表明兹维基的预言可能是正确的。图像中心左侧的几个较大的、扭曲的像是这个远远的星系被高度放大并拉长的版本。假如没有引力透镜效应，这个星系可能根本不可见。
从图2-2进行推演以确定星系团中的质量分布是一个复杂而烦琐的数学挑战。为了做到这一点，泰森建立了这个星系团的计算机模型，并跟踪从源头发出的光线，让光线按所有可能的方式穿过星系团。然后，他使用广义相对论来确定适当的光路，直到光线产生的拟合最符合研究人员的看测结果。当尘埃落定的时候，泰森和他的协作者绘制出了这样一幅图（见图2-3），图片精确地展示了图2-2所示系统中的质量分布图形。
图2-3 星系团的质量分布图形
图2-3中可以看察到一个希奇的现象。图中的尖峰表达图2-2中可见星系的位置，但是，这个系统的大部分质量位于星系之间，分布在平滑的暗色的区域中。实际上，在这个系统中，星系之间不可见物质的质量是可见物质质量的40倍以上，是系统中所有恒星质量的300倍，其余的可见物质存在于恒星四周的高温气体中。由此可见，暗物质显然不仅仅存在于星系中，而且还主导着星系团的密度。
像我这样的粒子物理学家不会惊诧于暗物质在星系团中也占主导地位。虽然没有任何一点直接的证据，但我们都期看暗物质的数量足以构成一个平直宇宙。这意味着宇宙中必须存在着质量是可见物质质量100倍以上的暗物质。
理由很简单：平直宇宙是唯一数学上美丽的宇宙。这是为什么呢？
暗物质的总量是否足以产生平直宇宙，诸如通过引力透镜效应获得的看测结果（引力透镜是由大质量物体四周的本地空间曲率引起的；宇宙的平直性与空间的整体平均曲率相关，而不是和大质量物体四周的局部涟漪相关），以及最近天文学其他领域的看测结果都证实了星系和星系团中的暗物质总量远远超过了通过大爆炸核合成计算出的物质质量。现在我们几乎可以肯定，这些在众多不同的天体物理背景下得到独立证实的暗物质一定是由全新的东西组成的，这种东西既不是地球上存在的，也不是组成恒星的。但是，它的确存在！
银河系中存在暗物质，这个最早的推论催生了一个全新的实验物理学领域。很荣幸，我也在这个领域的发展中发扬了作用。正如我之前提到过的，暗物质粒子就在我们身边，它们在我正在打字的房间里，也在我探索的太空中。因此，我们可以通过实验来觅觅暗物质以及组成暗物质的新的基本粒子或粒子们。
这些实验在深埋于地下的矿井和隧道中进行。为什么要在地下进行呢？因为在地球表面，我们不断地受到来自太阳和更远远天体的各种宇宙射线的“轰炸”。暗物质由于其自身的特性，是不会产生电磁相互作用而发光的，同时它们与普通物质的相互作用极弱，因此很难检测得到。虽然我们天天都被数以百万计的暗物质粒子“轰炸”，但大多数的粒子都会穿过我们和地球，它们甚至并不“知道”我们在这里，我们也没有注重到它们。因此，假如你想发现暗物质粒子，只能等待一个极其罕见的情状，就是它们与普通物质的原子接触后发生了反弹。只有在地下，足够屏蔽了宇宙射线，人们才可能有所发现。即便如此，这种可能性也仅仅存在于理论上。
然而，当我写下这段话的时候，另一个令人兴奋的可能性出现了。瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机，也就是这个世界上最大和最有力的粒子加速器刚刚开始运行了。我们有很多理由信赖，在这个设备产生的极高能量下，质子被重击到了一起，这将在微看上的小区域中发明出和最早期的宇宙相似的条件。在这样的区域中，也许会产生在宇宙诞生之初发明出暗物质粒子的那些相互作用，这样就可以在实验室中产生类似的粒子！因此，一场伟大的竞赛已经开始。谁会第一个检测到暗物质粒子呢？是地下深处的实验者还是运用大型强子对撞机的实验者？好消息是，不论是谁最先有所发现，我们就都赢了，因为最终我们都会知道物质的本性是什么。
即使我所描述的天体物理测量没能显示暗物质的身份，它们也能够告诉我们有多少暗物质存在。一个美丽的推论最终直接确定了宇宙中的物质总量，这一推论得益于将利用引力透镜测量与看测来自星系团的X射线结合在一起。独立估量星系团的总质量是可行的，因为星系团中气体的温度与发出X射线的星系总质量有关。结果令人惊诧，却也令很多科学家失看。因为星系、星系团和它们四周物质的总质量只有构成一个平直宇宙所需要的总质量的约30%。这个总质量是可见物质质量的40倍以上，因此可见物质占组成平直宇宙所需质量的不到1%。
爱因斯坦假如还活着，他会惊异地发现，他的“小论文”绝不是“没有用处”。新的实验和看测工具为宇宙打开了新的窗口，新理论的发展将让他惊诧和欣喜，而暗物质的发现可能会使他血脉喷张。在这些新事物的扶助下，爱因斯坦进进弯曲时空世界的一小步最终变成了一个浩大的飞跃。到20世纪90年代初，宇宙学领域的一个梦想已然实现。看测结果展示我们生活在一个开放的宇宙中，这个宇宙将永远膨胀。又或者，这真的是宇宙学家们梦想中的结果吗？
假如仔细想一想，就会发现通过测量宇宙中所有物质的总质量，然后使用广义相对论方程来反推宇宙的净曲率的方法其实存在很大的潜在问题。因为，你会不可避免地往想：物质有没有可能以我们尚未发现的方式和我们“捉迷躲”？例如我们现在只能用星系和星系团这些可见系统的引力动力学来探知其内部物质的存在，那么假如还有大量的物质以其他方式“躲”在别的什么地方，我们就无法发现它们。因此，直接测量整个可见宇宙的几何形态可能是个更好的方法。
但是，如何才能测量整个可见宇宙的三维几何形态呢？从一个简单些的问题进手，可能会更轻易：假如不许绕地球一圈或者站在地球上方从卫星上鸟瞰，那么你如何推断一个像地球表面一样的二维物体是不是弯曲的？
首先，你可以问一名高中生，三角形的内角和是多少。（但是，请仔细抉择高中，欧洲的高中会是个比较好的抉择。）你会被告知答案是180度，因为高中生毫无疑问地学过欧几里得几何，也就是平面几何。而在一个弯曲的表面上，例如在一个球面上，你却可以画出一个内角和远大于180度的三角形。比如，我们可以在地球上画这样一个三角形，首先沿着赤道绘制一条直线，然后朝北极方向画个直角，再画另一个直角回到赤道，如图3-1所示。三个90度之和是270度，远远超过了180度，如你所见！
图3-1 在地球上画一个三角形
这种简单的二维思维可以直接扩展沿用到三维空间，因为最先提出非平面或者说非欧几何的数学家们意识到在三维空间中可能存在着类似的情形。19世纪最闻名的数学家卡尔·弗里德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss）就被宇宙也许是弯曲的这种假设所吸引，并对此极为着迷。他从19世纪20年代和30年代大地测量学的地图中摘取数据，来测量由德国的山峰霍希哈根峰（Hoher Hagen）、因塞伯格峰（Inselberg）和布罗肯峰（Brocken）所构成的大三角形。他的目的就是要看看空间本身是否存在曲率。当然，由于山峰本身就坐落在地球表面上，因此地球表面的二维曲率会骚乱他测量地球所在的三维空间的曲率。他肯定知道这一点。我推测他计划从最终结果中减往这部分额外的骚乱项，然后再看是否还存在剩余曲率。这部分剩余的曲率就可以回因于背景空间的弯曲。
第一位试图正确测量空间曲率的是一位名不见经传的数学家尼古拉·伊万诺维奇·罗巴切夫斯基（Nikolai Ivanovich Lobachevsky）。他住在偏远的俄罗斯喀山。和高斯不同，有两位数学家勇猛地在著作中明确提出了所谓双曲曲面几何的可能性，在这种情状下平行线可能会分道扬镳。罗巴切夫斯基就是其中之一，他在1830年出版了关于双曲几何的著作。现在我们将双曲几何描述的宇宙称为“负曲率”或“开放”宇宙。
不久之后，在考虑三维宇宙是否可能是双曲的时候，罗巴切夫斯基意见“研究一个由星体组成的三角形作为解决这个问题的实验方案”。他同时意见当地球分别在公转轨道两端的时候对明亮的天狼星进行看测。这两次看测之间相隔6个月。从看测中他得出结论，宇宙中任何一点的曲率半径至少是地球公转轨道半径的166 000倍。
这是一个很大的数字，但在宇宙尺度上它又是微不足道的。惋惜的是，虽然罗巴切夫斯基的想法很正确，但他却受限于当时的技术条件。150年之后，得益于对宇宙微波背景辐射的测量，事情终于有了转机。这是整个宇宙学的研究中最重要的一组看测结果。
宇宙微波背景辐射其实就是大爆炸所产生的余晖。它为宇宙大爆炸理论提供了另一条直接的证据。因为宇宙微波背景辐射答应我们直接追溯过往，探测曾经的那个年轻的、炙热的宇宙。而今天我们所看到的宇宙中的所有结构都是由那个年轻炙热的宇宙中孕育而生的。
关于宇宙微波背景辐射，有许多不普通的故事。其中之一是它的发现过程。世界上有那么多地方，它偏偏是在新泽西由两位完全不知道自己在觅觅什么的科学家发现的。另一个就是，它一直就在我们眼皮子底下，是随时都可以探测得到的，却被所有人完全漠视了。其实，假如你年纪足够大，很有可能你也曾见过它所产生的效应，却并没有意识到它的存在。你还记得有线电视出现之前的日子吗？那时所有频道都会在凌晨结束播放，而不是整夜播放节目。当节目播完，展示测试图案之后，屏幕将恢复为静电噪声状态。你在电视屏幕上看到的静电噪声中，大约有1%便是由大爆炸所遗留的辐射带来的。
宇宙微波背景辐射的起源还是很直看的。我们已知宇宙的年龄有限，正如第1章所述，是137.2亿年。当我们远看星空时，实际上是在看着过往的时光，因为光需要经过很长的时间才能从那些天体到达我们。因此，可以想象，假如我们看得足够远，就会看到大爆炸本身。尽治理论上存在这种可能性，但实际情状是，我们和那个最早的时间点之间隔着一堵“墙”。这堵“墙”并不是一面有形的墙壁，它和我正在写书的这个房间的墙壁不同，却在很大程度上具有相似的效果。
我的视线无法穿过房间的墙壁，因为它是不透明的，并且会吸取光。但当我看向越来越远的深空，我看见的却是越来越年轻，也越来越炙热的宇宙。这是因为宇宙自大爆炸以来一直在冷却。假如我能看得更远，能看到宇宙大约30万岁的时候，宇宙的温度约3 000开尔文。在这个温度下，环境中的辐射能量非常高，高到能让在宇宙中占统治地位的氢原子发生分裂，成为相互独立的质子和电子。因此，在这个时刻之前不存在中性物质。宇宙中由原子核和电子构成的普通物质，这时是由致密的“等离子体”组成的，而等离子体是在带电粒子与辐射的相互作用下产生的。
然而，等离子体对辐射来说是不透明的。等离子体内的带电粒子会吸取光子并将它们再次发射，因此辐射无法不受骚乱地穿过这样的物质。结果就是，假如我试图一直看向更久之前的过往，到最后我所能看到的图景将止于宇宙中的物质主要由等离子体组成的那一时刻。
我再用房间里的那面墙壁做个类比。我可以看见墙壁，只是因为墙壁表面的原子中的电子吸取了房间里的光线，然后重新发出光。我和墙壁之间的空气是透明的，所以我可以一直看过往，直到看到那面发着光的墙壁。宇宙也是如此，当我向外看往，我可以看到那个“最后散射面”。这是宇宙开始变为中性，质子与电子结合形成中性的氢原子的地方。从这一时刻开始，宇宙就在很大程度上对辐射透明了，而随着宇宙中的物质变为中性，现在的我才能看到那些曾经被电子吸取并再次发出的光。
依据宇宙大爆炸理论的推测，宇宙中应该存在来自最后散射面的辐射，它们从四面八方来到地球。自那个时刻以来，宇宙已经膨胀了大约1 000倍，因此这种辐射在行进到地球的过程中已经冷却到大约为3开尔文。这与两位科学家1965年在新泽西发现的信号精确吻合。后来，他们也因为这个发现而获得了诺贝尔奖。
最近，又有科学家因为对宇宙微波背景辐射的看测而获得了诺贝尔奖，并且更为实至名回。假如我们可以拍摄一张最后散射面的照片，那么我们就可以看到诞生之后仅仅30万年的初生宇宙和所有原初的结构。这些结构在后来塌缩为星系、恒星、行星，还有其他的一切，可能还包括外星人。最重要的是，这些结构在那时还没有受到动力学演化的影响。大爆炸最早期的那些奇异过程会使物质和能量产生微小的原始扰动，而随后发生的动力学演化则会将这些原始扰动的本质和起源掩盖起来。
然而，对我们当下的议题来说，最为重要的是最后散射面上存在一个特征尺度。这个尺度是时间本身的印记，与其他的一切无关。我们可以这样理解：对于一个在地球上的看测者而言，其视线在最后散射面上转动大约1度，就对应着大约30万光年。由于最后散射面对应着宇宙诞生后30万年的那一刻，且爱因斯坦告诉我们，宇宙中没有任何信息可以超越光速传递，这就意味着从某个地方发出的信号在那个时刻最多能够在最后散射面上传递大约30万光年的距离。
假设有一团尺寸小于30万光年的物质，由于自身的引力作用，这团物质将开始塌缩。但是，对于一个尺寸超过30万光年的物质团块而言，它并没有开始塌缩，因为它都甚至还不“知道”自己是一个团块。引力本身以光速传播，因此还不能穿过物质团块。就像大笨狼怀尔（Wile E. Coyote）(7)直接从悬崖上一跃而下后不上不下地悬挂在空中一样，这个物质团块会一直待在那里等待着塌缩，直到宇宙年纪更大的时候，塌缩才会开始。
在这里我挑了一个特殊的三角形给大家展示一下。它一边的长度是30万光年。这条边和我们之间的距离是已知的，是由我们和最后散射面之间的距离决定的，如图3-2所示。对于已经开始塌缩的物质团块，它们的尺寸应和这个角度所对应的距离相同。随着这样的团块开始塌缩，微波背景面的图像上就会产生不规则的热点图案。假如我们能够得到当时微波背景面的图像，那么，我们在这个图像上找到的那些最大热点的平均尺寸应该与这些团块的尺寸相当。
图3-2 一个特殊的三角形
然而，前文所说的这个角度是不是精确的1度，实际上是由宇宙的几何形态决定的。在平直宇宙中，光线始终沿直线传播。然而，在开放宇宙中，时间越早光线越向外弯曲。在封闭宇宙中，时间越早光线越向内聚集。因此，假如在最后散射面上有一把长度为30万光年的尺，在我们的视野中它的实际角度将取决于宇宙的几何形态，如图3-3所示。
图3-3 尺子的实际角度
这就为检测宇宙的几何形态提供了一个直接又简洁的方法。由于微波背景辐射图像中最大的热点或冷点的大小仅仅由引力只能以光速传播这个法则所决定，因此在当时可能会塌缩的最大区域单纯地由那个时候光线可以传播的最远距离所决定。同时由于那把尺子在我们视野中展开的角度只取决于宇宙的曲率，所以最后散射面的简单图像就可以向我们展示出时空的大尺度几何形态。
第一个尝试这种看测方法的实验是1997年在南极进行的由地面发射的气球实验。这个实验的名字是BOOMERANG，起这个名字的原因很简单，它就是地外辐射和地球物理微波气球看测（Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics）的缩写。一个微波辐射计连接在高空气球上，就像图3-4所展示的这样。
图3-4 地外辐射和地球物理微波气球看测
实验开始后，气球围绕世界飞行。这在南极很轻易做到，因为只需让气球绕着南极转个圈就行。气球从麦克默多（McMurdo）站出发，在极地风的扶助下，绕行南极洲一圈的旅程（见图3-5）花费了大约两个星期的时间。之后，气球回到了起点。也正因如此，这个实验被称为BOOMERANG（回旋镖）。
图3-5 气球绕南极洲一圈的路径
气球旅行的目的是绘出微波背景辐射的图像。为了反映出绝对零度以上3度的温度，要避免地球上各种热源的污染。但即使在南极，环境温度也比宇宙微波背景辐射的温度高出200多度，因此实验环境要尽可能地远离地面，甚至高过地球表面大部分的大气。理想情状下，可以使用卫星达到这个目的，但高空气球可以用更少的经费完成大部分工作。
两个星期后，BOOMERANG探测器返回了天空中微波背景辐射的一小部分图像。它就是来自最后散射面的辐射分布图。图上面分布着热点和冷点。我们将一幅BOOMERANG实验看察区域的图像叠加在图3-4上（见图3-6）：“热点”和“冷点”分别对应图片中深色和浅色的区域。
图3-6 BOOMERANG实验看察区域的图像
对我而言，这幅图像传达了两个信息。首先，通过和前景图像进行比较，它展示了BOOMERANG探测器在天空中看到的热点和冷点的实际物理尺度。再者，它也阐明了另一个重要的方面，即我们是宇宙近视（cosmic myopia）。在阳光绚烂的日子，我们抬头时会看到蓝天，就像图3-4所展示的那样。但这是因为我们的眼睛只能看到可见光波段的辐射。我们会这样进化，既是因为太阳表面发出的光线在可见光波段最强，也是因为许多其他波长的光会被大气所吸取，所以它们无法到达地球表面。这对我们而言是一种幸运，因为这些波段的辐射大部分可能是有害的。假如我们可以进化出能“看见”微波辐射的能耐，那么无论白天还是黑夜，只要不直视太阳，我们都将会看到那距我们超过130亿光年的最后散射面的图像。这也正是BOOMERANG探测器所返回的图像。
BOOMERANG探测器的首次飞行可以说非常幸运，因为南极地区有着不可预知的恶劣环境。在2003年的飞行中，整个实验由于气球故障和随后出现的风暴差点失败。在气球即将被吹到某个人们尚无法前往的区域前的一刻，科研人员下达了把包含科学数据的加压仓从气球上释放的指令，最终挽救了整个实验。在后续的搜索救援行动中，人们在极地平原上找到并取回了包含科学数据的加压仓。
在阐明BOOMERANG探测器获得的图像之前，有必要再强调一下，BOOMERANG探测器获取的图像上笔录的热点和冷点的实际物理尺寸是由最后散射面简洁的物理机制所确定的，而图像上热点和冷点的测量尺寸则取决于宇宙的几何形态。一个简单的类比可能有助于进一步阐明结果：在二维空间中，封闭的几何体类似于球体的表面，开放几何体类似于马鞍的表面。假如我们在这些表面上画一个三角形，我们会看察到图3-7中的效果，直线在一个球体表面上汇聚，而在马鞍表面上发散，在平面上则仍是直线。
图3-7 在不同表面上的三角形
现在最重要的问题是，BOOMERANG探测器获取的图像中的热点和冷点到底有多大？为了回答这个问题，BOOMERANG项目的参与者们在计算机上预备了几个在封闭、平直和开放宇宙中模拟热点和冷点的图像。他们将这些图像与真实微波天空的另一张伪彩色图像进行了对比（见图3-8）。
图3-8 模拟图像与真实图像的对比
假如检查左下角这张模拟出来的封闭宇宙的图像，你将会发现，斑点的平均尺寸大于看测到的真实宇宙中斑点的大小。而在右下角的图中，斑点的平均尺寸又较小。但是，就像《金发姑娘和三只熊》（Goldilocks）故事中的那头宝贝熊的小床一样，中间图像对应平直宇宙的那些斑点的尺寸却是“刚刚好”的。理论家所期看的数学形式美丽的宇宙似乎被这一看测所证实，即使它和通过称量星系团质量得出的结论存在着明显的冲突。
事实上，平直宇宙的预言和BOOMERANG探测器获得的图像一致这个结果相当令人尴尬。通过检查图像中的斑点，搜觅其中最大的那些在最后散射面对应的一刻发生明显塌缩的点，BOOMERANG团队得到了图3-9。
图3-9 BOOMERANG团队得到的图
在这张图中，实测数据用点表达。实线则给出了平直宇宙的推测结果，其峰值在接近1度的地方！
在BOOMERANG团队发布了实验结果之后，美国国家航空航天局发射了一个灵敏度比BOOMERANG高得多的宇宙微波背景辐射卫星探测器，也就是威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）。这个探测器以已故普林斯顿物理学家戴维·威尔金森（David Wilkinson）的名字命名。假如不是贝尔实验室的科学家拔得头筹，他原本应该是最早发现宇宙微波背景辐射的物理学家之一。WMAP于2001年6月被发射到距离地球100万英里(8)的地方，位于地球背对太阳的那一面。在那里它可以看察微波天空，而不会受到阳光的骚乱。在7年的看测中，它获取了整个微波天空的图像。它不仅不像BOOMERANG探测器那样受限于地面环境且只能看测部分天空，而且其获得的图像达到了前所未有的精度（见图3-10）。
图3-10 WMAP获得的图像
图3-10中，整个天空都投影在同一个平面上，就像将地球的表面投影到地图上一样。在这张图中，银河系的平面在赤道位置，银河系平面上方的90度是这个地图上的北极，平面下方的90度是南极。银河系本身的图像已经从地图中往掉了，这样我们就可以看到纯粹来自最后散射面的辐射分布图。
有了如此精确的数据，我们就可以更正确地估量宇宙的几何形态。与BOOMERANG探测器获得的图像类似，WMAP获得的图像进一步证实了我们生活在一个平直宇宙中，误差仅为1%！理论家们的期看是正确的。然而，我们仍不能漠视这个结果与第2章中的结论明显不一致。通过测量星系和星系团的质量，计算出的宇宙质量只是构成一个平直宇宙所需质量的1/3。这一矛盾还有待解决。
虽然理论家们可能会为推测到宇宙是平直的而额手称庆，但出乎人们预料的是，大自然早已预备了惊喜，以解决通过称量宇宙和测量曲率这两种方法所得结果之间的矛盾。构成一个平直宇宙所需要的质量中缺失的那部分，实际上也一直隐躲在我们眼下。
前进一步，又后退两步，这似乎就是我们在试图理解和正确描述宇宙时所要面对的现实。虽然依据看测结果我们最终确定了宇宙的曲率，也在这一过程中证实了长久以来的理论推测，但是，即使已知宇宙中存在的物质质量是质子和中子质量的10倍，加上宇宙中存在大量的暗物质，占了构成平直宇宙所需质量的30%，这些已知的物质却仍然远不足以提供构成平直宇宙所需的能量。对宇宙几何形态的直接测量，以及后续对平直宇宙的确定，意味着宇宙的总能量中有70%仍然未被发现。这些能量既不在星系甚至是星系团内部，也不在它们的四周。
然而，这一切并没有给人们带来过多的震动。因为在测量宇宙的曲率，以及测定星系团中物质的总量（如第2章所述）之前，已经有迹象表明当时传统理论所预言的宇宙图景，即宇宙在空间上是平直的并且包含有足够（我们已知的3倍）的暗物质这一描述，与看测结果是不一致的。早在1995年，我和来自芝加哥大学的同事迈克尔·特纳（Michael Turner）共同发表过一篇与主流看点不合的文章，其中就指出过这种传统的宇宙图景不可能是正确的。我们认为，唯一能够将平直宇宙（我们当时的理论偏好）与对星系成团性及其内部动力学的推断结果统一起来的阐明就是，宇宙本身极为奇异。这个奇异的宇宙曾出现在爱因斯坦于1917年提出的那个疯狂的想法中。当时，爱因斯坦提出这个想法是为了解决理论推测与他认知中的静态宇宙之间明显的矛盾，然而后来他自己推翻了这个想法。
在我的印象中，我们发表这篇文章的初衷主要是指出当时普及的认知中存在的一些错误，而非提出一个最终的解决方案。我们提出的看点在当时显然是太过疯狂且令人难以置信的。因此，当我们在3年后发现这个非主流的看点竟然恰好正确的时候，可能没有人比我们自己更惊诧！
让我们回到1917年。那时爱因斯坦提出了广义相对论，并且用这套理论成功阐明了水星近日点的进动，为此他兴奋到发生了心悸。但是他也不得不面对一个事实，那就是他的这套理论无法阐明静态宇宙，也就是当时他心中宇宙该有的样子。
假如那时他更有信心和勇气，他或许就会预言宇宙并不是静止的。然而他没有。相反，他认为可以对自己的理论做一个小小的修改，而且这个修改与他最初用于推导广义相对论的数学推理完全一致。经过这次修改，一个静态的宇宙似乎成为可能。
爱因斯坦的广义相对论方程虽然细节很复杂，但总体结构相当简洁。方程的左边描述了宇宙的曲率和作用于物质与辐射之上的引力强度。它们都取决于方程右边的参数。这些参数反映了宇宙中各种能量和物质的总密度。
爱因斯坦发现，可以在方程的左边加进一个额外的很小的常数项，用于表征物体之间随着距离增加而减小的引力之外，存在于整个空间中的一个额外的微小且恒定的斥力。假如这个斥力足够小，那么它在人类甚至太阳系的尺度上就可能是检测不到的，但它又能保证在这样的尺度上牛顿的引力定律仍能完美适用。爱因斯坦阐明说，假如这个斥力在所有的空间都是不变的，那么即使它很小，当它作用在银河系的尺度上时，就足以抵消远远的天体之间存在的引力。他据此推断有可能正是这个原因导致了在大尺度上宇宙是静态的这个事实。
爱因斯坦把方程中这个额外的项称为宇宙项。由于它仅仅是方程中一个额外的常数，因此人们现在通常将其称为宇宙常数。
当爱因斯坦发现宇宙实际上正在膨胀的时候，他立刻就删除了方程中这一额外的项。据说，他把自己在方程式中添加这一项的决定视为一生中最大的错误。
但是要把这个额外的项往掉绝非易事，就像我们很难把牙膏挤出来之后再放回管子里。现在我们对宇宙常数已经有了一个完全不同的熟悉，所以即使爱因斯坦当初没有加进这一额外的项，在其后的日子里也会有其他人这样做。
将爱因斯坦添加的宇宙项从方程左边移到右边，这对于数学家来说是一小步，但对物理学家而言则是一个浩大的飞跃。尽管从数学上看这样做无足轻重，但是一旦将这一项移到右边，也就是将其移到代表宇宙中所有能量的这一边，它的物理意义就完全不同了，它代表了宇宙总能量新的组成部分。但这个部分究竟是什么呢？
答案是，空无。
空无，并不是说什么都没有，而是一种特殊的存在。这里的“空无”，指的就是我们通常所说的真空。也就是说，假如我选定一个区域，把里面所有东西，包括尘土、气体、人，甚至穿过其间的辐射，也就是将这个区域里一切的一切，都取走，假如此时这个区域里还剩下些什么，那就是对应于爱因斯坦所定义的宇宙常数的存在。
这一切使得爱因斯坦定义的宇宙常数看起来更加古怪了！任何一个四年级的学生都能回答你什么都没有的空间里没有能量，即使他们还不知道能量是什么。
这是因为，大多数四年级学生没有学习过量子力学，也没有学习过相对论。当我们把爱因斯坦的狭义相对论和量子宇宙结合到一起时，这种“真空”就变得更加希奇了。它的特性太过离奇，以至于首先发现和分析这种新特性的物理学家也很难信赖它真的存在于现实世界中。
第一个成功地将相对论和量子力学相结合的人是聪明干练的英国理论物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）。他在量子力学理论的发展中发扬了主导作用。
量子力学是在1912年至1927年发展起来的，主要借由几位科学家的杰出奉献，其中的代表人物是丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr），还有年轻聪慧的奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger），以及德国物理学家维纳·海森堡（Werner Heisenberg）。量子世界最初由玻尔提出，薛定谔和海森堡在数学上进行了修正，它挑战了以往人们凭体会获得的常识和所有建立于人类尺度上的看念。玻尔最先提出，原子中的电子绕着原子核运动，就像行星绕着太阳运动一样。他证实了原子光谱（不同元素发射光的频率）的法则只能阐明为由于某种原因，电子被限制在一系列对应着固定的“量子能级”的稳定轨道中旋转，而不能自由地向原子核旋进。通过吸取或发射频率离散的光，或者说光量子，电子就可以在不同能级间移动。这种光量子正是1905年马克斯·普朗克（Max Planck）首次提出的量子。量子的提出是为了阐明高温物体产生的辐射。
然而，玻尔提出的“量子化规则”看上往就像生移硬套的，缺少强有力的理论作为支撑。20世纪20年代，薛定谔和海森堡分别证实，“量子化规则”可以从第一性原理中推导得到，但前提是电子所遵循的动力学规则与像棒球这样的宏看物体所遵循的动力学规则不同。电子可以表现得既像波又像粒子，可以在空间中扩散，由此，薛定谔给出了电子的“波函数”。此外，对电子属性的测量仅产生概率上的测定结果，且不同属性的各种组合在同一时间并不能被精确测量，由此，海森堡提出了“不确定性原理”。
狄拉克证实，海森堡所提出的描述量子系统的数学模型（海森堡因为这一发现获得了1932年的诺贝尔奖）可以通过与传统宏看物体动力学中那些众所周知的定律仔细类比推导出来。后来，他还证实了薛定谔提出的“波动力学”的数学表达式也可以如此推导出来，并且在形式上等同于海森堡方程式。但是，狄拉克也知道，玻尔、海森堡和薛定谔的量子力学虽然非同凡响，却仅适用于特定的系统。这些系统本身就是通过类比适用牛顿定律的经典物理系统建立的，而不是以爱因斯坦的相对论作为基础。
狄拉克喜欢用数学而不是图像来探求。当他将致力于让量子力学和爱因斯坦的相对论统一起来时，他便开始尝试使用各种不同形式的方程。其中就包括复杂的多组分数学系统。这类系统是描述电子“自旋”这一现象的前提之一。自旋，指的是电子会像小陀螺一样旋转并因此具有角动量的现象。在这个过程中，它们会绕任意轴以顺时针或逆时针旋转。
1929年，他终于成功了。薛定谔方程可以美丽、正确地描述电子以比光慢得多的速度运动时的行为。狄拉克发现，假如将薛定谔方程修改为更复杂的矩阵形式，就可以同时描述四个不同却又耦合在一起的方程，也就可以将量子力学和相对论统一起来，进而原则上就可以进一步描述那些包含高速运动电子的系统的行为。
然而这带来了一个新问题。狄拉克建立这个方程的初衷是描述电子与电场和磁场相互作用时的行为。但是他的方程中似乎还需要弥补一种新的粒子。这种粒子的行为就像电子一样，却具有和电子相反的电荷。
当时，自然界中只有一种已知的基本粒子有着与电子相反的电荷，那就是质子。但除了这个特征以外，质子和电子完全不同。从质量上看，质子就比电子大了2 000倍！
狄拉克感到十分困惑。在失看之中，他提出，这种新的粒子实际上就是质子，但是出于某种原因，当质子在空间中移动时，它们之间的相互作用会使它们表现得比实际更重。但没过多长时间，包括海森堡在内的其他科学家就证实了这个提议并不成立。
大自然很快就挺身而出。在狄拉克提出他的方程不到两年之后，他就舍弃了之前的想法并抉择接受自己的理论的正确性，认为这种新粒子是必然存在的。一年之后，那些看测并研究不断轰击地球的宇宙射线的实验者就发现了这种新粒子存在的证据。这种新粒子与电子几乎一模一样，却具有相反的电荷。它们被称为正电子。
事实证实狄拉克的理论是正确的，但是他也承认之前对自己的理论短缺自信。后来他曾说，还是他的方程更聪明！
现在我们称正电子是电子的“反粒子”，因为事实证实狄拉克的理论在自然界中普及适用。需要电子存在对应反粒子的物理模型要求自然界中几乎每一种基本粒子都要有对应的反粒子存在。例如质子和反质子。即使是中性粒子，如中子，也有对应的反粒子。当粒子和反粒子相遇时，它们将湮灭，转化为纯粹的辐射。
尽管这些听起来就像是科幻小说，并且反物质也确实在《星际迷航》这部科幻作品中起着重要作用，世界各地的大型粒子加速器还是一直在发明反粒子。因为反粒子具有与粒子相同的性质，所以反物质世界中事物的行为模式与物质世界相同。在反物质世界的反月亮下面，反情侣也会坐在反汽车里谈情说爱。我们所在的宇宙之所以是由物质组成，而不是反物质或者同样多的正反物质组成，可能仅仅是个意外。稍后我们将会讨论导致这个意外的更深刻的原因。
反粒子的存在使我们可看察的世界更为有趣，但同时也使真空的概念更加复杂。
对于为什么相对论需要反粒子的存在，传奇物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）率先给出了一种直看的阐明，并图形化地阐明了真空为什么并不是空的。
费曼熟悉到，相对论告诉我们，以不同速度移动的看测者在测量距离和时间等参数时会得到不同的结果。例如对于移动得很快的物体，时间会减慢。假如物体可以移动得比光速更快，那么它们将能回到过往。而这也正是光速通常被认为是宇宙极限速度的原因之一。
量子力学中存在着一个最基础的原理，即海森堡不确定性原理。正如前文所述，这个原理指出，在同一时刻，对于一个给定系统，它的某对参数，如位置和速度，其精确值是无法被同时测定的。或者说，假如仅在固定的、有限的时间间隔内测量给定系统，测量者是无法精确测定其总能量的。
这就意味着，假如给你一段很短的时间，短到你无法在其间精确测量粒子的速度，那么量子力学就答应这样一种可能性出现：这个系统内粒子的运动速度似乎比光速还快！假如它们的运动速度可以超过光速，爱因斯坦告诉我们，它们看上往必定像是在逆着时间移动！
勇猛的费曼认真地考虑了这个明显荒谬的可能性，并探讨了这种可能性会带来的影响。他画了一张电子移动的图，如图4-1所示。电子在移动过程的中间部分会时而加速到超过光速。
图4-1 费曼绘制的电子移动图
费曼熟悉到，在这种情状下相对论告诉我们，另一个看察者的测量结果可能会如图4-2所示。电子先是会随着时间向前，然后逆着时间向后运动，然后再次向前移动。
图4-2 另一个看察者的测量结果
然而，逆着时间运动的负电荷在数学上就等于顺着时间向前的正电荷。因此，相对论要求有与电子质量相同，其他性质也相同的带正电荷的粒子存在。
在这种情状下，人们可以重新阐明费曼的第二幅图：一个电子在空间中移动，然后在空间的另一个点，一个正电子-电子对从真空中被发明出来，再后来正电子与第一个电子相遇并发生湮灭。最后，剩下的那个单独的电子又陆续向前移动（见图4-3）。
图4-3 重新阐明费曼的第二幅图
假如你觉得这个阐明还算合理，那么请陆续考虑以下几点：在一段时间内，虽然一开始只有一个粒子，并且最后也只剩一个粒子，但在其中一段很短的时间内会有3个粒子同时存在（见图4-4）。
图4-4 3个粒子同时存在
在中间那个短暂的时期，至少存在一个瞬间，有新的东西无中生有！费曼在他1949年发表的《正电子论》中用一个有趣的比喻精辟地描述了这个明显的悖论。
这就像低空飞行的轰炸机里的一个炮兵，他正从投弹瞄准器中盯着一条马路。这时，他突然看到了三条路，但当其中两条路汇聚到一起又再次消失时，他才意识到他只是擦过了刚才那条路上一段往复的“之”字形路段。
只要这个“‘之’字形路段”出现的时间很短，短到我们无法在此期间直接测量所有的粒子，那么量子力学和相对论不仅答应这种荒诞的情状存在，而且要求它必须存在。在极短的时间尺度上出现又消失，并且无法被测量的那些粒子称为虚粒子。
在真空里发明出一整套无法测量的新粒子，这就仿佛是在讨论针尖上能站几个天使这样的玄学。假如这些粒子没有其他可测量的效应，那么这个想法就毫无用处。尽管这些粒子无法直接看测，它们所产生的间接影响却造就了我们今天所居住的这个宇宙的大部分特征。不仅如此，这些粒子产生的影响还可以被无比精确地计算出来。
这里以氢原子系统为例。玻尔为阐明这个系统拓展了他的量子理论，后来薛定谔也曾试图用他那个闻名的方程来描述这个系统。量子力学的美好之处在于，它可以阐明氢气被加热时发出光线的特定颜色。这套理论认为围绕质子运动的电子只能存在于离散的能级上，并且当它们在不同能级之间跃迁时只能吸取或发射一系列固定频率的光。薛定谔方程还可以用来计算和推测相应的频率，得到近乎完全正确的结果。
但是，并不完全正确。
当人们对氢的光谱进行更仔细的看测时，人们发现它比之前估量的更为复杂。在之前看测到的能级之间，人们看到了能级的进一步细分，即光谱的“精美结构”。自玻尔时代以来，这种细分就是已知的。人们曾经怀疑这种能级的细分可能和相对论有关。然而，在整个围绕相对论的理论体系建立起来之前，没有人能证实这种推测。令人兴奋的是，狄拉克的方程比薛定谔方程更成功地改良了理论的推测结果，从理论上计算出了实际看测到的光谱结构，其中就包括了光谱的精美结构。
到目前为止，一切看上往都很完美。但是1947年4月，美国实验者威利斯·兰姆（Willis Lamb）和他的学生罗伯特·雷瑟福德（Robert C. Retherford）进行的一次实验却使情状发生了转折。起初他们的实验显得完全没有具体的科学目的。实验的起因是他们发现自己的实验室具有精确测量氢原子能级结构的技术条件，其测量精度可以达到一亿分之一。
那为什么他们还要往测这个？这是因为，每当实验者发现一种新的方法可以把之前可能达到的测量精度大大提高时，他们往往就会产生足够的实验动机。全新的世界往往会在这个过程中被显示出来，就像1676年荷兰科学家安东尼·菲利普斯·范·列文虎克（Antonie Philips van Leeuwenhoek）第一次用显微镜盯着一滴看上往什么都没有的水滴却发现里面布满着微生物一样。对于氢原子能级的精美测量而言，这两位实验者的动机相对更明确。这是因为在兰姆进行这次实验之前，所有实验都无法达到验证狄拉克的推测所需要的精度。
狄拉克方程所给出的推测在大致结构上与看测结果一致，但是兰姆想要回答的要害问题是这个推测在细节上的推论是否也足够正确。这个实验是能够验证这套理论的唯一途径。当兰姆验证这一理论时，理论似乎给出了错误的答案，其与实验结果的区别大约在一千万分之一，高于他所使用的测量设备的探测灵敏度。
理论与实验之间这么微小的区别看起来无关紧要。但是狄拉克理论的推测结果是明确的，实验的看测结果也是明确的，然而它们却不一样。
在接下来的几年中，物理学界那些顶尖的理论家们都转往研究这个问题，试图找到产生这个区别的原因。在他们不断的努力之下，问题有了答案。当尘埃落定的时候，人们意识到狄拉克方程实际上精准地给出了正确答案，但前提是必须把虚粒子的影响考虑进来。以下一系列图片有助于理解这一点。氢原子在化学书籍中通常是这样画的：质子在中心，电子围绕它运动，并在不同的能级之间跃迁，如图4-5所示。
图4-5 化学书籍中氢原子的画法
然而，一旦我们答应电子-正电子对可以自发地从真空中突然出现并存在一段时间，然后再发生湮灭，那么在任意一段极短的时间内，氢原子其实看起来就如图4-6所示。在图4-6的右边，我画了一对这样的正负电子，它们将在图的上方湮灭。虚电子因为带负电荷，倾向于更靠近质子，而正电子则会待在较远的地方。从这张图中就可以清楚地看出，氢原子中实际电荷的分布在任何时刻都不是简单地用单个电子和质子就能描述的。
图4-6 一段极短时间内的氢原子
值得注重的是，通过费曼和其他科学家的勤劳研究，物理学家们现在已经学会了利用狄拉克方程对所有可能间歇存在于氢原子四周的虚粒子对氢原子光谱造成的影响进行高精度的计算，并由此得到了最完美、最正确的科学推测。相较之下，所有其他的科学推测都黯然失色。在天文学方面，宇宙微波背景辐射的最新看测结果与理论推测进行比较时，精度可以达到十万分之一左右。这样的精度已经令人叹为看止。然而，使用狄拉克方程并考虑虚粒子的存在，可以计算出原子参数的值，将其与看测值进行比较，两者在十亿分之一甚至更高量级的精度上都能保持惊人的一致性！
因此，虚粒子的确存在。
虚粒子为原子物理带来了惊人的精确度，而在另一个地方它同样发扬着要害作用，且它与本书的核心问题更是亲昵相关。虚粒子和人类身体大部分的质量以及在宇宙中一切可见的东西都有关系。
20世纪70年代，人们在对物质基本构成的探索中取得的浩大成就之一是发现了可以正确描述夸克之间相互作用的理论。夸克是组成质子和中子的粒子。质子和中子构成了物质的主体，你和你所能看到的一切都是由它们构成的。与这套理论相关的数学非常复杂，甚至在这一理论提出几十年后，计算技术才发展到能够处理它的水平。对于夸克之间强相互作用力变得明显的区域更是如此，人们花费了浩大的财力物力，建造了可以同时利用数万个独立处理器进行并行计算的复杂计算机阵列，目的就是研究质子和中子的基本属性。
基于上述工作，我们现在对质子的内部情状已经有了较深进的了解。那里可能有3个夸克，但除此之外还有很多别的东西。特殊是虚粒子，它们总会不时出现，反映出传递夸克之间强相互作用力的粒子和场。图4-7反映了质子内部的样子。当然，这不是一张真正的照片，而是一种艺术化的显现。它用数字方法实现了数据可视化，展示了掌握着夸克以及束缚它们的场的动力学特征。其中那些奇异的外形和不同的阴影所反映的是当虚粒子自发地突然出现又消失的时候，它们彼此之间的相互作用以及它们与质子中的夸克相互作用的场的强度。
图4-7 质子内部的艺术化显现
质子中会不时地大量充斥着这些虚粒子。当我们试图估算它们可能对质子的质量有多大奉献时，我们发现夸克本身的质量很小，而由这些虚粒子发明出的场却奉献了质子静止能量中的一大部分，因此它们也就构成了质子静止质量中的一大部分。对于中子来说也是如此。而你又是由质子和中子构成的，所以对于你来说也是如此！
假如可以计算出虚粒子对原子内部及其四周空间的影响，并且可以计算出虚粒子对质子内部空间的影响，那么我们不就能计算出虚粒子对真空的影响了吗？
然而，这个计算过程远比想象的更困难。这是因为当我们计算虚粒子对原子或质子质量的影响时，我们实际上计算的是包含了虚粒子的原子或质子的总能量和虚粒子在没有原子或质子存在的情状下，即在真空中奉献的总能量，然后将这两个数字相减，以研究虚粒子对原子或质子的净影响。我们这样做的原因是当试图求解对应的方程时，这两种能量中的每一种在形式上都是无穷大的。但当我们将这两个量相减时，最终可以得到一个有限的差值，更重要的是，这个结果和测量值精确吻合！
然而，当我们想要计算虚粒子对真空的单独影响时，却没有可以相减的值，所以得到的答案是无穷大。
但对物理学家而言，无穷大并不是一个令人称心的结果，因此我们需要尽可能地避免它的出现。显然，就这个问题而言，真空或者其他任何事物的能量从物理上来说不应该是无穷大的，所以我们必须找到一种计算方法，算出一个有限的值。
产生无穷大的原因很轻易阐明。当我们考虑可能出现的所有虚粒子时，海森堡不确定性原理指出测量系统能量的不确定度与看测时间的长度成反比，这就意味着空间中可以有携带更多能量的粒子自发地从无到有地出现，只要它们在短时间内消失即可。因此，原则上只要它们在近乎无限短的时间内消失，这些粒子就可以携带近乎无穷大的能量。
然而，我们所能理解的物理定律只适用于距离和时间大于某一特定值的情状。在特定值以下的尺度，要理解引力及其与时空的关联效应则必须要考虑量子力学的影响。在拥有“量子引力”理论之前，对特定值以下尺度的推断都不可信。
假如与量子引力相关的新理论将能够以某种方式消除存在时间比所谓的“普朗克时间”更短的虚粒子的影响，那么我们再考虑虚粒子的能量累积效应时，就可以只考虑那些能量小于等于这个阈值的虚粒子，从而估算由虚粒子奉献给真空的能量，且这个能量值是有限的。
但问题接踵而至。这个估算值竟然是宇宙中所有已知物质，包括暗物质所携带的能量的大约1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000倍！
假如说考虑了虚粒子之后进行的对原子能级间隔的计算是物理学中最完美的一个，那么这个对于真空能量的估算无疑是最糟糕的一个！因为它高出宇宙中所有其他物质的能量总和120个量级。假如真空能量以及它所对应的宇宙常数真有这么大的话，那么其中包含的斥力将大到能将今天的地球炸毁。更可怕的是，即便在宇宙早期这个斥力也大到能让如今宇宙中所有的东西都在大爆炸后半秒内分崩离析。也就是说宇宙中将没有任何结构，没有恒星和行星，当然也不会有人类。
这个问题，被科学家们恰如其分地称为“宇宙常数问题”。它在我读研究生之前就一直存在。大约1967年，俄罗斯宇宙学家雅科夫·泽尔多维奇（Yakov Zel'dovich）首次明确提出了这个问题，但直到现在也没有解决。也许，它是当今物理学中有待解决的一个最重要的基本问题。
尽管这个问题已经悬置了40多年，理论物理学家却知道答案应该是什么。就像四年级的学生会推测真空能量必然为零，物理学家也觉得，当终极理论最终出现时，它必然会阐明如何消除虚粒子所带来的影响，以及如何让真空能量恰好为零，或者说，阐明真空是怎么空的。
我们自诩有着比四年级学生更好的推理能力，因此我们显然知道要将真空能量的大小从简单估量所得的浩大的数值减小到符合看测结果答应的上限。这就需要以某种方式从一个非常大的正数中减往另一个非常大的正数，使其相互抵消到小数点后120位，然后在小数点后第121位留下非零值！但是，如何才能将两个极大的数抵消得如此精确，并留下微乎其微的结果，这在科学上还没有先例。
不过零是很轻易产生的数字。自然界的对称性经常答应我们证实，一次计算中的两个项数值相等符号相反，正好完全抵消，什么都没剩下，或者说只剩下空无。
因此，理论家们又可以高枕无忧了。虽然我们还不知道如何求解，但正确答案已经放在那里了。
然而，大自然有不同的想法。
特纳和我在1995年提出的看点是极其偏离主流思想的。仅仅基于理论推断，我们便预言宇宙是平直的。需要再次强调，这里“平直”的三维宇宙并不是形似煎饼的二维平面，而是人们能够直看想象的三维空间，其中的光线沿直线传播。与之相对的是人们更难想象的弯曲的三维空间，其中的光线不再是沿直线传播，而是沿着空间的曲率传播。我们进而推断，要想让当时所有有效的宇宙学数据都符合平直宇宙，只有一种可能，那就是宇宙中大约30%的能量存在于某种形式的“暗物质”中，也就是看测结果证实的存在于星系和星系团中的暗物质。更为离奇的是，剩下的70%的能量不存在于任何形式的物质中，而是存在于真空本身。
无论从哪个角度来看，我们的想法都是疯狂的。为了使宇宙常数和我们的推断相一致，第4章所述的那个估量值必须以某种方式减小120个数量级，且不能减小到零。这将涉及对自然界中已知的所有物理量进行最严厉的调整，但我们完全不知道具体该怎么做。
正因如此，我在各个大学做关于平直宇宙困境的演讲时，除了被报以微笑，得不到任何其他的回应。也许没多少人曾经严厉地对待过我们的提议，甚至包括特纳和我。我们想通过这篇文章生动地显现一个事实，一个在我们和世界各地的几位理论家同事眼中越发清楚的事实：当时“准则”的宇宙学模型肯定在哪里出了问题。这个当时“准则”的模型指出符合广义相对论的平直宇宙中，几乎所有的能量都应该存在于那些奇异的暗物质当中，还有一些零星的能量散布在人类、恒星、可见的星系这些重子物质中。
一位同事最近告诉我，在特纳和我的文章发表后的两年里，这篇文章被引用的次数屈指可数，而且这些引用了我们看点的论文中，除了个别的一两篇，其他都是特纳或我写的！看来，虽然宇宙经常令人费解，但科学界的大部分人并不认为它会像特纳和我所描述的那么疯狂。
摆脱平直宇宙困境最简单的构思是承认宇宙并不是平直的，而是开放的。然而，这种构思也有问题，只是这些问题在当时还未显现。因为在开放宇宙中，假如我们反向追踪现在平行的光线，它们会在远处发散开，但宇宙微波背景辐射的测量结果已经明确否定了这一点。
任何高中选修物理的学生都知道引力是物质间相互吸引的力，这种力普及存在。科学的发展使我们熟悉到拓宽构思的必要性，因为大自然比我们更富有想象力。假设引力能使宇宙的膨胀一直减慢，那我们就可以进一步假设，某个与我们有一定距离的星系的退行速度，自大爆炸以来一直是恒定的，以此求得宇宙年龄的上限。这是因为，假如宇宙的膨胀一直在减速，那么星系过往的退行速度比现在更快，假如它一直保持当时的速度，那么到达今天的位置所需要的时间会更短。以物质主导的开放宇宙会比平直宇宙减速得更慢，因此用同一天测得的膨胀速率来推断，开放宇宙的年龄将会大于同为物质主导的平直宇宙的年龄。而且，它将更接近于假设宇宙膨胀速率不随时间改变时所推断出的宇宙年龄。
之前，我们曾经讨论过，一个能量不为零的真空将产生一个宇宙常数，或者说斥力。这意味着宇宙的膨胀将随着时间的流逝而加速，因此星系的互相分别在以前会比今天更加缓慢，它们到达今天的位置所需的时间也会比宇宙膨胀速率恒定的情状下更长。的确，对应于如今已经确定的哈勃常数，宇宙可能的最长寿命约为200亿年。这是在考虑了宇宙常数以及可见物质和暗物质的总量的情状下得到的，前提是我们可以依据今天宇宙中的物质密度调整宇宙常数的取值。
1996年，我与布赖恩·查博耶(Brian Chaboyer)以及耶鲁大学的协作者皮埃尔·德马尔凯（Pierre Demarque），还有凯斯西储大学（Case Western Reserve）的博士后彼得·克南（Peter Kernan）协作，确定了银河系中最古老的恒星的年龄下限。这个年龄下限大约为120亿年。我们在高速计算机上模拟了数以百万计的不同恒星的演化，并将它们的颜色和亮度与银河系中的球状星团中实际看测到的恒星进行比较，因为长期以来球状星团被认为是最古老的天体之一。假设银河系的形成需要大约10亿年，这个下限不仅有效地清除了物质主导的平直宇宙的可能性，还更倾向于一个带有宇宙常数的宇宙。这也是之前我与特纳得出文章中结论的原因之一，而开放宇宙则犹豫在可能与不可能之间。
上述对最古老恒星年龄下限的估量是基于当时看测所能达到的最高精度。1997年，新的看测数据使我们对这个年龄的估量值减少了大约20亿年，这也就意味着宇宙更年轻了。这下情状变得更加不明朗了，因为现有的三种宇宙学看点再次全部有了正确的可能。我们不得不从头再来。
但在1998年，这一切突然发生了转折。巧合的是，同一年，BOOMERANG实验证实了宇宙是平直的。
在哈勃测量宇宙膨胀速率之后的70年间，天文学家们的不懈努力使得哈勃常数的数值一直在下降。在20世纪90年代，他们终于发现了一种“准则烛光”，也就是一类天体，这类天体自身的亮度是可以独立确定的，所以只要看测者测量它们的视星等，就可以利用视星等和天体自身的亮度推断出天体与地球之间的距离。准则烛光看上往很可靠，而且易于看测。
宇宙中有一种特殊的爆发中的恒星，它们被称为1a型超新星。近期的研究表明，它们的亮度和发光的继续时间之间存在特定的关系。在测量一颗给定的1a型超新星的发光时间时，还需考虑宇宙膨胀引起的时间膨胀效应。时间膨胀效应的存在意味着测量所得的这类超新星的寿命比它在自身的静止参考系中的实际寿命要长。尽管如此，我们还是可以推断出它的绝对亮度，利用看远镜测量其视亮度，并最终确定发生超新星爆炸的宿主星系与我们的距离。同时，测量该星系的红移则可以进一步扶助我们确定星系的退行速度。将两者结合起来，随着测量精度的提高，我们就可以正确测量宇宙的膨胀速度。
因为超新星特殊明亮，它们不仅是测量哈勃常数的好工具，还可以让看测者们通过它们看向宇宙深处，看察整个宇宙历史的相当一部分。
对超新星的看测带来了一个新奇刺激的可能性。看测者们认为这是一个令人雀跃的研究目的：通过它们来测量哈勃常数在宇宙演化期间的转变。
测量一个常数如何转变，这听起来似乎自相矛盾。这是因为和宇宙的时间尺度相比，人类个体生存的时间太短暂了。在人类的时间尺度上，宇宙的膨胀速率确实是恒定的。然而，正如我之前描述的那样，受引力的影响，宇宙的膨胀速率会随着时间的推移而发生转变。
天文学家认为，假如可以测量可见宇宙边缘的超新星的移动速度和与我们的距离，那么他们就可以测量宇宙膨胀变慢的速率。因为每个人都认为宇宙运行的方式是有章可循的，并且宇宙中占主导的是引力。同时，他们期看这次测量能够显示宇宙到底是开放的、封闭的还是平直的，因为对于三种几何形态，宇宙膨胀速率都在变慢，但其随时间的转变是不同的。
1996年，我对劳伦斯·伯克利实验室进行了为期6周的访问。我在那里讲授宇宙学，并与那里的科学家们讨论各种科学问题。期间我做了一个报告，提到了真空可能有能量这一看点。之后，正在研究远远超新星探测的一位年轻物理学家索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）对我说：“我们会证实你们错了！”
珀尔马特反对的是宇宙是平直的这一看点。因为在这样的宇宙中，70%的能量应该包含在真空中。真空能量将产生宇宙常数，带来一种斥力，这种斥力会存在于所有的空间，并将主导宇宙的膨胀，在这种情状下，宇宙将加速膨胀，而不是减速。
假如宇宙的膨胀正在随着时间加速，而不是减速，那么宇宙的年龄将会更大。这意味着对于红移的星系来说，它们存在的时间就更久远。假如它们在很长的时间内一直在远离我们，就意味着它们的光是从更远的地方发出的。那么，和光从更近的地方发出的情状相比，在一些已经测量出红移量的星系中，超新星将会看起来更暗。用图5-1示意，假如我们测量相对较近的星系的退行速度与距离的关系，相应曲线的斜率将使我们能够确定今天宇宙的膨胀速率，而测量距离我们很远的超新星所得到曲线的向上或向下的弯曲情状则会告诉我们宇宙的膨胀速率是否正在随时间加速或减速。
图5-1 星系退行速度与距离的关系
两年之后，作为“超新星宇宙计划”国际组织的成员，珀尔马特及其协作者依据他们得到的初步数据发表了一篇文章，文中的确指出我们错了。当然，他们并没有指名道姓地说特纳和我是错的，因为他们和其他大多数看测者一样并不重视我们的看点。他们的数据表明，距离-红移的曲线向下弯曲，因此即使真空能量取最大值也无法在宇宙总能量中占如此之大的比例。
然而，人们得到的第一批数据通常不具有代表性。之所以会这样，要么是因为不够幸运，要么是因为预料之外的系统偏差影响了数据。对于后者，通常只有样本量足够多以后，才有可能发现其中的问题。“超新星宇宙计划”公布的数据就是这样，因此当时的结论并不正确。
另一个国际超新星搜索项目，也称高红移超新星搜觅小组，由澳大利亚斯特龙洛天文台的布赖恩·施密特（Brian Schmidt）领导。该小组的项目目的与“超新星宇宙计划”相同，但他们得到了不同的结果。布赖恩最近告诉我，当他们取得第一组有着重大意义的高红移超新星测量数据，并且这组数据表明宇宙在加速膨胀且具有大量的真空能量时，他们不仅在申请看远镜使用时间时遭到了拒绝，还被一家期刊断言他们的结果一定是错的，理由是“超新星宇宙计划”组织已经确定了宇宙是平直的，并且由物质主导。
这两个小组进行竞争的历史细节无疑会在未来被人们不断地提起，特殊是在他们分享诺贝尔奖之后。我认为他们一定会得到诺贝尔奖，这是毫无悬念的。(9)我们并不关注哪个小组最先得到了结果。简单地说，在1998年初，布赖恩的小组发表了一篇论文，表明宇宙是在加速膨胀的。大约6个月后，珀尔马特的小组公布了类似的结果，并发表了一篇论文，确认了高红移超新星小组的结果，实际上也承认了他们早期的错误，并且提供了更多的证据，证实宇宙是由真空能量所主导的，也就是现在通常所说的暗能量。
这一结果颠覆了当时已经建立的整个宇宙图像，但科学界接受这些结果的速度却有些出乎意料。这给科学社会学提供了一个有趣的研究案例。几乎一夜之间，全世界都普及接受了这个结果。然而，正如卡尔·萨根（Carl Sagan）所强调的那样，“特殊的主张需要特殊的证据”。这显然算是一个特殊的主张。
1998年12月，《科学》杂志把“加速的宇宙”这一发现评选为“年度科学突破”，并为它绘制了一张非常引人注目的封面图（见图5-2），图中的爱因斯坦表露出惊诧的神情。不仅是爱因斯坦，连我都深感震动。
图5-2 1998年12月《科学》杂志的封面图
我觉得震动并不是因为这个结论不值得上封面。恰恰相反，假如这个结论是正确的，那它一定是我们这个时代最重要的天文学发现之一。但当时的数据仅仅是给出了强烈的提示，而它要求我们对宇宙的图景做出如此浩大的变革，我觉得应该更加郑重才行。在每个人都为宇宙常数振臂欢唤之前，我认为有必要再仔细分析这两个小组得到的看测结果，把有可能导致这一结论的其他所有原因都一一清除才行。正如我当时对记者说过的那样：“我第一次不信赖宇宙常数的时候，就是当看测者们声称发现它的时候。”
鉴于我在将近10年的时间里在以各种形式妥善类似的理论，此时我的反应可能看起来很希奇。作为一个理论家，我觉得这种推测是没有问题的，特殊是当它带来新的实验途径的时候。但是，我认为在检查真实数据时应该尽可能的保守，也许是因为在粒子物理领域，曾经有一段时间有太多新的令人兴奋的不确定声明最终被证伪，这样的经历使我在科研道路上成熟了很多。很多发现，包括自然界的第五种力，以及新的基本粒子，到所谓能表明宇宙整体在旋转的看测，都曾被人们认为是真的并引发热议，但这些论点最后都被证实是错误的。
当时对宇宙加速膨胀这一发现的最大顾虑在于，远远的超新星看上往比原本预期的更加黯淡，可能并不是因为宇宙在加速膨胀，而只是因为它们本身的确更暗，或早期存在的一些星系或星系内的尘埃将它们部分遮掩了。
然而，在过往的10年中，事实证实，支持宇宙加速膨胀的证据已经势不可挡，加速膨胀的宇宙几乎毋庸置疑。人们看测了更多高红移的超新星。将这些数据和最初两个小组在一年时间内发表的超新星数据相结合，综合分析得出了图5-3。
图5-3 结合后的数据
为了能更好地看清距离-红移的曲线是向上还是向下弯曲，看测者在上半部分的图中从左下角到右上角绘制了一条虚线作为参照，穿过代表四周超新星的数据点。这条线的斜率代表宇宙现在的膨胀速率。然后，在图的下半部分，他们把相同的直线画成水平的，作为参照。假如宇宙膨胀正在减速，如1998年所预期的那样，在红移（Z）接近1处的远远的超新星将低于该直线。但是你可以看到，大部分数据点都在直线之上。这是由以下两个原因之一造成的。
1．数据存在错误。
2．宇宙的膨胀是加速的。
假如我们现在先抉择第二个原因，并提问：“为了产生看测到的加速度，我们要把多少能量放在真空中？”答案将是非常惊人的。对数据给出最佳拟合的实线对应于平直宇宙，其中物质的能量占30%，真空能量占70%。要使平直宇宙符合只有30%的质量存在于星系和星系四周这一事实，这样的结果正好是我们所需要的。两者明显一致。
然而，99%的宇宙是不可见的，剩下1%的可见物质嵌在暗物质的海洋中，又和暗物质一起被真空能量所包围。这是一个异乎普通的断言，因此我们还应该认真考虑上面提到的两个原因中的第一个：数据存在错误。在随后的10年中，宇宙学的其他所有数据陆续巩固了平直宇宙的图景，其中占主导地位的能量存在于真空中，而我们所能看到东西只占总能量的不到1%，我们看不到的物质主要由一些尚且未知的新型基本粒子组成。
关于恒星演化的数据得到了完美，因为新的卫星能为我们提供有关年老恒星的元素丰度信息。利用这些数据，我和同事查博耶在2005年已经能够清楚地证实，宇宙年龄的不确定性很小，已经可以清除宇宙年龄小于110亿年的可能性。这样的结果在任何一个真空本身不具有大量能量的宇宙都是不可能出现的。由于我们不确定这种能量是否是由宇宙常数造成的，所以现在用“暗能量”这个简单的名字表达它们，和占星系主要质量的“暗物质”的命名方式相似。
到2006年左右，人们对宇宙年龄估量值的精确度得到了极大的提升。得益于WMAP卫星对宇宙微波背景辐射的精确测量结果，看测者们能够更正确地测量自大爆炸以来宇宙经过的时间。宇宙的年龄已经可以精确到4位有效数字，是137.2亿岁！
我从来没有想过，在我的一生中，人类对宇宙年龄的估量可以达到这样的精确度。但是现在，既然我们得到了这样的数据，那就可以确认，对于当前膨胀速率的宇宙而言，它要有这么大的年龄，就一定有暗能量的存在，特殊是和宇宙常数相符的暗能量的存在。换句话说，暗能量是一种随着时间的推移保持不变的能量。
在接下来的科学突破中，看测者们能够通过看测星系，正确测量物质随着时间的流逝是如何聚集到一起的。这也取决于宇宙的膨胀速率，因为把星系拉在一起的吸引力必须与宇宙膨胀所导致的物质分别对抗。真空能量越大，它将越快地成为主导宇宙的能量。增加的膨胀速率将使物质在大尺度上的引力塌缩终止。真空能量越大，这个终止的时刻也会越早到来。
因此，通过测量引力聚集，看测者们再次确认，只有平直宇宙与看测到的大尺度结构相符。平直宇宙具有约70%的暗能量，并且暗能量与宇宙常数所代表的能量类似。
独立于那些与宇宙膨胀过程有关的间接探测，超新星的看测者们针对可能会导致系统误差的可能性进行了广泛的排查，其中就包括在远距离处增多的尘埃使超新星看起来更加黯淡的可能性。最后，看测者们将这些可能性逐一清除。
他们最重要的探测之一便是追溯宇宙的过往。
在宇宙历史的早期，可看测区域的尺度比现在小得多，而物质的密度要大得多。然而，假如真空能量密度反映了宇宙常数或其他类似常数的话，真空能量密度将保持不变。因此，当宇宙比目前大小的一半还小时，物质的能量密度将超过真空的能量密度。在这一时刻之前，物质间的引力将会对膨胀起主导作用。因此，宇宙在当时是减速膨胀的。
经典力学中有一个特定的名词，用于指代一个系统加速度发生改变的点，特殊是从减速变为加速，也就是“变速点”。2003年，我在大学组织了一次探讨宇宙学未来的会议，并且邀请了一位高红移超新星搜觅小组的成员亚当·赖斯。他告诉我他会在会议上报告一些令人兴奋的结果。他没有食言，第二天，对这次会议进行报道的《纽约时报》刊登了一张赖斯的照片，题为“发现宇宙变速点”。(10)我保留了这张照片，时不时会把它翻出让自己乐一乐。
对宇宙膨胀过程的详尽测绘表明，宇宙的膨胀的确经历了从减速到加速的转变。这也证实了那些早期的有关暗能量存在的看测结果是正确的。在我们把握了所有这些证据后，很难想象关于宇宙膨胀的探索竟然又回到了最初的论断。无论喜欢与否，暗能量似乎确实存在，或者至少是要存在到它以某种方式改变之前。
暗能量的起源和本质毫无疑问是当今基础物理学中最大的谜团。对于它如何产生以及为什么具有如此重要的价值，人们还没有深刻的理解。因此，我们并不知道为什么它开始主导宇宙的膨胀了，并且仅仅开始于大约50亿年前。我们也不知道这是否只是一场意外。在我们不由自主地推测暗能量会不会以某种最基本的方式关联着宇宙的起源时，所有迹象都在表明，它将会决定宇宙的未来。
两个谜题能猜对一个，在我看来已经是不错的结果了。宇宙学家推测宇宙是平直的，事实证实我们猜对了。所以当我们发现真空竟然拥有能量，并且这些能量足以主宰宇宙的膨胀时，虽然震动，但并不感到尴尬。真空能量的存在的确是令人难以置信的，但更令人难以置信的是，这样大的能量都没有使宇宙变得不适宜人类居住。因为假如真空能量真如之前推测的那样大，那么宇宙膨胀的速度将会使我们如今在宇宙中看到的一切都在很短的时间内被推出视界之外。早在其他恒星、太阳和我们的地球形成之前，整个宇宙就已经变得冰冷、黑暗、空荡荡。
在所有支持宇宙是平直的理由中，最轻易理解的一个也许是“宇宙近乎平直是众所周知、一目了然的”。即使在发现暗物质之前，星系内和星系四周已知的可见物质数量也占到了构成平直宇宙所需物质总量的大约1%。
现在看来，1%可能很少，但别忘了宇宙非常古老，存在了远不止几十亿年。假设正如物理学家们当初认为的那样，物质或辐射产生的引力作用主导着宇宙的膨胀，那么假如宇宙不是精确平直的，随着宇宙的膨胀，它会一步步远离平直的状态。
假如宇宙是开放的，那么它膨胀的速度会比平直宇宙更快。和非开放宇宙相比，开放宇宙中的物质会被驱离得越来越远。因此，宇宙的净密度会减小，和构成平直宇宙所需的密度比起来，很快就成了无穷小。