布莱恩·伊诺是一位声音宇宙学家，当我开始思考他向我展示的宇宙结构时，我还在应用老方法——爱因斯坦的广义相对论来研究这个问题。自丹尼尔·卡普兰先生在办公室里告诉我爱因斯坦关于时空的突破性理论以来，我就踏上了研究它的道路。20年后，我在研究生期间终于掌握了它，并能够运用爱因斯坦场方程来理解宇宙的时空结构。这与我解决研究生课程中枯燥的习题以及考试是大不相同的。现在，我可以即兴使用爱因斯坦场方程，就像我用萨克斯演奏每一个新掌握的音阶一样。我是宇宙学家，我研究的对象是宇宙与时空，以及其中的物质。

空间远比运动在其中的物质更有趣

宇宙空间与把你和书本隔开的空间一样。几个世纪以来，哲学家和天文学家都假定空间是空无一物的，是一种真实物质运动于其中的“惰性介质”。然而，几千年后，睿智的哲学家证明这种观点是错误的。爱因斯坦就是其中之一，他敢于质疑已被广为接受的物理学基本假设，并向我们展示了：空间远比在其中运动的物质更有趣。

爱因斯坦首先质疑的就是引力。伽利略在比萨斜塔上所做的实验证明，两个质量不同的铁球会以相同的加速度下落。爱因斯坦把这个实验延展到了地球之外的太阳系，进而永久地改变了牛顿对引力和运动的描述。爱因斯坦从一个思想实验开始，下面是这个实验的现代版本。

假设一个人坐在静置于地球上的太空船中，另一个人坐在太空中的太空船里。地球上的人受到地球的引力，并且感觉不到运动。对太空中的人来说，只要太空船不动，他就会飘浮起来，因为太空中不存在引力。如果太空船加速，那么这个人就会感觉到自身具有重量，因为他会被推到太空船的地板上。爱因斯坦推断，一个人无法区分自己到底是静止于某个常引力场中，还是在空无一物的空间里做加速运动。他认为，这两种情况在物理学上是等价的，区别只在于运动的相对状态。这个“等价原理”（equivalence principle）正是爱因斯坦广义相对论的关键。

这个简单到甚至带着孩子气的想法，却把数学上最美妙的分支之一——微分几何，带到了引力物理学的前沿。微分几何可以用于描述一个坐标系统。利用坐标系统自身的性质，爱因斯坦概括了自己的理论，从而创建了广义相对论。他认为，时间与空间本身的结构是由物质的结构决定的。他把时间与空间统一为一个单一的坐标实体——时空，并且描述了它在物质和能量存在时是如何弯曲的，以及物质如何在弯曲的时空中运动。物理学界的泰斗约翰·惠勒（John Wheeler）曾说：“物质决定了时空如何弯曲，而弯曲的时空决定了物质如何运动。”

所以，在爱因斯坦太空船的例子中，一个乘客经历了加速度，是因为地球弯曲了空间，从而产生了引力。对另一个乘客而言，太空船助推器产生的能量弯曲了空间，从而使太空船加速。

爱因斯坦的方程可以用来描述整个宇宙的时空

在爱因斯坦进行自己的思想实验时，水星绕太阳公转的轨道还是物理学中的一个未解之谜，它与牛顿的引力理论所预言的轨道是有偏差的。1915年，爱因斯坦提出了弯曲时空理论，并且计算出了水星绕太阳公转的反常运动。水星离太阳太近，所以它的开普勒轨道被太阳的巨大引力效应改变了。爱因斯坦确信，水星的轨道揭示了太阳弯曲其周围时空的方式。1919年，随着爱因斯坦的预言被证实，所有宇宙学家的职业生涯都发生了巨大的变化。爱因斯坦曾预测，在日蚀来临之时，位于太阳后方的某颗恒星将被发现，因为它的光线将沿着太阳附近的弯曲轨迹传播。他的预测是正确的，然而这只是冰山一角。不可思议的是，在我们的太阳系之外，爱因斯坦的方程还可以用来描述整个宇宙的时空。

广义相对论是一个既美丽又令人敬畏的理论，它极端复杂，难于应用。广义相对论既提供了物体运动的方程，又提供了描述时空中引力场弯曲程度的方程，这让其极难求得精确解。与牛顿以一个方程确定的引力理论不同，广义相对论有10个彼此相关的微分方程，它们必须被同时求解。不过，爱因斯坦和那些试图求解这些方程的同时代的人并未因此而驻足不前。

爱因斯坦的理论对太阳系很适用，并且解释了水星的反常运动，但当把那些理论应用于整个宇宙时，爱因斯坦就感到困惑了。他的理论预言，宇宙必须是膨胀的。然而，当时的观测结果表明，宇宙是静态的。爱因斯坦凭自己一如既往的聪明才智，通过将一个名为“宇宙常数”的常量引入自己的引力场方程来抵消膨胀，从而“修正”了膨胀的问题。

1927年，天文学家埃德温·哈勃向爱因斯坦展示了他的数据。爱因斯坦意识到，引入这个宇宙常数是他“一生中所犯的最大错误”。通过拍摄星系的照片，哈勃得以计算出它们之间的相对速度和距离，这在历史上尚属首次。如果宇宙是静态的，那么无论处于哪个位置的星系，都应该有着相同的速度。出乎所有人——尤其是爱因斯坦意料的是，结果显示，所有星系彼此之间的距离越远，运动速度就越大。爱因斯坦立即意识到，这意味着宇宙在膨胀。

正如结果所示，宇宙膨胀这一事实有利于找到爱因斯坦方程的解，因为它可以把哥白尼在大约1500年提出的应用于太阳系的相同原理——地球不是宇宙的中心，应用到宇宙之中。4位物理学家通过这种方式，并应用爱因斯坦的理论，各自独立地找到了描述完美对称的膨胀空间的精确解。

为了应用哥白尼理论，我们需要回到过去。既然宇宙在膨胀，那么理论上我们可以把宇宙的钟表往回拨，并且进行压缩。随着宇宙的收缩，恒星、行星和星系中的物质会被压缩到越来越小的空间中。如果我们把钟表回拨到足够早的时候，那么所有这些物质中的原子都会开始发生变化。在我们通常接触的低能尺度上，电子均被束缚在原子核中。然而，在致密状态下，热能会汹涌而出，把电子推离它们的轨道。这意味着，在宇宙大爆炸之后，早期宇宙中充斥着炎热而致密的自由电子、核子与光子。早期的宇宙中还随机分布着大量高能物质和辐射。这是一团沸腾的等离子体，没有任何结构，只是一个“原始火球”——这正是一种“哥白尼宇宙”。这听起来可能很无趣，但它至少是一个能用爱因斯坦方程得出精确解的宇宙。这种对早期宇宙的设想引出了一个最终将由我来解决的问题：“是什么力量把这些早期等离子体转变成了我们抬头就能在夜空中看到的恒星、行星以及星系？”

在某些人看来，一个好的物理理论应该是完美的，我那些致力于寻找“万物至理”的同事更是这么想的。我不相信我们能找到这种完美的理论。大自然就像一位伟大的即兴演奏者，总是会给我们带来惊喜，而我们的理论却无法解释或者预言这些惊喜。此外，一个好的物理理论总是指向自己失效的根源，这正是爱因斯坦面对宇宙膨胀假说时的情形。对于我们观测到的星系中轻元素的比例，以及哈勃定律中退行的星系的比例，这一假说做出了精准的预言，但它本身并不能告诉我们是什么推动了结构的形成。我们的解决方法是：保留理论的正确预言，并回避理论的不当之处。让我们一起去寻找宇宙的“元凶”吧。

“点燃”宇宙的膨胀

也许关于膨胀宇宙最重要的预言来自第一种元素形成时期。高度压缩的炽热电子分散开来，然后逐渐冷却，其运动也变得温和起来。质子正在等着捕获这些电子，而第一个轻元素氢即将诞生。氢元素诞生的条件形成于大爆炸后38万年左右，那时宇宙的温度已经冷却到3 000开尔文⁽¹⁵⁾，大约是5 000摄氏度。在这个温度下，粒子的能级足够低，使得电性相左的质子与电子之间的库仑力可以发挥作用，把它们结合在一起，从而形成氢元素。然而，大部分电子依旧是高能的，这使得氢元素十分不稳定。为了形成稳定的氢元素，电子必须落到可能的最低能级上，这意味着多余的能量必须以光子的形式释放出去，其特征温度大约为3 000开尔文。此时，宇宙真的是在发光。

早在1948年，乔治·伽莫夫（George Gamow）、拉尔夫·阿尔菲（Ralph Alpher）和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）就预言了这一结论。爱因斯坦的方程可以精确地描述数十亿年前的宇宙的情况，这的确令人敬畏，也鼓舞人心。然而，更鼓舞人心的是，我们可以通过寻找早期宇宙发光的遗留物，来证明这个时期存在的证据。这个寻找过程将是对大爆炸范式，以及充斥着等离子体的早期宇宙是否如所有人认为的那样是均匀的这一预言（哥白尼学说）的一次重大检验。

多年来，宇宙学家一直在寻找人们期望发现的弥漫在所有空间中的残留辐射。随着宇宙的膨胀，那个时代的光波的波长将会延长1 000倍。这将致使宇宙中弥漫着微波波段的光子，就像微波炉一样。1967年，在美国新泽西州的贝尔实验室，工程师阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊“阴错阳差”地发现了宇宙微波背景辐射，两人因此获得了诺贝尔物理学奖。在用天文望远镜检测离散的电磁波信号时，彭齐亚斯和威尔逊发现了一种持续的干扰源。为了消除它，他们将天文望远镜与一系列干扰信号隔离开来，这些干扰信号包括其他无线电波、来自机器本身的热量，甚至在绝望中，他们还动手清扫了设备表面的鸽粪。即便这样，他们也没能消除掉一种特殊的背景噪声，它几乎均匀地来自各个方向。最终他们推断，这种背景噪声来源于他们的机器之外，来源于地球之外。对于普林斯顿大学的宇宙学家罗伯特·迪基（Robert Dickie）、吉姆·皮布尔斯（Jim Peebles）和大卫·威尔金森（David Wilkinson）来说，这正是他们一直在寻找的特殊事物，而彭齐亚斯和威尔逊恰好碰上了。普林斯顿大学的研究小组研制了迪基辐射探测仪来寻找这种背景辐射。更重要的是，他们已经具备了估测它的能力。

宇宙微波背景辐射环绕着我们，它无处不在，是第一个稳定原子形成的印记。随机的宇宙微波背景辐射光子有力地证实了宇宙学原理和宇宙膨胀范式。然而，早期宇宙的遗迹中隐藏着一个重要的问题。这个问题的发现将打开潘多拉的魔盒，并揭示出爱因斯坦宇宙膨胀理论存在的缺陷。

标准的宇宙大爆炸模型预言，宇宙微波背景辐射中的粒子具有相同的温度。然而，如果气体中的每个粒子温度相近，那么，它们必须时时相互作用，才能保证这种稳定性与热力学的平衡。因此，它们在过去一定有着某种联系。想象一下来自两个相对方向的宇宙微波背景辐射。电磁辐射（无论是可见光、无线电波，还是微波）以光速运动，这是物理学允许的最大速度。

我们可以回溯宇宙膨胀，倒回到大爆炸发生后38万年的时刻，来看看那些以光速运动的辐射。我们追踪着来自一个方向的辐射到达宇宙中的一个特定区域，并追踪着来自反方向的辐射到达另一个区域。这包含了两个区域的辐射到达我们的时间，然而，这两个区域若想实现相交则需要更长的时间，因为它们与我们的方向是相对的（图10-1）。假定我们根据遥远星系之间的退行速度，测量出了宇宙的膨胀速率，那么就会出现一个令人困惑的结论：相比整个宇宙的寿命，这两个区域中的宇宙微波背景辐射相遇所需的时间要更长！这就是所谓的“视界问题”（Horizon Problem）。大爆炸模型的巨大成功，以及宇宙微波背景辐射的热力学平衡预言，恰恰让它们失效了。

图10-1　未发生相互作用的区域A和区域B

注：区域A与区域B表示尚未发生相互作用的等温微波辐射。大爆炸模型缺乏一种使这些区域达到热力学平衡的因果方法，除非达到这种平衡所需的时间比宇宙的寿命还要长。

在宇宙微波背景辐射被发现后不久，年轻的研究生布鲁斯·帕特里奇（Bruce Partridge）及其导师威尔金森建造了一个探测器，以探测大爆炸之后38万年的辐射，看看其是否如哥白尼均匀理论所暗示的那样毫无特征可循。他们希望能找到被称为宇宙微波背景辐射各向异性的不规则性，以了解诸如星系团和星系等不规则结构的由来。

帕特里奇与威尔金森的想法是，如果在原始火球中存在一些微小的涨落，那么它们就会随着宇宙的膨胀变为大密度的涨落——这种变化会带来引力不稳定性，从而导致物质在引力的作用下开始坍缩，最终形成结构。这是一个优美的理论：各向异性是大尺度结构形成的基础。如果找到这种各向异性，我们就能更好地理解宇宙是如何从哥白尼式的开端，演化为现在这个截然不同的宇宙的。不幸的是，帕特里奇与威尔金森的探测器没有找到任何各向异性（图10-2）。不过，探索仍在继续。

图10-2　帕特里奇和威尔金森的论文摘要

注：帕特里奇与威尔金森发表在《物理学评论快报》（Physical Review Letters，1967年4月3日）上的论文摘要，阐述了探测宇宙微波背景辐射固有各向异性的初次尝试。

多年之后，我也研究了这些问题。那时，帕特里奇（学生通常称呼他为布鲁斯）就职于美国宾夕法尼亚州的哈维福德学院（Haverford College）。他彬彬有礼，广受尊重，在学生中以清楚、正统、极有条理的授课方式而闻名。他非常平易近人，这使他能与那些胆小、怯弱的学生打成一片——我就是其中一员。与我一样，在成为宇宙学家之前，威尔金森也是一个萨克斯乐手，但最终是帕特里奇在我的大学生涯中影响了我。在我大二时，帕特里奇邀请他在麻省理工学院的同事阿兰·古斯来到哈维福德学院，给我们班做一次演讲。在我生命中的那段时间里，物理学渐渐吸引了我，但那时的我有点目中无人。我佩戴着非洲勋章，穿着绘有马尔科姆·X的T恤，还把头发扎成发辫，上课时总是坐在教室的最后一排，但从来不听课，而是戴着耳机听乐队“公共敌人”（Public Enemy）的黑人说唱歌曲。那是1990年，美国国家航空航天局的一颗人造卫星正在做一项实验，旨在寻找宇宙微波背景辐射中的各向异性，而这正是帕特里奇与威尔金森在1967年首次试图寻找的。

古斯是宇宙暴胀理论的提出者，他还提出了视界问题以及各向异性问题的解。古斯指出，如果宇宙在诞生之初经历了指数级增长，那么辐射传播的距离应该随着这种加速而暴增。这可以解释那些看起来不可能互相交流的区域之间的因果联系，它们之前被认为需要用比宇宙的年龄还长的时间来交流（图10-3）。宇宙暴胀理论是一个建立在宇宙微波背景辐射观测上的宏大理论。进一步说，因为古斯的暴胀理论具有量子力学的性质，所以他能对假设的宇宙微波背景辐射各向异性的性质与起源做出预测。罗伯特·布兰登伯格热衷于探索早期宇宙的量子力学性质，而我那时还不知道暴胀理论将成为我未来工作的重点。

图10-3　A点与B点辐射的区域之间的因果联系

注：A点与B点辐射形成的等边形区域，来自标准的大爆炸模型中无法相互作用的区域。在一段时间呈指数级增长，或者说暴胀之后，早期宇宙提供了解释宇宙微波背景辐射均匀性所需的因果联系。

也许我太沉迷于音乐本身了，那时我并没有意识到古斯访问哈维福德学院的重要性。我知道他很厉害，所以我决定稍微收敛我的叛逆行为。毕竟，这是自卡普兰之后，我第一次从他人口中听到爱因斯坦的广义相对论。这超出了我作为大二学生所学习的数学和物理学的知识范围。这是宇宙学。古斯描述了宇宙作为一个整体是如何演化以及展开的，这都体现了爱因斯坦在数学上的才华。宇宙微波背景辐射意义重大，结构形成的理论与之同等重要，而现在到了暴胀理论。这些知识非常难以消化。

古斯，这位来自宾夕法尼亚大学与普林斯顿大学的著名宇宙学家来到我们教室。听古斯关于暴胀理论的演讲，学生们都过于紧张，不敢提问。在演讲结束之后，帕特里奇说：“我们先把提问的机会让给学生。”我颤抖着想举起手，却又本能地克制住了。“斯蒂芬，我看到了你想提问。”帕特里奇马上说道。他太了解我了。我感觉自己的心正随着扑面而来的幼稚感和愚蠢感而不断下沉。我不假思索便脱口而出：“暴胀会做功吗？”在帕特里奇的入门课程中，我们了解到，当力使物体移动一段距离时，它就会做功。既然暴胀会让宇宙膨胀，那么是什么力促使宇宙发生暴胀呢？在不做功的前提下，宇宙膨胀有可能实现吗？物理学中最美妙的时刻，莫过于那些我们认为不可改变的“原则”被打破之时。我想知道这个问题的答案。古斯回答道：“这个问题问得好……暴胀会做功，以‘点燃’宇宙的膨胀。我们称其中间介质为‘暴胀场’（inflaton field）。”帕特里奇并不知道，他的鼓励以及古斯对我问题的严肃回答对我产生了多么大的积极影响。即使到今天，我仍希望我的学生提出一些“愚蠢的问题”，因为这些问题往往很难回答。

最终，在帕特里奇与威尔金森首次寻找宇宙微波背景辐射各向异性的30年后，宇宙背景探测者（COBE）卫星直接探测到了它。在对宇宙微波背景辐射进行了4年太空探索之后，星载宇宙背景探测者（差别微波辐射探测器）探测到了微弱的变化。在寻找了有关人类起源的线索多年之后，宇宙学家终于进入了精确科学的黄金时期。这项发现让暴胀变得更为重要：如果没有它，那些无懈可击的缺陷就会加剧视界问题，因为这意味着我们需要用某种膨胀来解释近乎完美的热力学辐射，以及辐射模式中的微小涨落。暴胀也可以提供一种答案，但它的作用不止于此。

每一项发现似乎都会揭示出更深层次的问题。宇宙微波背景辐射海以及其中的各向异性已经得到确认。一直以来，天文学家孜孜不倦、一丝不苟地绘制着我们宇宙中的最大结构。哈勃望远镜成为地球观察宇宙的“眼睛”，它拍摄了地球周围的壮丽而多变的景象，比如星云和碰撞的星系。技术的进步让我们得以从多个视角看问题。那些对无线电信号、微波信号、红外线和伽马射线敏感的望远镜既可以独立成像，也可以协同成像。放大到最大的可观测距离上，这些望远镜为可观测的宇宙提供了一幅图景，并且给人们带来了一个惊喜。玛格丽特·盖勒和约翰·修茨若的大尺度结构图景显示，星系团中的星系聚集起来，形成墙状或条纹状。事实证明，宇宙中最大的结构呈均匀、各向同性分布，这就是“宇宙学原理”。利用不断发展的技术和自身的聪明才智，并经过多年的科学研究，我们终于发现宇宙中存在着很多层级的结构。

虽然宇宙结构层级现象的起源依旧是个谜，但在理解早期宇宙中的量子涨落如何在原本均匀的原始火球中制造分布的不对称性，以及它是如何被时空的暴胀式扩张所放大的方面，暴胀迈出了极为重要的一步。随后的观测旨在发掘出早期宇宙中各向异性的和谐，而它是不可能在缺乏宇宙视界的情况下产生的。为了更好地理解视界，我们现在转到声音上来。