第一节 开始的开始
开始的开始，就有物理。“物理”描述的是物质、能量、空间和时间的行为。在那恢宏的宇宙舞台上，这些角色的互动创造了所有的生物学和化学现象。物理定律也因此成了我们这些凡人所熟悉的一切基本事物的源泉和根基。科学家在解释天文现象时用到的物理定律来自物理学中尺度较大的那个部分，我们称之为“天体物理学”。
无论在哪个科研领域，最前沿的发现都需要我们在极端环境中观测现象及其条件，物理学尤其如此。某些环境的极端性体现在物质方面，比如说在黑洞附近，引力会严重扭曲周围的时空连续性；另一些环境的极端性则体现在能量方面，例如，恒星核心1500万摄氏度的高温环境中会产生自发的热核聚变反应。宇宙诞生之初那几个短暂的瞬间凝聚了我们能想象到的所有高温、高密度的极端条件。要理解这几个瞬间分别发生了什么事情，我们需要借助人类进入20世纪以后发现的一些物理定律。物理学的这部分内容被学界定义为“现代物理学”，以区别于此前的“经典物理学”。
经典物理的一大特征在于，如果你停下来仔细思考，你会发现它阐述的事件、定律和预测都很有道理。物理学家在普通的建筑物里利用普通的实验室设备发现并验证了这些经典的规则。直到今天，我们还在高中物理课堂上学习经典物理学描述下的引力、运动、电磁，以及热能。经典物理学定律揭示了自然世界背后的规律，并由此推动了工业革命。这门学科以前几代人根本无法想象的方式彻底改变了我们的社会和文化，直到现在，经典物理学仍是我们理解日常经验世界的核心工具。
与此相对，现代物理学看起来就显得很不合理，因为它描述的现象都发生在人类感官无法触及的遥远领域里。这其实是件好事。正因如此，我们才能高高兴兴地生活在熟悉的日常世界里，完全不受极端条件下的“怪异物理”影响。一个普通的早晨，你起床，在屋子里转两圈，吃点东西，然后走出家门；到了黄昏时分，你挚爱的人肯定希望回到家里的你和早上出门时一模一样，全须全尾。我们不妨想象一下，如果你来到办公室，走进一间温度极高的会议室，准备参加上午10点的一场重要会议，就在这时候，你突然失去了所有电子，甚至更严重，组成你身体的原子突然纷飞四散，这可就糟了。或者，你坐在办公室里，借着头顶那盏75瓦台灯的光线打算干点活，突然有人打开了一盏500瓦的灯，于是你的身体开始在几堵墙壁之间弹来弹去，最后像恶作剧玩偶盒里的玩偶一样从窗户飞了出去。又或者，你下班后去看相扑比赛，结果只看到两位体形近乎圆球的选手相互碰撞并消失，他们自然而然地变成了两束光，从相反方向离开房间——看到这一幕，你感觉如何？又或者，你在回家的路上挑了一条不太挤的路，结果一幢黑漆漆的大楼先是把你的脚吸了进去，然后又把你的身体拉伸成了一根“面条”；你艰难地穿过一个洞口，身体被压成一张薄片，从此以后，再也没有人见过你或者听到你的消息。
如果这些场景真的出现在我们的日常生活中，我们或许会觉得现代物理其实没有那么奇怪；有了日常的生活经验打底，我们就能顺理成章地理解相对论和量子力学的基础知识，而我们的爱人恐怕永远不会放我们出门去上班了。但在宇宙诞生之初的那几分钟里，这样的事情随时随地都在发生。要尽可能地猜想并真正理解当时发生的事情，我们别无选择，只能建立一套全新的反直觉的“常识”体系，来解释极端温度、密度和压力环境下物质的行为，以及这些行为背后的物理规则。
我们必须进入E=mc2的世界。
1905年，爱因斯坦首次发表了这个著名公式的一个版本。正是在这一年，他那篇影响深远的论文《论动体的电动力学》（Zur Elektrodynamik bewegter K?rper）发表在杰出的德国物理杂志《物理年鉴》（Annalen der Physik）上。虽然这篇论文以“电动力学”为题，但它最出名的内容却是爱因斯坦的狭义相对论，这套理论引入的概念永远地改变了时间和空间的概念。同一年晚些时候，年仅26岁的瑞士伯尔尼专利审查员爱因斯坦在同一家杂志上发表了另一篇简短（只有两页半）的论文《物体的惯性依赖于它的运动成分吗？》（Ist die Tr?gheit eines K?rpers von seinem Energieinhalt abh?ngig?）。正是在这篇文章中，爱因斯坦提出了那个著名的公式。你不必花费时间去查找这篇文章，或是设计实验来验证爱因斯坦的理论，我们可以直接告诉你，这个问题的答案是肯定的。正如爱因斯坦在论文中所说：
如果某个物体以辐射的形式释放能量E，那么它的质量将减少E/c2……质量衡量的是物体包含的能量；如果能量发生了变化（E），那么质量也会发生相应的变化。
爱因斯坦不太确定自己的理论一定就是对的，所以他也提出了建议：
利用某些所含能量高度可变的物体（例如，镭盐），我们或许可以通过试验来验证这套理论，这并不是不可能的事情。
于是你得到了这个方程。这是任何条件下物质与能量相互转化的代数秘诀，E=mc2——能量等于质量乘以光速的平方。质能方程是一件超级强大的计算工具，它极大地拓展了我们对宇宙的认知和理解，无论是对眼前这个世界，还是对可以追溯到宇宙诞生之初那亿万分之一秒的碎片时间。有了这个等式，你就能算出一颗恒星能产生多少辐射能，或者你兜里的硬币能转化成多少有用的能量。
光子是我们最熟悉的能量形式。光无所不在，只是我们常常意识不到它的存在。光子没有大小，不可分割，它可能是可见光的一部分，也可能来自其他形式的电磁辐射。我们每个人时时刻刻都沐浴在光子的海洋中。从太阳、月亮到满天的星辰，从你家的炉子、枝形吊灯再到夜灯，从遍布全球的数以百计的广播电视站点到数不清的手机和雷达发射塔，光子的来源丰富多彩。那么，我们在日常生活中为什么看不到物质和能量相互转化呢？如果以公式E=mc2来衡量，普通光子的能量根本不足以形成质量最小的亚原子粒子。这些光子蕴含的能量太少了，所以它们不可能转化成别的东西，只能继续过现在这样相对平静的简单生活。
你想看看E=mc2真正发挥威力吗？那不妨从高能γ（伽马）射线光子开始——它蕴含的能量至少是可见光光子的20万倍。在这种射线的照射下，你很快就会死于癌症。不过在此之前，你会看到γ射线光子所到之处，一对对电子凭空出现，其中一个由物质构成，另一个由反物质构成（这只是宇宙中无数动态粒子—反粒子对中的一组而已）。你还会看到，物质—反物质组成的电子对彼此碰撞、湮灭，再次产生γ射线光子。要是将这些光子的能量再提高2000倍，这么强大的γ射线说不定能把某位对辐射特别敏感的人变成绿巨人。根据公式E=mc2，拥有这么多能量的光子对可以创造出中子、质子和它们的反物质伙伴，这些粒子的质量差不多是电子的2000倍。高能光子不算常见，不过在宇宙中的某些“熔炉”里，你的确能看到它们的身影。以γ射线为例，几十亿摄氏度的环境基本都能产生这种射线。
从宇宙学的层面上说，粒子和能量包之间的相互转换至关重要。目前，在我们这个不断膨胀的宇宙中，科学家测量无处不在的微波光子，得到的温度只有微不足道的2.73K（开氏温标下的温度没有负数，粒子在0K时能量最低，室温大约是295K，水的沸点是373K）。和可见光的光子一样，微波光子温度太低，所以它根本不可能通过E=mc2转化为其他粒子。换句话说，任何已知粒子都没有这么小的质量，所以能量极低的微波光子没有出路，只能维持现状。无线电波、红外线、可见光、紫外线和X射线光子的处境也相差无几。简单地说，光子的能量强度至少要超过γ射线才有可能转化为物质。不过，昨天的宇宙比今天的更小一点，也更热一点；前天的宇宙又更小、更热。如果我们把时钟往回多拨一些，比如拨到137亿年前——在大爆炸之后那锅原始汤里，整个宇宙的温度还很高，从天体物理学意义上说，每个角落都充满了γ射线。
理解从大爆炸到今天这段漫长的历史中空间、时间、物质和能量的运动，是人类的终极科学追求之一。要为那最初的时刻（那时候的宇宙比之后的任何时刻都更小、更热）发生的所有事件建立一套完整的解释，你必须找到一种方法来让四种已知的基本力（引力、电磁力、强核力和弱核力）进行互动，将它们统一。除此以外，你还得设法调和目前互不相容的两个物理学分支：量子力学和广义相对论。
20世纪中叶，量子力学和电磁学成功联姻，得到鼓励的物理学家很快开始尝试将量子力学和广义相对论撮合成统一的量子引力论。到目前为止，他们所有的尝试都以失败告终，不过我们已经找到了难点所在，那就是所谓的“普朗克时期”（Planck era）。这个时期指的是从宇宙诞生到10^-?3秒的阶段。信息传播的速度永远不可能超过光速，即299792千米/秒，所以在普朗克时期，假设有一位观察者位于宇宙中的任意一点，那么他最多只能看到周围约3×10^-3?米范围内发生的事情。这个短得不可思议的时间和距离得名于德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）。1900年，普朗克首次提出了“量子化能量”的概念，他也因此成了公认的量子力学之父。
不过我们也不用担心，虽然量子力学和相对论无法统一，但我们的生活一如往常。量子力学和引力的分歧不会对我们现在的宇宙产生任何实质性的影响。现在的天体物理学家分别采用广义相对论和量子力学的原理和工具来处理两类完全不同的问题。不过在最初的普朗克时期，大就是小，所以我们必须想个法子强行把这两套理论糅合到一起。令人悲伤的是，我们一直找不到缔结这段婚姻所需的誓言，目前任何（已知）物理定律都无法准确描述最初那短暂的蜜月期内，膨胀的宇宙迫使极大和极小分道扬镳之前发生的事情。
普朗克时期快要结束的时候，引力从其他基本力中分离出来，拥有了能被现有理论很好地描述的全新独立身份。随着宇宙的年龄跨过10^-3?秒，它继续膨胀冷却，曾经统一的基本力也进一步拆分成了电弱力和强核力。又过了一段时间，电弱力又拆分成电磁力和弱核力，我们熟悉的四种基本力就此成形——弱核力控制辐射衰变，强核力将每个原子核内部的粒子结合在一起，电磁力让原子凝聚成分子，引力又将大量物质凝聚在一起。等到宇宙迈过第一个10^-12秒，分化后的力和其他关键因素已经赋予了宇宙一些基本的性质，每种性质都值得专门用一本书来介绍。
宇宙迈过第一个10^-12秒的时候，物质和能量的相互作用仍在进行。在强核力和电弱力分离前后的短暂时间里，宇宙是夸克、轻子、它们的反物质兄弟，以及玻色子（正是由于玻色子的存在，以上所有粒子才会产生互动）组成的沸腾之海。据我们目前所知，这些粒子都不可能再切割成更小、更基本的东西。它们都是基本粒子，每个基本粒子家族有好几位成员。比如说，包括可见光粒子在内的光子就属于玻色子家族。普通人最熟悉的轻子大概是电子，可能还有中微子，而我们最熟悉的夸克……呃，没有我们熟悉的夸克，因为日常生活中的夸克通常紧紧地结合在一起，形成质子和中子之类的粒子。每种夸克都有一个抽象的名字，从修辞、哲学或教育角度来说，这些名字没有任何实际意义，它们唯一的作用就是区分不同的夸克。六种夸克分别被命名为：上、下、奇、粲、顶和底。
顺便说一下，玻色子得名于印度物理学家萨特延德拉·玻色（Satyendranath Bose）。“轻子”（lepton）这个词来自希腊词语“leptos”，意思是“轻”或者“小”。而“夸克”（quark）这个名字的历史渊源更为久远，也更富想象力。1964年，美国物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）首次提出了夸克的存在，当时他认为，夸克家族只有三位成员；这种粒子的名字来自詹姆斯·乔伊斯（James Joyce）的作品《芬尼根的守灵夜》（Finnegans Wake）中一句晦涩的台词：“向麦克老大三呼夸克！”夸克至少有一个优势：所有夸克的名字都很简单——对化学家、生物学家和地质学家来说，这简直是个无法实现的成就。
夸克十分古怪。不同于拥有一个正电荷的质子或者拥有一个负电荷的电子，夸克拥有的电荷数以1/3为基本单位。你永远不会找到单独出现的夸克，极端情况除外。夸克总是和一个或者两个同伴紧紧地结合在一起。事实上，如果你试图分开结合在一起的两个（或者更多）夸克，那么它们之间的结合力反而会变强——就好像某种亚原子核橡皮筋把它们绑到了一起。不过，如果你把这几个夸克分得足够远，橡皮筋就会断裂。根据公式E=mc2，橡皮筋储存的能量会在两头分别创造一个新的夸克，于是你又回到了故事的起点。
宇宙诞生的第一个10^-12秒被称为“夸克—轻子时期”，这个时期的宇宙非常稠密，独立夸克之间的平均间隙很小，和结合在一起的夸克几乎没有区别。在这种情况下，相邻的夸克根本不可能建立一对一的清白关系，所以实际上，它们完全是自由的。2002年，长岛布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratories）的一个物理学家团队首次通过实验探究了物质的这种状态，它被形象地命名为“夸克汤”。
无论是基于理论还是基于观测结果，我们都会发现，在宇宙极早期的某个时间段里（可能就是某种基本力和其他力分离的时候），宇宙出现了明显的不对称，物质粒子的数量比反物质粒子多了十亿分之一。这个微妙的变化为今天的我们提供了存在的基础。在宇宙早期那锅翻滚的粒子汤里，夸克和反夸克、电子和反电子（它更广为人知的名字是“正电子”）、中微子和反中微子不断地诞生、湮灭，然后再次诞生，你很难注意到物质和反物质数量的细微差别。在这个时期，多余的家伙——多出来的那一点点物质——有足够的机会找到携手共赴湮灭的伙伴，其他粒子也一样。
但好景不长。随着宇宙继续膨胀冷却，它的温度很快降低到1万亿K以下。现在，大爆炸刚刚过去了10^-?秒，但这个温吞吞的宇宙已经失去了烹饪夸克汤所需的温度和密度环境。所有夸克迅速抓住身边的舞伴，建立矢志不渝的重粒子（强子，hadron，来自希腊语“hadros”，意思是“厚重”）的家庭。夸克转化成强子，这一过程在极短的时间内制造出了质子、中子和其他一些我们不那么熟悉的重粒子，每种强子都代表着夸克的不同组合。现在，强子也继承了夸克—轻子汤中物质与反物质的不对称性，这个现象带来了惊人的结果。
随着宇宙不断冷却，可用于自发创造粒子的能量稳步下降。到了强子时期，光子已经无法继续激发质能转换反应，制造出夸克—反夸克对，因为它们的能量不能满足粒子对的质量需求。此外，在这个不断膨胀的宇宙里，残存的湮灭反应释放的光子还在继续损失能量，最终它们的能量降到了创造强子—反强子对所需的阈值以下。每10亿次湮灭会产生10亿个光子，只有1个强子会幸存下来，成为早期宇宙物质—反物质不对称性留下的哑巴证人。这些孤独的强子最终将享受到身为物质的最大乐趣：它们将创造出星系、恒星、行星和人类。
如果没有物质和反物质粒子这十亿分之一的细微不对称，宇宙中的所有物质（除了我们目前尚不清楚其具体成分的暗物质以外）都将在大爆炸之后的一秒内彻底湮灭，我们（如果我们还有机会存在的话）只能看到光子，除此以外别无他物——简直就是终极版的“要有光”。
这时，宇宙的时钟刚刚走过第1秒。
10亿K的宇宙依然滚烫，足以继续维持电子和正电子（反电子）诞生—湮灭的无限循环。但这个宇宙还在继续膨胀、冷却，它们的好日子没几天了，或者更确切地说，没几秒了。现在，电子和正电子也遭遇了和强子一样的命运：它们彼此湮灭，每10亿对电子—正电子中只有1个电子幸存下来，在物质与反物质的自杀盛宴中，这个孤独的电子是唯一的幸存者。其他电子和正电子通过湮灭融入宇宙，形成了更广阔的光子之海。
随着电子—正电子的湮灭时期逐渐落幕，宇宙“凝结”成了实体，每个电子都有单个对应的质子。宇宙还在继续冷却，它的温度降到了100万K以下，质子开始和其他质子或中子聚合形成原子核；在这个时期，宇宙中90%的原子核都是氢，剩下的10%是氦，还有极少量的氘、氚和锂原子核。
此时，大爆炸已经过去了2分钟。
从这时候开始，直到38万年以后，氢原子核、氦原子核、电子和光子组成的粒子汤才会再次发生巨变。在这几十万年里，宇宙的温度依然很高，足以允许电子在光子之间自由运动，互相碰撞。
很快我们就将在第三章中看到，随着宇宙的温度降到3000K（相当于太阳表面温度的一半）以下，这样的自由戛然而止。大约在这个时期，所有电子都被纳入原子核周围的轨道，原子就此成形。电子和原子核结合生成的原子沐浴在无处不在的可见光粒子中，粒子和原子就这样形成了原始的宇宙。
随着宇宙继续膨胀，宇宙中的光子也在继续损失能量。无论今天的天体物理学家望向哪里，他们都会发现微波光子在宇宙中留下的2.73K的温度指纹，这意味着自宇宙诞生以来，光子的能量衰减至0.1%。光子在天空中的分布——来自不同方向能量的确切数量——仍遵循原子形成之前宇宙中物质分布的规律。通过研究这些分布模式，天体物理学家知道了很多事情，包括宇宙的年龄和形状。虽然事到如今，原子已经成了宇宙日常生活的一部分，但爱因斯坦的质能方程还有许多用处，比如说，它可以应用于粒子加速器，这种设备内部的能量场会定期创造出物质—反物质粒子对；质能方程还适用于太阳核心，那里每秒都有440万吨物质被转化为能量，其他所有恒星的核心也会发生类似的事情。
E=mc2还适用于黑洞附近，也就是事件视界边缘。黑洞有可能消耗自身大得惊人的引力能，创造出粒子—反粒子对。1975年，英国宇宙学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）首次描述了这样的盛宴，根据这一机制，黑洞的质量可能会慢慢蒸发殆尽。换句话说，黑洞并不是真的漆黑一片。这一现象名叫“霍金辐射”（Hawking radiation），它提醒我们，爱因斯坦的著名方程仍拥有惊人的生命力。
但在这场宇宙盛宴开场之前，又发生过什么？大爆炸之前的世界是什么样子？
天体物理学家回答不了这个问题。或者应该说，虽然提出了许多创意十足的想法，但我们几乎找不到任何实际的证据。不过各种宗教信仰倒是喜欢扬扬得意地宣称，开始的开始，肯定有什么事情触动了大爆炸的开关，某种至高无上的强大力量是世间一切的源泉，这就是所谓的第一推动力。当然，在笃信宗教的人眼里，这样的存在非上帝莫属。每位笃信者心目中的上帝各不相同，但他们无一例外地担起了“发球”的重任。
不过，如果宇宙一直存在，无所谓开始，只是现在的我们还无法描述它当时的状态或条件（举个例子，如果多重宇宙是真的，我们如今称之为宇宙的所有东西其实不过是泡沫之海中微不足道的一个泡泡），那又怎样？或者，如果宇宙和粒子一样，就是从无到有地突然冒了出来呢？
这样的反驳满足不了任何人，但它却能提醒我们，正是因为深知人类的无知，从事研究的科学家才能心平气和地面对不断拓展的知识疆界。那些坚信自己无所不知的人不会刻意去寻找，更不会在无意中发现宇宙中已知和未知的边界。这里隐藏着一个十分有趣的分野。如果有人问你：“大爆炸之前的宇宙是什么样子？”那么“宇宙始终都在”绝不是个值得称赞的答案。但是对很多宗教人士来说，如果有人问：“上帝诞生之前的世界是什么样子？”“上帝始终都在”却是一个令人愉悦的自然而然的回答。
无论你拥有何种身份，探查事物的源头和机制总会触发你的热情，仿佛弄清原因就能让你对后来发生的事情产生某种亲近感，甚至掌控感。所以，生活中的道理也同样适用于宇宙：明白我们从哪里来，这件事情的重要性绝不亚于知道我们要往哪里去。
第二节 反物质的重要性
粒子物理学家是物理学界“最古怪但也最有趣术语大赛”的常胜将军。除了这个领域以外，你还能上哪儿去找“一个带负电的μ子和一个μ中微子交换了一个中性向量玻色子”或者“一个奇夸克和一个粲夸克交换了结合的胶子”这种描述？除了数不清的名字特别奇怪的粒子以外，粒子物理学家还得对付反粒子构成的平行宇宙，我们把这些粒子统称为“反物质”。作为科幻故事里的常客，反物质真实地存在于我们的宇宙中。和你想的一样，反物质的确会尽可能地寻找机会接触正常物质，然后一起湮灭。
反粒子和粒子之间的关系有一种别样的浪漫。它们共同诞生于纯能量中，最后又通过湮灭将彼此的质量重新化作能量。1932年，美国物理学家卡尔·戴维·安德森（Carl David Anderson）发现了反电子，这种带正电的反物质粒子对应的是带负电的电子。从那以后，粒子物理学家在世界各地的粒子加速器里制造出了各种各样的反粒子，但是直到最近，他们才利用反粒子获得了完整的反原子。从1996年开始，在瓦尔特·厄莱尔特（Walter Oelert）的领导下，德国于利希核物理研究所的一个国际团队经过多年努力终于创造出了反氢原子，在这个反原子内部，一个反电子愉快地绕着一个反质子旋转。为了制造出这些反原子，物理学家使用了位于瑞士日内瓦的欧洲粒子物理研究所（European Organization for Nuclear Research，这个机构更广为人知的称号是它的法语名称缩写，CERN）的巨型粒子加速器，这台设备为粒子物理学的发展做出了诸多重要贡献。
这些物理学家用一种简单的方式创造原子：他们制造出了一大堆反电子和一大堆反质子，然后将这些反粒子放到合适的温度和密度环境下，等待它们自行组成原子。厄莱尔特的团队在第一轮实验中就制造出了9个反氢原子。不过在这个正常物质占据绝对统治地位的世界里，反物质原子的生命十分短暂。这批反原子甚至没有活过40纳秒（1纳秒=10^-?秒）就和正常原子一起湮灭了。
反电子的发现是理论物理最伟大的成就之一，因为就在几年前，生于英国的物理学家保罗·A. M.狄拉克（Paul A. M. Dirac）刚刚预测了它的存在。
为了描述最小尺度的物质（原子和亚原子粒子），20世纪20年代，物理学家发展出了一门新的分支来解释这些粒子的实验结果。利用新建立的理论（现在我们称之为“量子力学”），狄拉克根据他的方程的第二个解提出了一个假设：来自“另一边”的幽灵电子可能会以普通电子的面目突然出现在我们的世界里，从而在负能量的海洋中留下一个缺口，或者说一个洞。虽然狄拉克试图通过这种方式来解释质子，但其他物理学家却提出，这个洞可能会表现为一个带正电的反电子，由于它携带正电荷，现在我们更喜欢叫它“正电子”。正电子的发现证实了狄拉克的基本观点，也为反物质奠定了和物质一样值得尊重的地位。
拥有两个解的方程并不罕见。举个最简单的例子：哪个数的平方等于9？是3还是-3？当然，这两个答案都对，因为3乘以3等于9，-3乘以-3也等于9。物理学家无法保证某个方程的所有解都能与现实世界中的事件对应起来，但如果某个物理现象的数学模型正确无误，那么琢磨方程总比琢磨整个宇宙简单，而且同样有用。就像狄拉克和反物质的故事一样，方程的多个解常常带来各种各样的预测。如果这些预测被证明是错误的，那么人们就会抛弃相应的理论。但无论最后得到什么样的结果，数学模型总能确保你得出的结论既拥有逻辑上的合理性又具备内在的一致性。
亚原子粒子拥有多种可测量的特性，其中最重要的是它的质量和电荷数。某种粒子和它的反粒子通常拥有相同的质量，除此以外，它们的所有特性总是截然相反。比如说，正电子的质量和电子一样，但正电子携带一个单位的正电荷，而电子携带一个单位的负电荷。与此类似，反质子携带的电荷也正好和质子相反。
不管你信不信，不带电的中子也有对应的反粒子。它名叫——你猜猜看？——反中子。反中子和中子携带的电荷正好相反，我们可以称它携带“-0”电荷。这不是抬杠，我们之所以这么说，根本原因在于中子是由3个携带不完整电荷的粒子（夸克）组成的。构成中子的3个夸克携带的电荷数分别是-1/3、-1/3和2/3，而反中子内部的3个夸克携带的电荷数则是1/3、1/3和-2/3。每组夸克的总电荷数都是零，但它们各自携带的电荷却是相反的。
反物质可能突然凭空出现。如果γ射线光子拥有足够的能量，它们就能自行转化成电子—正电子对，通过这种方式，γ射线拥有的海量能量变成了微不足道的一点点物质，这个过程满足爱因斯坦的著名方程E=mc2。
根据狄拉克最初的解释，γ射线光子会将电子从负能量的领域中激发出来，由此创造出一个普通的电子和一个电子洞。这个过程反过来也成立。如果一个粒子和一个反粒子发生碰撞，它们会互相湮灭，填满这个洞，同时释放出γ射线。你千万记得小心避开γ射线。
如果你在家里不小心捣鼓出了一团反粒子，那可真是骑虎难下了。很快你就将面临仓储的难题，也许你准备了保鲜盒或者购物袋之类的容器，但不管它是纸质的还是塑料的，反粒子都会和它发生湮灭。更聪明的做法是利用强磁场来束缚带电反粒子，强大的磁场“墙壁”虽然看不见也摸不着，却能牢牢地将反粒子锁起来。将反粒子存放在这样的真空磁场里，你就不用担心它会和普通物质一起湮灭了。这样的“磁瓶”也适合存放其他可能损伤容器的材料，譬如（受控）核聚变实验中的灼热气体。要是你创造出了完整的反原子，那么仓储问题的难度还会再上一个台阶，因为和原子一样，反原子通常无法被磁壁束缚。最明智的做法或许是将你的正电子和反质子分别存放在单独的磁瓶里，等到有需要的时候再把它们混合起来。
要创造出反物质，你需要的能量至少应该相当于它与物质湮灭时释放出来的能量。如果没有在发射前准备好一整箱反物质燃料，反物质引擎就一定会在运转中缓慢地从你的飞船中汲取能量。原版的《星际迷航》剧集和电影也许体现了这个事实，不过要是我记得没错的话，柯克船长总是要求反物质引擎“加大点马力”，而斯科提永远操着一口苏格兰腔回答：“引擎无法承受。”
虽然物理学家认为氢原子和反氢原子的运动规律应该完全一致，但他们尚未通过实验证明这一预测，主要是因为保存反氢原子实在太难。这些反原子几乎一诞生就会立刻与质子和电子发生湮灭。科学家非常希望证实，反氢原子内部正电子和反质子的运动完全遵循量子力学定律，反原子的引力也和普通原子一模一样。不过，我们也许应该思考一个更深的问题：既然普通原子产生的是引力，那么反原子会不会产生反引力（斥力）？现有理论推出的结论倾向于后者，但如果最终事实证明前者才是正确的，那么我们又将得到许多关于自然的新洞见。从原子层面上说，任何两个粒子之间的引力都非常非常小。决定这些微小粒子如何运动的主要因素不是引力，而是电磁力与核力，因为这两者都比引力强得多。要验证反引力的性质，你需要足够多的反原子来组成宏观的反物体，这样你才能测量它们的集合特性，然后与普通物质进行比较。如果我们能用反物质制造一套台球（当然，还有台球桌和台球杆），那么这场“反台球”游戏和普通的台球游戏有何区别？反8号球坠入角落球袋的方式是否和普通的8号球完全相同？反行星围绕反恒星公转的方式是否和普通行星围绕普通恒星的公转方式完全一致？
根据朴素的哲学和现代物理学的种种预测，最合理的假设或许应该是，反物质在宏观层面上的性质和普通物质完全一致——引力相同、碰撞相同、光相同，以此类推。糟糕的是，这意味着如果一个反星系正在冲向我们的银河系，那么我们不会发现它和其他正常星系有任何不同之处，等到我们终于反应过来，那就干什么都来不及了。但如此可怕的命运在今天的宇宙中应该非常罕见，因为某颗反恒星与正常恒星碰撞湮灭必然会爆发出海量的γ射线，物质与反物质掀起的能量巨浪将迅速传遍整个宇宙。如果两颗质量和太阳相仿的恒星（每颗恒星分别拥有10^??个粒子）在我们的星系中发生碰撞，那么在它们湮灭的那一刻，那颗璀璨天体爆发的能量将超过1亿个星系中所有恒星释放的能量总和，我们的世界也将在这个瞬间彻底蒸发。我们还没有找到任何可以证明宇宙中的确发生过此类事件的有力证据。我们只能推测，大爆炸之初的那几分钟结束之后，普通物质就成了宇宙主要的组成部分。所以，踏上星际旅途的时候，物质与反物质的碰撞大概不是你最需要担心的安全问题。
不过，现在的宇宙不平衡得令人担忧。我们原本以为粒子和反粒子是成对地被创造出来的，结果现在，我们却看到了一个以普通粒子为主的宇宙，反粒子的缺失仿佛根本无关紧要。这会不会是因为，宇宙中有一部分反物质被装在小袋子里藏了起来？这会不会是因为宇宙诞生之初，某个物理定律遭到了破坏（或者出于某种未知的物理机制），永远地打破了物质和反物质之间的平衡？我们或许永远都找不到这些问题的答案，不过至少在今天，如果你家院子里突然冒出来一个外星人，如果他友好地向你伸出了附肢，那你千万不要表现得过于热情，最好先朝他扔一个8号球。如果附肢碰到球就发生了爆炸，那么这位外星人没准是反物质组成的（我们暂且不必考虑这位不速之客和他的伙伴会对你的“欢迎仪式”作何反应，也不要琢磨爆炸对你有何影响）。如果什么都没有发生，那你就能放心大胆地带着这位新朋友去见领导了。
第三节 要有光
大爆炸之后的0.01秒内，宇宙的温度之高，超乎我们的想象，这个璀璨至极的世界最重要的任务是不断膨胀。每时每刻，宇宙都在不停地变大，越来越多的空间从虚无变为真实的存在（这或许很难想象，不过在这个问题上，事实胜于常识）。在膨胀的过程中，宇宙也在不断冷却、变暗。几十万年里，物质和能量彼此交缠，搅成了一锅浓汤，飞速运动的电子与光子不断发生碰撞，使光子向着四面八方散射。
在这个阶段，看遍整个宇宙恐怕是个不可能完成的任务。光子在进入你眼睛之前的几纳秒内，就会被你面前的电子弹开。无论望向哪里，你只能看到一片模糊的光雾，半透明的红白色强光弥漫在你周围，亮度堪比太阳表面。
光子携带的能量随着宇宙的膨胀不断下降。直到年轻的宇宙迈过38万岁的门槛，它的温度降到了3000K以下，质子和氦原子核终于能够永久性地捕获电子，原子就此诞生。在此之前，每个光子携带的能量都足以击碎新形成的原子，但是此时，得益于宇宙的膨胀，光子失去了这样的能力。捣乱的自由电子变少了，光子才能在空间中飞驰，不必担心撞上什么东西。在这个阶段，宇宙变得透明起来，浓雾散去，遍布宇宙的背景可见光获得了自由。
这些残余的背景光一直存留到了今天，它们来自炽热混沌的早期宇宙。无处不在的光子拥有波和粒子的双重性质。光子的波长等于两个相邻波峰之间的距离——你可以用尺子来测量这段距离，如果你能抓到光子的话。真空中的所有光子以相同的速度运动，即299792千米/秒，我们顺理成章地称之为光速。光子的波长越短，每秒经过特定点的波峰数量就越多。正是出于这个原因，光子的波长越短，单位时间传播的波的数量就越多，光的频率也越高，每秒经过特定点的波的数量也越多。光子的频率直接影响它的能量：频率越高的光子携带的能量越多。
在宇宙冷却的过程中，光子因为宇宙膨胀而损失了能量。从γ射线和X射线中诞生的光子一步步变成了紫外线光子、可见光光子，乃至红外线光子。随着波长的增长，光子的温度变得越来越低，携带的能量也越来越少，但它的基本性质始终不曾改变。在大爆炸137亿年后的今天，宇宙背景光子的频率已经降低到了微波的范围内，所以天体物理学家才叫它“宇宙微波背景辐射”，不过更具前瞻性的名字应该是“宇宙背景辐射”（Cosmic Background Radiation,CBR）。从现在开始，再过1000亿年，等到宇宙进一步膨胀冷却，未来的天体物理学家或许会认为CBR应该叫作“宇宙无线电波背景辐射”。
随着宇宙不断膨胀变大，它的温度也直线下降。这是由物理定律决定的。宇宙中不同区域之间的距离变得越来越远，CBR光子的波长必然随之变大。时间和空间的构造像弹性纤维一样拉长了宇宙中的光波。由于光子的能量和它的波长成反比，自由光子的波长每增加一倍，它的能量就会降低一半。
任何高于绝对零度的物体都会向外辐射全波长谱系的各种光子，但这样的辐射存在峰值。家用普通电灯泡输出的光子能量峰值落在红外线范围内，所以你才会觉得灯光照得你的皮肤暖烘烘的。当然，灯泡也会释放出足量的可见光，不然我们就不会买它了。因此，你的眼睛和皮肤都能感受到台灯的辐射。
宇宙背景辐射的输出峰值波长大约是1毫米，正好落在微波范围内。步话机里咝咝的静电音就来自无所不在的微波，CBR贡献了其中的一部分，其余的“噪声”则来自太阳、手机、警用测速雷达等干扰源。除了峰值的微波辐射以外，CBR还包含了少量的无线电波（所以它会干扰地球上的无线电信号）和极微量的频率高于微波的光子。
20世纪40年代，生于乌克兰的美国物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）和他的同事预测了CBR的存在。1948年，他们在一篇论文中运用当时已知的物理定律分析了早期宇宙的古怪状况。他们的基础观点来自比利时天文学家兼耶稣会牧师乔治·爱德华·勒梅特（Georges Edouard Lema?tre）于1927年发表的一篇论文，现在勒梅特已经成了举世公认的“大爆炸理论之父”。不过，首次预测宇宙背景温度的科学家不是伽莫夫，而是两位曾经跟他合作过的美国物理学家：拉尔文·阿尔菲（Ralph Alpher）和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）。
阿尔菲、伽莫夫和赫尔曼提出了一个假说（今天的我们可能觉得这个想法相当简单，因为学界已经得出了定论）：昨天的时空构造比今天的更小。根据物理学的基本规律，更小就意味着更热，所以物理学家回望宇宙的开端，推演出了我们刚才描述的那个时期。当时的宇宙过于炽热，以至于所有原子核都孤零零地暴露在外，因为光子的碰撞解放了所有电子，让它们在空间中自由游荡。阿尔菲和赫尔曼提出，在这种情况下，光子不可能像今天一样在宇宙中自由穿行。如今的光子之所以能够畅行无阻，是因为宇宙的温度降低到了一定程度，电子能够在原子核周围的轨道上安定下来。完整的原子诞生以后，光才能在宇宙中自由穿行。
早期宇宙的温度一定比现在高得多。虽然这个决定性的观点是伽莫夫提出的，但阿尔菲和赫尔曼却首次算出了早期宇宙温度残留至今的余韵：5K。其实他们算错了，现在CBR的确切温度是2.73K。但无论如何，这三位科学家成功推演出了早期的宇宙面貌，虽然那段历史早已湮没在时空的长河中，但这仍是科学史上最伟大的成就之一。根据在实验室里总结出的最基本的原子物理法则，他们推演出了人类有史以来研究过的尺度最大的对象（我们这个宇宙的温度史），这绝对是个颠覆性的成果。普林斯顿大学的天体物理学家J.理查德·戈特三世（J. Richard Gott III）在《爱因斯坦宇宙中的时间旅行》（Time Travel in Einstein's Universe）一文中盛赞了这一发现：“预测宇宙背景辐射的存在并准确计算出它的温度，误差在两倍以内，这是个了不起的成就。这相当于预测一艘直径15米的飞碟将降落在白宫的草坪上，结果我们看到了一艘直径8米的飞碟缓缓落地。”
伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼做出这些预测的时候，物理学家还没确定宇宙是怎么诞生的。1948年，也就是阿尔菲和赫尔曼的论文问世的同一年，在英国发表的两篇论文提出了一套恒稳态理论，其中一篇论文由数学家赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi）和天体物理学家托马斯·戈尔德（Thomas Gold）共同撰写，另一篇论文的作者则是宇宙学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）。根据恒稳态理论，宇宙在膨胀过程中将始终保持不变——简洁是这套假说最诱人的特质。但是，既然宇宙不断膨胀，稳定态宇宙的温度和密度又始终保持一致，那么按照邦迪、戈尔德和霍伊尔的设想，物质必须以恰到好处的频率持续地凭空出现在这个宇宙中，这样宇宙才能在膨胀的同时维持它的密度不变。与此相对，大爆炸理论（弗雷德·霍伊尔轻蔑地给它起了这个名字）则要求所有物质瞬间同时出现，某些人认为这套假说更对胃口。请注意，恒稳态理论将宇宙起源的时间推向了无限远处——对那些不愿意应对这个棘手问题的人来说，这真是方便极了。
宇宙背景辐射的预测就像一支拉满弦的利箭，它的箭头对准了恒稳态理论的要害。CBR的存在将清晰地证明，昔日的宇宙和我们今天看到的很不一样——它比现在小得多，也热得多。因此，关于CBR的第一批直接观测结果给恒稳态理论的棺材钉下了第一颗钉子（但弗雷德·霍伊尔从不曾完全接受这样的现实：CBR推翻了他优雅的理论。终其一生，他一直试图为这种辐射寻找其他解释）。1964年，阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在新泽西州美利山（Murray Hill）的贝尔电话实验室（简称“贝尔实验室”）偶然发现了CBR的存在。1978年，他们的勤奋和幸运得到了奖励，彭齐亚斯和威尔逊荣获诺贝尔物理学奖。
彭齐亚斯和威尔逊是怎么拿到诺贝尔奖的呢？20世纪60年代初，物理学家已经知道了微波的存在，但谁也无法准确探测微波波段的微弱信号。那时候的无线通信设备（例如，接收器、探测器和发送器）主要针对波长更长的无线电波。要捕捉微波，科学家需要能对波长更短的波进行探测的探测器和灵敏的天线。贝尔实验室就有一套这样的设备，这台巨大的喇叭状天线能专门捕捉微波，而且性能和普通设备一样好。
发送或接收信号的时候，你肯定不希望受到其他信号的干扰。彭齐亚斯和威尔逊试图为贝尔实验室开辟一个新的通信频道，他们希望确定这些信号会遭受多少“背景”干扰，无论这些干扰是来自地面、太阳、银河系中心，还是其他地方。为了确定探测微波信号的难度，他们开始进行一些标准测量。当时他们完全不知道，这些看似普通的测量将产生多么重大的影响。虽然彭齐亚斯和威尔逊都有天文学的背景，但他们不是宇宙学家，而是研究微波的技术派物理学家。对于伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼做出的预测，他们根本一无所知。寻找宇宙微波背景辐射绝对不是他们的目标。
就这样，他们开始了实验。校正数据的时候，两位科学家排除了一切已知的干扰源，但最后他们发现，信号中的背景噪声还是没有消失，他们完全想不出摆脱它的办法。地平线上的每个方向似乎都有噪声，而且不随时间变化。最后，他们决定检查一下大喇叭内部，结果发现鸽子在天线里面筑了巢，鸽巢附近沾满了白色的绝缘物质（鸽粪）。当时的彭齐亚斯和威尔逊肯定陷入了绝望——难道信号里的背景噪声来自鸽粪？他们清理了天线，噪声的确减弱了一点，但还是没有消失。1965年，他们在《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal）上发表了一篇论文，提到了这种无法解释的“多余的天线温度”；这两位物理学家全然不知，世纪性的天文发现就悬在他们的指尖。
彭齐亚斯和威尔逊在清理鸟粪的时候，普林斯顿大学的一群物理学家正在罗伯特·H.迪克（Robert H. Dicke）的带领下修建一台探测器，这台探测器将专门用来寻找伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼预测的CBR。这些教授没有贝尔实验室充足的资源，所以他们的工作进展得很慢。彭齐亚斯和威尔逊的观测结果传到迪克团队耳朵里的那一刻，这群物理学家立即明白，他们晚了一步。他们当然知道所谓的“多余的天线温度”到底是什么。观测结果完全符合理论假说：温度符合预测，来自任何方向的信号强度完全相同，而且它不受时间影响，这意味着地球自转或者地球在绕日公转轨道上的位置都与它无关。
但我们为什么会接受这套解释呢？理由非常充分。光子从遥远的宇宙深处传到我们这里需要时间，所以当我们将目光投向深邃的宇宙，看到的景象必然来自过去。这意味着如果有另一群智慧生物定居在某个遥远的星系里，他们测量宇宙背景辐射的时间比我们早得多，那么他们测出的温度必然高于2.73K，因为在那个时候，宇宙比现在更年轻、更小也更热。
这个大胆的猜想能被证实吗？当然。我们发现，一种名叫“氰”的碳氮化合物——它最广为人知的用途是给杀人犯执行死刑——一旦暴露在微波中就会被激发。如果某种微波的温度高于现在的CBR，那么氰分子被激发的程度也会略高于CBR。因此，氰可以充当宇宙的温度计。当我们观测那些更遥远也更年轻的星系时，我们应该发现，那里的氰沐浴在比银河系CBR温度更高的宇宙背景辐射中。换句话说，那些星系应该比我们的银河系更有活力。事实也的确如此。来自远方星系的氰的光谱表明，那里的微波温度的确符合我们对更早期宇宙的推想。
这些事可做不了假。
对天体物理学家来说，CBR的意义绝不仅仅是为宇宙的灼热过往和大爆炸理论提供了最直接的证据，他们还发现，组成CBR的光子承载着宇宙变得透明之前和之后的大量细节信息。我们注意到，直到大爆炸大约38万年之后，宇宙仍是不透明的，所以就算你坐在第一排正中间，你也不可能亲眼见证物质的形成。你根本不可能看到星系团聚集成形的过程。在任何地方的任何人能看到任何值得一看的东西之前，光子就获得了在宇宙中畅通无阻的能力。每个光子都会在某个合适的时机遭遇与电子的最后一次碰撞，从此踏上跨越宇宙的漫长旅途。随着越来越多的光子摆脱电子的干扰（这得多谢电子和原子核一起形成了原子），它们形成了一层不断膨胀的光子壳，天体物理学家称之为“最后的散射面”（the surface of last scatter）。这层光子壳大约花费了10万年时间才逐渐成形，与宇宙中所有原子的诞生完全同步。
这个时候，宇宙中很多地方的物质已经开始聚集。物质聚集得越多，产生的引力就越强，这又进一步吸引了更多物质。这些物质富集的区域为超星系团的形成播下了种子，与此同时，其他区域相对比较空旷。物质聚集区的引力场越来越强，一些光子正好在这样的区域内经历了与电子的最后一次碰撞，那么这些光子离开这片区域的时候，引力场会剥夺它们的一小部分能量，从而使它们跌落到略微冷一点的谱系中。
宇宙中的确有某些地方的CBR比平均温度高一点点或者低一点点，但波动极小。这些热点和冷点标出了宇宙中最古老的结构，也就是物质最初聚集的地方。我们之所以知道物质今天的模样，是因为我们能看到星系、星系团和超星系团。为了弄清这些系统是如何形成的，我们开始深入研究宇宙背景辐射，这些来自遥远过去的不可思议的遗迹迄今仍充斥着整个宇宙。对CBR“图案”的研究构成了“宇宙颅相学”：我们摸索青年宇宙“颅骨”上的凹凸，反推它在婴儿期的行为，预测它在成年后的未来。
结合对地球和深空的其他观测结果，天文学家可以根据CBR确定宇宙的各种基本特性。比如说，我们可以比较热区和冷区的尺寸及温度分布，由此推测早期宇宙的引力强度，进而判断物质聚集的速度。接下来，我们还能推测宇宙中普通物质、暗物质和暗能量的比例（分别是4%、23%和73%）。知道了这些基本信息，“宇宙是否会永远膨胀下去”“宇宙的膨胀是否会随时间流逝而变慢或者变快”这些问题就简单多了。
我们每个人都是由普通物质组成的，普通物质既能产生引力，又能吸收、释放光，还能和光发生其他形式的互动。正如我们在第四章中即将看到的，暗物质是一种性质未知的存在，它能产生引力，却不会以任何已知的方式与光互动。我们会在第五章中介绍暗能量，它加快了宇宙膨胀的速度，如果没有暗能量，宇宙就不会膨胀得这么快。现在，借助宇宙颅相学，宇宙学家对早期宇宙已经有所了解，但对于现在的宇宙和过去的宇宙，我们一直不清楚其中的主要成分到底是什么。
尽管有那么多未知的谜团，但今天的宇宙学家已经得到了一件前所未有的强大工具。CBR承载着我们都曾经通过的那扇大门留下的印记。
100多亿年来，宇宙一直在不断地膨胀，最初我们通过对遥远星系的观测得出了这个结论，宇宙微波背景辐射的发现验证了这一点，由此提升了宇宙学的准确性。CBR的精准确保了宇宙学在实验科学领域的地位。起初，科学家利用气球搭载的设备和南极的一台望远镜探测天空中的小块区域，由此绘制了这张地图的初稿；后来他们又通过一颗名为“威尔金森微波各向异性探测器”（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,WMAP）的卫星扫描整个天空，补完了整张地图。2003年，WMAP输出了第一批观测结果；在我们的宇宙学故事讲完之前，这颗卫星还将为我们提供更多信息。
宇宙学家总是那么自负，不然他们又怎么能大胆推测宇宙是如何诞生的呢？但宇宙学已经走入了基于观测的新纪元，现在他们或许需要改改脾气，变得谦逊一点。每一个新的观测结果，每一组新的数据都可能对你的理论产生影响。一方面，观测为宇宙学奠定了坚实的基础，在其他很多科学领域里，这样的基础完全是默认的，因为它们早就形成了成熟的实验室观测体系；另一方面，理论家曾在缺乏观测手段的年代凭空提出了大量不着边际的假说，新的数据必然会肯定其中的一部分，打破另外一部分。
科学的硕果离不开准确数据的浇灌。现在，宇宙学正在成为一门准确的科学。
第四节 要有暗
引力是自然界里我们最熟悉的力，它同时造就了自然界里最容易理解和最让人费解的现象。千年来最睿智、最具影响力的科学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton）认识到，引力神秘的“远距离作用”来自每一点物质的天然效应，任意两个物体之间的引力都能用一个简单的代数方程来描述。20世纪最睿智、最具影响力的科学家爱因斯坦又进一步发现，我们可以将引力的远距离作用更准确地描述为物质和能量的任意组合造成的时空构造弯曲。爱因斯坦证明，牛顿理论需要做出一定的修正才能准确描述引力，在这个过程中，他预测了光线行经大质量物体时弯曲的程度。虽然爱因斯坦的方程看起来比牛顿的花哨，但它们完全符合我们所认知并热爱的物质的实际行为，包括我们能够看到、触碰、感觉、偶尔还会品尝的所有物质。
我们不知道下一个天才会是谁，但半个多世纪以来，我们一直在等待某个人来告诉我们，为什么我们在宇宙中测量到的引力大部分来自那些看不见、摸不着、无法触碰，更无从品尝的存在。也许这些多余引力的来源根本不是物质，而是另一些抽象的东西。无论如何，现在我们还全无头绪。星系的引力会影响它们的近邻，1933年，天文学家在测量某些星系的速度时首次发现了“消失的质量”。1937年，曾先后在保加利亚、瑞士和美国居住的天体物理学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）全面分析了这个谜团，但直到今天，我们在这个问题上仍然没有任何进展。兹威基在加州理工学院（California Institute of Technology）工作了40多年，这位科学家提出的宇宙学理论五花八门、丰富多彩，同样令人印象深刻的还有他挑衅同事的非凡能力。
兹威基研究的是一个巨型星系团内的星系运动，这些天体来自后发座（Coma Berenices，这个名字的意思是“贝蕾妮丝的头发”，贝蕾妮丝是埃及古代的一位王后），远离银河系的本地恒星。后发座星系团地处偏远，星系众多，它与地球的距离大约是3亿光年。数千个星系就像围绕蜂巢打转的蜂群一样绕着星系团中心旋转，运动方向各不相同。兹威基从中挑出了几十个星系，通过它们的运动来研究凝聚整个星系团的引力，结果发现，这些星系的平均速度大得惊人。引力越大，受其作用的天体运动速度也越快，因此兹威基推测，后发座星系团的质量一定非常非常大。如果把这些星系的估计质量全都加起来，后发座就会成为宇宙中最大、最重的星系团。即便如此，这个星系团中可见物质的质量也无法支撑这么快的星系运动速度。似乎有一部分物质凭空消失了。
如果你假设这个星系团并未处于某种奇怪的膨胀或坍缩状态，那么你可以用牛顿引力定律算出这些星系理应拥有的典型平均速度。你需要的数据只有两组：星系团的尺寸，以及你估计的星系团总质量。星系与星系团中心之间的距离各不相同，星系团的总质量产生的影响也不一样，由此我们可以算出各星系的运动速度：如果星系的运动速度太慢，它就会坠入星系团中心，要是速度太快，它就会彻底脱离这个星系团。
牛顿曾用同样的方法根据各个行星与太阳之间的距离计算太阳系里每颗行星在绕日轨道上的公转速度。这些速度完全符合各个行星所在的引力环境。如果太阳突然变得更重，地球和太阳系里的所有天体都必须加快速度才能停留在目前的轨道上。但是，如果天体的公转速度太快，太阳的引力就不足以维持它们目前的轨道。要是地球的轨道速度增加到目前的两倍，我们这颗行星就将达到“逃逸速度”，然后（正如你猜到的那样）它会逃离太阳系。同样的道理也适用于比地球大得多的天体，例如，我们的银河系。银河系内某颗恒星运行的轨道由本星系其他所有恒星的引力共同决定，以此类推，星系团中的每个星系也会受到其他所有星系引力的影响。正如爱因斯坦在纪念牛顿的诗句（它的德语原文比译文更有震撼力）中写到的：
天上的星星告诉我们
大师的思想何等触手可及
每颗星星都遵循牛顿的数学
在轨道上默然运行
如果我们像20世纪30年代的兹威基一样仔细审视后发座星系团，我们会发现，它内部的所有星系运行的速度都超过了这个星系团的逃逸速度。但我们在计算逃逸速度时依据的星系团总质量，是将它拥有的所有星系质量一个个加起来得出的结果，而每个星系的质量又是根据它的亮度估计出来的。如果我们没算错的话，这个星系团应该迅速分崩离析，只余下些许痕迹供人缅怀它蜂巢般拥挤的过往，这个过程只需要几亿年到10亿年。但后发座星系团的寿命已经超过了100亿年，几乎和宇宙本身一样古老。这就是天文学上存在时间最长的谜团。
兹威基发现这个谜团之后的几十年里，天文学家又在其他星系团中观察到了同样的现象。所以，我们不能怪后发座太奇怪。那么我们该责怪谁呢？牛顿吗？那可不行，250年来，牛顿的理论经受了无数考验仍屹立不倒。那怪爱因斯坦？也不行。星系团的引力并没有强到必须全面动用爱因斯坦相对论的程度，兹威基开展研究的时候，这套理论才诞生了20多年。将后发座星系团凝聚在一起的力量也许真的来自“消失的质量”，只不过我们看不到它们，也不知道它们的性质。有一段时间，天文学家将“消失的质量”重新命名为“消失的光”，因为这些质量是从多余的引力反推出来的。现在，天文学家更准确地估计了星系团的质量，于是他们提出了“暗物质”这个新词儿，不过更准确的描述或许应该是“暗引力”。
暗物质问题看不见的头颅再次浮出水面。1976年，华盛顿卡内基研究所（Carnegie Institution of Washington）的天体物理学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）在旋涡星系中也发现了“消失的质量”引发的异常。鲁宾研究的是恒星围绕自己所在的星系中心旋转的速度，刚开始她观察到的现象完全符合预想：在每个星系可见的星系盘内，远离星系中心的恒星运动速度大于更内侧的恒星。外侧恒星与星系中心之间的物质（恒星和气体）更多，所以它们需要转得更快才能留在轨道上。但是，在明亮的星系盘之外，我们仍能找到一些孤立的气体云和少量亮星，鲁宾利用这些天体来跟踪星系“外部”的引力场。虽然这些区域内没有能够增加星系总质量的可见物质，但她发现，“虚无村”里的这些天体运动速度还是很快——它们的速度本应随着距离的增加而下降。
这些广袤的真空区域是每个星系里都会有的荒野，其中包含的可见物质太少，根本无法支撑零星天体的飞速运动。鲁宾提出了一个合理的假设：旋涡星系边缘黑暗的偏远区域里一定存在某种形式的暗物质。事实上，这些暗物质形成的暗晕包围着整个星系。
暗晕问题就在我们的鼻子底下，我们的银河系里就有暗晕。可见天体质量与系统总质量之间总是存在偏差，几乎每一个星系和星系团都逃不掉这个问题，只是两个质量之间的比例系数差别巨大，有的只有2或3，有的可以达到几百。整个宇宙的平均系数大约是6。也就是说，宇宙中暗物质的质量是可见物质的6倍左右。
近25年来，进一步的研究告诉我们，这些暗物质的成分不可能是不发光的普通物质。科学家之所以得出这个结论，是因为他们几乎可以排除已知的任何候选者，这就像警察筛查嫌犯。这些不发光的物质会不会藏在黑洞里？不可能，要是真有这么多黑洞，它们的引力必然影响周围的恒星，那我们早就发现不对劲了。它们会不会是看不见的云？也不可能，云团会吸收后面的恒星发出的光，或者以其他方式与这些光互动，但真正的暗物质却不会。它们会不会是恒星之间（或者星系之间）的行星、小行星、彗星或者其他不发光的天体？我们很难相信宇宙中行星的质量能达到恒星的6倍，这意味着每颗恒星将对应6000颗木星，甚至200万颗地球。在我们的太阳系里，太阳以外的其他所有东西的质量加起来也只有太阳的0.2%。
因此，我们只能推测，暗物质不可能简单地由某些正好不发光的物质组成。恰恰相反，它完全是另一种存在。暗物质产生的引力和普通物质完全相同，但除此以外，我们几乎意识不到它的存在。当然，这个问题陷入死胡同的深层原因在于，我们根本不知道暗物质到底是什么。探测暗物质之所以这么难，很大程度上是因为我们完全不了解它的性质，那么问题来了：既然所有物质都有质量，所有质量都会产生引力，那么反过来说，引力就一定来自物质吗？我们并不知道。暗物质指的是某种拥有引力但性质不明的物质，但也许这里根本就不存在什么物质，它就是一种我们完全不了解的引力。
要研究暗物质，我们不能光是假设它存在，然后就把它丢到一边。现在，天体物理学家正在试图弄明白，这些东西聚集在宇宙中的哪些地方。如果暗物质只存在于星系团边缘，那么星系的运动速度应该完全不受它的影响，因为星系运动的速度和轨道完全取决于其轨道内侧的引力源。如果暗物质只存在于星系团中心，那么（距离中心由近到远的）星系的运动速度应该只受分布于它们的轨道之间的普通物质的影响。但实际的观测结果却告诉我们，星系团内绕轨运行的星系所占据的空间里到处都有暗物质。事实上，普通物质和暗物质的位置有松散的重叠。几年前，美国天体物理学家J.安东尼·泰森（J. Anthony Tyson，他是本书一位作者的“托尼堂哥”，但两人实际上并不是亲戚）带领的团队（当时他们在贝尔实验室工作，现在转移到了加州大学戴维斯分校）首次描绘了巨型星系团内部及周围的暗物质引力分布详图。大星系所在的区域暗物质密集度很高，反之，没有可见星系的区域暗物质很稀少。
暗物质和普通物质的矛盾在某些环境里并不突出，但在某些环境里却特别扎眼，总的来说，这样的矛盾在大型天文系统中表现得最为明显，譬如星系和星系团。对于那些最小的天体（例如，卫星和行星）来说，暗物质和普通物质的矛盾根本就不存在。举个例子：我们脚下踩着的这颗星球足以解释地球表面的引力，所以要是你体重超标，千万别怪到暗物质头上。暗物质也不会影响月球绕地球运行的轨道，或者行星绕太阳的运动。但要解释恒星围绕星系中心的运动，我们就得祭出暗物质这面大旗了。
星系尺度的引力会不会遵循另一套物理规则？很可能不是这样。可能性更大的是，暗物质由一些我们尚不清楚其性质的东西组成，它们的分布比普通物质更加分散，否则我们会发现，每六片暗物质里就有一片上面粘着一团普通物质。据我们目前所知，事实并非如此。
有时候，天体物理学家会甘冒天下之大不韪，提出一些耸人听闻的观点，比如：我们知道和热爱的所有物质，包括恒星、行星和生命其实只是宇宙汪洋中漂浮的片片浮标，真正组成这片海洋的是一些虚无缥缈的东西。
但是，万一这个结论完全错了呢？在无路可走的情况下，一些科学家开始质疑其他试图理解宇宙的同行提出的假说所依据的基本物理定律，这是可以理解的。他们这么做也不算错。
20世纪80年代初，以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）的以色列物理学家莫德采·米尔格若姆（Mordehai Milgrom）提出，我们应该对牛顿引力定律做出修改，现在这套理论被称为MOND（MOdified Newtonian Dynamics，修正版牛顿力学）。标准牛顿力学完全适用于星系以下的尺度。米尔格若姆提出，描述引力在星系和星系团尺度上的影响时，牛顿需要一些帮助，因为单个的恒星和星系团相距遥远，它们作用于彼此的引力相对较小。米尔格若姆为牛顿方程添加了一个条件，专门用于修正天文尺度下的引力效应。虽然米尔格若姆提出的MOND只是一个计算工具，但他也没有排除这样的可能性：说不定他的理论真的可以解释新的自然现象。
MOND的成功相当有限。这套理论的确可以解释很多旋涡星系外围孤立天体的运动，但它带来的问题比答案还多。MOND无法可靠预测更复杂系统的动力学特性，例如，它无法解释双星系或多系统的运动。此外，WMAP卫星于2003年绘制的宇宙背景辐射详图带来了新的契机，现在宇宙学家可以单独测量暗物质对早期宇宙的影响。他们得出的结果完全符合基于传统引力理论的连续宇宙模型，MOND因此失去了很多支持者。
宇宙的历史长达140亿年，在最初50万年的短暂时光里，宇宙中的物质已经开始聚集成团，其中一些后来发展成了星系团和超星系团。但宇宙一直都在膨胀，接下来的50万年里，它的尺寸将增加一倍。所以宇宙中的两种效应互相竞争：引力努力将物质聚集成团，但膨胀却总是试图撕碎这些团块。算一算你就会发现，普通物质的引力根本不可能打赢这场战争。它需要暗物质的帮助，如果没有暗物质，我们（确切地说，我们根本不会存在）将生活在一个极度松散的宇宙中：没有星系团、没有星系、没有恒星、没有行星，更没有人类。我们需要多少来自暗物质的引力？答案是：普通物质提供的引力的6倍。这样的分析彻底堵死了MOND对牛顿定律的小小修正。分析结果没有告诉我们暗物质到底是什么，只是证明了暗物质的影响真实存在——无论你怎么生拉硬拽，这份功劳也没法归到普通物质头上。
暗物质在宇宙中还扮演着另一个关键的角色。为了致敬暗物质为我们做的一切，我们不妨沿着时间的河流上溯到大爆炸之后的那几分钟，那时候的宇宙依然灼热致密，足以将氢原子核（质子）聚合在一起。早期宇宙的坩埚将氢锻造成了氦，以及极少量的锂和更少量的氘（一种比较重的氢原子核，由一个质子和一个中子构成）。这些原子核混合在一起，形成了大爆炸在宇宙中留下的另一枚指纹，凭借这些遗迹，我们得以重构宇宙诞生之初那几分钟的情景。创造这枚指纹的第一推动力是强核力——这种力将原子核中的质子和中子结合在一起——而不是引力，引力过于微弱，只有等万亿数量级的粒子聚集在一起之后，我们才能真正看到引力的效果。
等温度降到某个阈值以下，遍及宇宙的聚变已经将氦原子核和氢原子核的比例提高到了1:10。这个大坩埚还将大约千分之一的普通物质锻造成了锂原子核，另有十万分之二的物质变成了氘。如果暗物质的成分不是某种无法产生任何互动的存在，而是不发光的普通物质，并且可以享受到聚变带来的好处，那么考虑到这些不发光的物质包含的粒子数量是普通物质的6倍，在那个局促狭小的早期宇宙中，大量不发光物质一定会大幅提高氢原子核的聚变率，最后生成的氦必然远远超过我们如今观测到的结果，宇宙诞生的过程也将发生巨变。
氦是一种顽强的原子核，它相对容易生成，但要让它聚合形成其他原子核却非常困难。恒星核内的聚变反应会不断地将氢制造成氦，与此同时，进一步的核聚变破坏的氦原子核数量相对少得多，所以我们或许可以认为，哪怕是在宇宙中那些氦原子核最稀少的地方，这种元素的数量也不会少于宇宙诞生之初的那几分钟。当然，就算恒星在消耗原料时极度克制，在它所属的星系内，氦元素在所有原子中的占比也有10%，我们从大爆炸献给宇宙的生日套餐中恰好可以推算出这个数字——只要当时那些暗物质不参与创造原子核的聚变反应。
所以，暗物质是我们的朋友。但天体物理学家在计算的时候必须以自己完全不理解的概念为基础，他们对此感觉不适也是可以理解的，虽然他们并不是第一次陷入这样的境地。早在19世纪，天体物理学家就测量了太阳的能量输出，那时候他们并不知道这些能量来自热核聚变，当时量子力学还没出现，关于微观物质的各种深刻洞见更是连影子都还没有，“聚变”这个概念根本就不存在。
不屈不挠的怀疑主义者或许会将今天的暗物质比作早已被证伪的“以太”。很长一段时间里，人们普遍认为，光在没有重量的透明以太中传播。物理学家觉得以太必然存在，虽然没有任何证据能证明这套假说，但它依然流行了几个世纪，直到1887年，阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）在克利夫兰做了那个著名的实验。既然光是一种波，那它就应该需要某种传播媒介，就像声音需要空气作为传播媒介。不过后来我们发现，光在宇宙的真空中也可以高高兴兴地奔跑，不需要任何媒介的支持。声波实际上来自空气的振动，光波却和它不一样，光单靠自己就能传播。
但我们对暗物质的无知和对以太的无知有着本质的区别。以太不过是一个占位符，我们用它来填充尚不完善的理论，但暗物质不是虚无缥缈的假说，我们实实在在地观测到了它的引力对可见物质的影响。暗物质不是凭空创造的概念，而是我们基于观测结果做出的推测。暗物质和我们已经发现的100多颗系外行星一样真实——这些太阳系外行星发现的关键就是它们的引力对其宿主恒星造成的影响。最坏的结果无非就是物理学家（或者其他智者）最终发现，暗物质的成分根本就不是物质，而是别的东西，实际上他们也没有排除这样的可能性。暗物质会不会是另一个维度的力在宇宙中的投影？会不会是某个平行宇宙和我们的宇宙发生了交叉？然而，这些可能性不会改变暗物质引力在理论方程中的地位，我们正在利用这些方程理解宇宙的形成和演化。
一些顽固不化的怀疑主义者可能会宣称“眼见为实”。眼见为实的生活哲学的确适用于很多地方，机械工程学领域用得上，钓鱼和约会的时候也用得上。显然，密苏里州的居民也深信这套哲学，但它真的不够科学。“眼见”绝不是科学的全部，科学的核心是测量——最好的测量工具不是你的眼睛，因为眼睛必然受到脑子的影响：你会先入为主，会做事后诸葛亮，会有未经其他数据验证的猜想，还有林林总总的偏见。
75年来，地球上的我们一直试图直接探测暗物质，对研究者来说，这就像某种形式的墨迹测验。有的粒子物理学家认为，暗物质的基本成分肯定是某些我们尚未发现的幽灵粒子，它通过引力和物质互动，除此以外它和物质或者光不会有任何相互作用，就算有也非常微弱。这个说法听起来有点疯狂，但类似的事情早有先例。比如说，我们早就知道中微子的存在，但它和普通物质以及光的相互作用都极其微弱。日核制造的每一个氦原子核都伴随着两个中微子，来自太阳的中微子以接近光速的速度在宇宙的真空中飞驰，然后畅通无阻地穿过地球，就像幽灵一样。想一想吧：无论是白天还是晚上，每一秒都有1000亿个来自太阳的中微子悄无声息地穿过你身上的每一平方厘米。
但捕捉中微子并非完全不可能。在极为罕见的情况下，中微子会通过天然的弱核力与物质互动。能捕捉到一个粒子，你自然就能探测它。我们不妨将行踪飘忽的中微子比作隐身人——同样的比喻也适合暗物质。“他”能穿过墙壁和门，就像“他”根本不存在一样。不过，既然隐身人拥有这样的能力，那“他”为什么没有穿过地板掉进地下室呢？
如果我们能制造出足够灵敏的探测器，粒子物理学家猜想的暗物质粒子或许就会通过类似的互动显露真容。它们也可能通过强核力、弱核力、电磁力以外的某种未知的力展示自己的存在。这三种已知的力（再加上引力）主宰着已知的所有粒子之间的互动。所以，我们的选择十分清晰。暗物质粒子一定在等待我们去发现，具体的方法无非两种：（1）发现并掌握一种或者一系列全新的力，它能和暗物质粒子产生互动；（2）继续提高测量的灵敏度，因为暗物质粒子青睐的可能还是我们熟知的这几种力，只是它们之间的作用非常非常微弱。
MOND理论的支持者在墨迹测试中没有看到全新的粒子。他们认为需要修正的是引力，而不是粒子，所以他们决定修正牛顿力学——虽然这个大胆的尝试似乎已经失败了，但毫无疑问，支持这条道路的先驱试图改变的是我们对引力的看法，而不是亚原子的人口普查数据。
还有一些物理学家追求的是万有理论（Theories Of Everything,TOE）。根据这套理论的一个衍生版本，我们的宇宙附近存在一个平行宇宙，我们只能通过引力与它互动。你永远不会接触到平行宇宙里的物质，但你可能会感受到它的拉力，这些力能够渗入我们这个宇宙的空间维度。想象一下，我们的宇宙有一个幽灵般的同伴，它只能通过引力彰显自己的存在。这听起来相当新奇，简直不可思议，但想一想人类第一次听说地球绕太阳旋转时的情况，还有人类第一次听说太阳系在宇宙中并不孤独时的情况，你或许就不会这么大惊小怪了。
暗物质的影响真实存在。我们只是不知道暗物质到底是什么。它似乎不受强核力的影响，因此它无法形成原子核。我们也没有发现它受弱核力影响，所以它的行踪比中微子更难捉摸。它看起来也不会受电磁力影响，所以它不能制造分子，也不能吸收、释放、反射或者散射光。然而它却能产生引力，由此影响普通物质。事情就是这样。经过了这么多年的摸索，天体物理学家还是不知道，暗物质除了产生引力以外还能干什么。
宇宙背景辐射详图告诉我们，在宇宙诞生之初的那38万年里，暗物质必然已经存在。时至今日，我们依然需要银河系和星系团里的暗物质，否则我们就无法解释这些系统内部天体的运动。不过，从目前的情况来看，我们对暗物质的无知并未影响天体物理学前进的脚步。在探索宇宙的道路上，暗物质就像一位古怪的朋友，我们带着它一路前行，在需要它的时候恳求它为我们扶危解困。
我们希望，在不久的将来，我们可以逐渐学会利用暗物质——只要我们能搞清楚它的成分到底是什么。想象一下，暗物质可以帮助我们造出看不见的玩具、能够彼此穿透的车辆，或者超级隐形飞机。科学史上从来不乏起初看似莫名的发现，到头来总有聪明人会想出办法来利用这些知识，造福自己或者地球上的其他生灵。
第五节 要有更多暗
现在我们知道，宇宙中光与暗并存。所有我们熟悉的天体都沐浴在光中，无论是组成星系的数以十亿计的恒星，还是行星和更小的宇宙碎片。恒星以外的天体或许不会产生可见光，但它们的确会释放出其他形式的电磁辐射，例如红外线或无线电波。
目前我们发现，神秘的暗物质隐藏在宇宙的未知世界中，我们只能通过其引力对可见物质的影响感受到它的存在，对它的组成和性质一无所知。暗物质中有一小部分可能只是看不见的普通物质，但它们不会产生任何可探测的辐射。不过，正如我们在第四章中介绍的，绝大部分暗物质的成分必然不是普通物质，目前我们对其性质几乎一无所知，我们只知道暗物质有作用于可见物质的引力。
除了暗物质以外，宇宙中还隐藏着截然不同的另一种存在。它不存在于任何形式的物质内部，只存在于空间之中。我们将这个概念以及它蕴含的惊人结果归功于当之无愧的现代宇宙学之父——爱因斯坦。
第一次世界大战期间，改进款的新型机枪在柏林以西几百千米外的战场上对数万士兵大开杀戒，与此同时，爱因斯坦坐在德国首都的办公室里思考宇宙。战争伊始，爱因斯坦和一位同行一起发起了反战请愿，除了他们自己以外，他们还说服了另外两个人在请愿书上签名。这一举动破坏了爱因斯坦和其他科学家的关系，也彻底摧毁了这位同行的职业前途，因为当时大多数德国科学家都签了支持开战的请愿书。但爱因斯坦的人格魅力和科学声望让他能够继续在同侪面前保持尊严。他仍在努力寻找能够准确描述宇宙的方程。
战争还没结束，爱因斯坦就获得了成功——这可能是他职业生涯中最辉煌的一页。1915年11月，爱因斯坦提出了广义相对论，这套理论描述了空间和物质如何互动：物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何移动。牛顿认为引力是一种神秘的“远距离作用”，但爱因斯坦认为，引力来自空间构造的扭曲，它就发生在我们的眼皮子底下。举个例子：太阳会在空间中造出某种扭曲的“酒窝”，离太阳越近的地方，这种扭曲效应就表现得越明显。行星会不由自主地滚向酒窝深处，但在惯性的作用下，它们并未一路下坠，而是绕着公转轨道运动，在空间中与这个酒窝保持大体恒定的距离。爱因斯坦的理论公开发表后几周，物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）从可怕的德国军旅生活中暂时抽身出来（在军中染上的恶疾没过多久就夺去了他的生命），利用爱因斯坦的理论推出了一个奇妙的现象：强引力物体会在空间中创造一个“奇点”。奇点周围的空间会将这个物体完全包裹起来，包括光在内的任何东西都无法穿透这层铁幕。这样的物体就是我们今天所说的黑洞。
在广义相对论的引导下，爱因斯坦找到了他苦苦寻觅的关键方程，这个方程将宇宙中的物体及其整体行为联系到了一起。爱因斯坦独坐在办公室里研究这个方程，在脑子里构建各种各样的宇宙模型，当时他几乎发现了宇宙正在膨胀，但直到十几年后，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的观测结果才真正揭开了宇宙的这个秘密。
根据爱因斯坦的基本方程，在一个物质大致均匀分布的宇宙中，空间不可能是“静态”的。宇宙不可能“静静待在原地”，虽然我们的直觉和一个时期内的天文观测结果都指向这个结论。作为一个整体，空间必然有所动作，要么一直膨胀，要么一直坍缩。空间类似吹胀或者泄气的气球，它绝不是一个大小恒定的气球。
这让爱因斯坦深感忧虑。有一段时间，就连这位藐视权威、从不惮于质疑传统物理理论的勇士也觉得自己可能走得太远了。没有任何天文观测结果能证明宇宙正在膨胀，因为当时天文学家只记录近处的恒星运动，从未测量过如今我们称之为星系的那些遥远天体和地球之间的距离。爱因斯坦并没有对外公布宇宙膨胀或坍缩的计算结果，他回过头审视自己的方程，试图另辟蹊径，将宇宙“固定”下来。
很快他就找到了一条路。爱因斯坦的基本方程里有一个具体数值未知的常数，它代表真空中每立方厘米空间包含的能量。当时谁也无法确定这个常数的值，所以最开始，爱因斯坦将它设定为0。他在另一篇科学论文中提出，如果这个常数（后来的宇宙学家将它命名为“宇宙常数”，cosmological constant）有一个特定的值，那么空间也可能是静态的。这样一来，他的理论和观测结果之间的冲突消弭于无形，爱因斯坦也能安心相信自己的方程了。
但麻烦接踵而至。1922年，一位名叫亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）的俄国数学家证明了爱因斯坦的静态宇宙必然是不稳定的，就像架在支点上的铅笔，最轻微的涟漪或扰动都会导致空间膨胀或坍缩。刚开始，爱因斯坦宣称弗里德曼肯定弄错了，不过后来，他发表文章收回了这一指控，并肯定了弗里德曼的计算结果。对这位伟大的科学家来说，如此大方的举动绝不鲜见。20世纪20年代末，哈勃发现宇宙的确在膨胀，爱因斯坦愉快地接受了他的结论。根据伽莫夫的回忆，爱因斯坦毫不讳言宇宙常数是他犯下的“最大的错误”。虽然少数几位宇宙学家还在顽固地试图利用非零（但不是爱因斯坦使用过的1）的宇宙常数来解释某些令人困惑的观测结果，但他们的理论后来都被证伪了：宇宙其实根本不需要这个常数，对于这样的结果，全世界科学家不无解脱地叹了口气。
当时他们的确这样以为。不过到了20世纪末，宇宙论的故事再起波澜，1998年，人们惊讶地发现，宇宙常数的值真的不是0。看似空旷的空间中包含着能量，我们称之为“暗能量”，这种能量非同寻常的特质决定了整个宇宙的未来。
要理解（甚至相信）这套匪夷所思的理论，我们必须回顾哈勃发现宇宙膨胀之后宇宙学家思考的关键问题。爱因斯坦的基本方程允许空间曲率存在，用数学语言来描述，就是空间曲率可能是正值，也可能是0或者负值。零曲率对应的是“平坦空间”，也就是我们凭直觉认定的宇宙面貌：绝对的平面朝所有方向无限延展，就像一块无限大的黑板。与此相对，曲率为正的空间像个球面，我们可以通过第三个维度看到二维空间的弯曲。请务必注意球体的中心，无论二维空间是膨胀还是收缩，球心始终保持静止，它存在于第三个维度中，不会出现在代表所有空间的二维面上。
任何曲率为正的表面所包含的区域都是有限的，与之类似，正曲率空间包含的体积同样有限。在一个曲率为正的宇宙里，从地球出发，只要走得够远，你总能回到起点，就像麦哲伦的环球航行一样。但负曲率空间却能无限延展，虽然它并不平坦。负曲率二维空间就像一个无限大的马鞍表面：它在一个方向（从前到后）“向上”弯曲，而在另一个方向（从左到右）“向下”弯曲。
如果宇宙常数等于0，那么我们只需要两个参数就能描述宇宙的所有特性。其中一个参数名叫“哈勃常数”（Hubble constant），它描述的是目前宇宙膨胀的速度；另一个参数描述的则是空间的曲率。20世纪下半叶，几乎所有宇宙学家都相信宇宙常数的值为0，那么他们的第一要务自然是测量宇宙膨胀的速度和空间的曲率。
只要能准确测量遥远天体远离我们的速度，我们就能算出这两个常数。哈勃常数等于天体远离地球的速度除以它和我们之间的距离（离我们越远的星系“后退”的速度越快），这个常数的值非常非常小，所以只有在观测那些非常遥远的天体时，我们才能发现空间的弯曲。天文学家在观测那些距离银河系数十亿光年的天体时，他们实际上也在回望宇宙的往昔。他们看到的不是宇宙的现在，而是那个离大爆炸更近的年代。通过观测距离银河系50亿光年甚至更远的星系，宇宙学家重新构建了这个膨胀的宇宙的历史。重要的是，他们能够看到宇宙膨胀的速度如何随时间而变化——这是确定空间曲率的关键。至少从理论上说，这是一种有效的办法，因为空间弯曲的程度会让过去几十亿年宇宙膨胀的速度发生微妙的变化。
然而在实践层面上，天体物理学家还是解决不了这个问题，因为他们无法准确估计那些几十亿光年外的星系与地球之间的距离。不过他们的箭囊里还有另一支利箭。如果能够测量宇宙中所有物质的平均密度（平均每立方厘米的空间中有多少克物质），他们就能把这个数拿来与“临界密度”（critical density，出自爱因斯坦的宇宙方程）进行比较。临界密度描述的是维持零曲率空间所需的确切宇宙密度值。如果宇宙的实际密度高于这个值，那么空间曲率为正。在这种情况下，假设宇宙常数为0，那么我们的宇宙最终会停止膨胀，转而开始坍缩。但是，如果宇宙的实际密度等于或低于临界密度，那么宇宙就将永远膨胀下去。要是实际密度正好等于临界密度，那么空间曲率为0；要是实际密度小于临界密度，空间曲率就成了负数。
到20世纪90年代中期，宇宙学家发现，就算把目前（通过对可见物质产生的引力）探测到的所有暗物质都算进来，宇宙中的物质密度也只有临界值的四分之一左右。这个结果不算出乎意料，它意味着宇宙永远不可能停止膨胀，而且我们生活其中的空间必然拥有一个负的曲率。但理论派宇宙学家却深受伤害，因为他们一直坚信，空间曲率一定是0。
他们的信念来自宇宙的“暴胀模型”（inflationary model），它（毫不令人意外地）诞生于一个消费者价格指数急剧上涨的年代。1979年，加州斯坦福直线加速器中心的物理学家阿兰·古斯（Alan Guth）提出，在宇宙诞生的极早期，它经历过一个急速膨胀的阶段——物质远离彼此的速度越来越快，甚至远超光速。然而根据爱因斯坦的狭义相对论，光速不是宇宙中所有物体运动速度的上限吗？其实这个说法不完全准确。爱因斯坦理论中的光速上限只适用于物体在空间中的运动，但无法限制空间本身的膨胀。在大爆炸之后10^-3?秒到10-3?秒的“暴胀时期”，整个宇宙的膨胀系数大约是1050。
是什么造成了这样的暴胀？古斯提出，所有空间一定经历了某种“相变”，这一过程类似液态水在短时间内冻结成冰。苏联、英国和美国的同行对古斯的假说做出了一些关键的修正，从此以后，这套假说大行其道，在之后的20年里，它一直是主流的极早期宇宙理论模型。
暴胀理论为何如此诱人？因为暴胀时期的存在很好地解释了宇宙为什么是各向同性的：我们能看到的所有东西（以及其他很多东西）都由一小块空间膨胀生成，这块原生空间的固有特性也因此变成了全宇宙共同的特征。暴胀理论还有其他一些深受宇宙学家青睐的优点，我们现在暂不赘述；最重要的是，暴胀模型提出了一个直接的、可验证的预测：宇宙中的空间应该是平坦的，它的曲率既不是正数也不是负数，恰恰就是零，这完全符合我们的直觉。
根据这一理论，宇宙的平坦性源自暴胀时期的急速膨胀。我们不妨想象一下，你站在一个气球表面，让这个气球膨胀很多很多倍——1后面的0多得数不清。经历了这样的膨胀，气球表面你能看到的部分肯定会平得像煎饼一样。宇宙中的空间也遵循同样的原理——如果暴胀模型真的能描述现实中的宇宙的话。
刚才我们说过，要获得平坦的空间，宇宙中的物质必须达到临界密度，但现在我们计算的物质密度加起来也只能达到这个值的四分之一左右。20世纪80年代到90年代，很多理论派宇宙学家坚信，暴胀模型不可能出错，因此他们需要新的数据来弥合宇宙“质量差”，填平我们实际计算的物质总密度（它意味着空间曲率为负）和临界密度（平坦宇宙所需的必要条件）之间的鸿沟。这样的信念推动他们坚定地继续前行，尽管观测派宇宙学家总是嘲笑他们对理论分析的盲从。然后，嘲笑声突然消失了。
1998年，两个相互竞争的天文学家团队宣布了一些新的观测结果，这些数据意味着宇宙常数的值不是0——当然，也不是爱因斯坦为了获得静态宇宙而采用的那个值，而是完全不同的另一个数，这意味着宇宙将以越来越快的速度永远膨胀下去。
如果这些数据仅仅是理论家构建另一套宇宙模型的工具，那它恐怕不会引发太多关注。但事实上，新数据来自声誉卓著的专家对真实宇宙的观测，这就完全是另一回事了。尽管如此，这些惊世骇俗的数据仍引发了诸多质疑，这两组天文学家狐疑地审视竞争对手的一切可疑举动，结果却发现，他们完全认同这些数据及其解释。新的观测结果不仅暗示宇宙常数的值绝不是0，还赋予了它一个能让空间变得平坦的值。
宇宙常数让空间变平是什么意思？那岂不是像《爱丽丝漫游奇境》里的红桃皇后说的那样，我们每个人在早餐前都要相信六件不可能的事情？不过，要是再想深一层，你或许会认同这个结果。如果看似空无一物的空间中蕴藏着能量，那么根据爱因斯坦那个著名的方程E=mc2，这些能量必然对宇宙的总质量做出贡献。一定值的能量等同于一定值的质量，只是需要根据质能方程除以一个光速的平方。这样一来，宇宙的平均密度就应该等于物质贡献的密度加上能量贡献的密度。
与临界密度对比的时候，我们必须采用这个新的总密度。如果二者相等，空间就必然是平的。暴胀模型对平坦宇宙的预测由此得到了满足，它可不在乎空间的总密度到底是来自物质、能量，还是二者之和。
证明宇宙常数非零进而引出暗能量的关键证据来自天文学家对一种特定类型的爆炸恒星（或者说超新星）的观测，这些恒星在惊天动地的爆炸中完成了死亡的华丽谢幕。这种类型的超新星被命名为“Ia型超新星”，或者“SN Ia”，以区别于其他类型的超新星。一般来说，巨型恒星燃烧殆尽，无法通过任何形式的核聚变继续产生能量的时候，恒星核就会坍缩，制造出超新星。但Ia型超新星的原型却是双星系统中的白矮星。如果两颗恒星诞生的位置靠得太近，那么它们一生都会在同一条公转轨道上绕着这个系统共同的质心旋转。如果其中一颗恒星的质量比另一颗大，它在壮年期的运行速度就会比另一颗恒星快，接下来，它通常会失去外面的数层气体，暴露出来的恒星核就是萎缩简并的“白矮星”。白矮星的尺寸不会超过地球，但它包含的质量却和太阳相当。物理学家之所以会说白矮星内部的物质处于“简并态”，是因为它的密度极高（相当于铁或者金的数十万倍），量子力学效应作用于宏观物质，白矮星不会被自身的巨大引力压垮。
共同轨道上的伴星日渐衰老，白矮星会不断吸收它的逃逸气体。这些材料的氢含量相对较高，日积月累，白矮星的密度和温度也会稳定增长。最后，等温度升高到1000万摄氏度，整颗白矮星就会再次被核聚变点燃，这样的爆炸——原理类似氢弹，但爆炸强度是氢弹的几万亿倍——会将白矮星彻底撕碎，形成Ia型超新星。
Ia型超新星是天文学家的好帮手，因为它拥有两种不同的特质。首先，它会制造出宇宙中最璀璨的超新星爆炸，这样的光芒跨越数十亿光年的距离仍清晰可见。其次，白矮星的质量有天然的上限，大约是太阳质量的1.4倍。只要堆积在白矮星表面的物质使得整个天体的总质量达到了这个上限，猛烈的核聚变就会撕裂白矮星——这样的爆炸在宇宙中遍地开花，爆炸的天体其质量和成分都一模一样。因此，这种类型的所有超新星对外输出的峰值能量几乎完全相同，亮度达到峰值以后，它们消失的速度也相差无几。
Ia型超新星的这些特性为天文学家提供了亮度极高、易于辨认的“标准烛光”，即无论出现在哪里能量输出峰值都保持不变的天体。当然，这些超新星与地球的距离会影响我们观测到的亮度。如果两个相距遥远的星系里各有一颗Ia型超新星，那么它们到地球的距离完全相同，我们才能观测到同样的最大亮度。如果其中一颗超新星与地球的距离是另一颗的两倍，那么在我们眼中，它的最大亮度只有另一颗的四分之一，因为我们观测到的天体亮度与距离的平方成反比。
基于天文学家对每颗Ia型超新星光谱的深入研究，一旦他们学会了如何识别这种超新星，那无异于握住了一把准确测量距离的金钥匙。只要能（通过其他方式）确定最近的那些Ia型超新星与地球之间的距离，他们就能估算这种类型的其他超新星离我们到底有多远，只需要简单地比较远近超新星的亮度。
整个20世纪90年代，哈佛大学和加州大学伯克利分校的两组超新星专家都在优化这种测量技术。根据超新星的光谱暴露的细节，他们想出了一些办法来补偿不同的Ia型超新星之间细微但确实存在的差异。要利用这把新铸的钥匙来测量遥远的超新星离我们有多远，研究者需要一台能以极高的精确度观测远方星系的望远镜，于是他们的目光落到了哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）上，1993年，这台望远镜通过翻修校正了形状错误引起的主镜片误差。超新星专家利用地面望远镜找到了数十亿光年外的几十颗超新星，然后再通过哈勃望远镜深入研究这些新发现的超新星。遗憾的是，他们只能争取到哈勃望远镜的一小部分观测时间。
20世纪90年代末，两个超新星观测团队的竞争进入了白热化阶段，双方都想抢在对方前面绘制出扩充版的新“哈勃图”（Hubble diagram），在宇宙学研究领域，这张图是确定星系距离及其后退速度的关键所在。天体物理学家利用多普勒效应（详见第十三章）来计算星系的后退速度，我们观测到的星系颜色取决于它的后退速度。
每个星系与地球之间的距离和它的后退速度最终会化作哈勃图上的一个点。对于相对较近的星系来说，这些点迈着整齐划一的步伐稳定上扬，如果某个星系和地球的距离是另一个星系的两倍，那么它后退的速度也是后者的两倍。星系距离与后退速度之间直接的比例关系体现在哈勃定律（Hubble's law）的代数表达式中，这个简单的方程描述了宇宙的基本行为：v=H?×d。其中v代表星系的后退速度，d代表星系与我们之间的距离，H?则是一个通用常数，我们称之为“哈勃常数”。在任意给定的时间点，整个宇宙的哈勃常数都恒定一致。无论外星观测者出现在宇宙中的什么地方，只要他们研究的是大爆炸140亿年后的这个宇宙，那么他们观测到的星系后退速度必然符合哈勃定律，他们算出的哈勃常数的值也必然和我们的一样，只不过他们大概会给这个常数起个别的名字。这样的“宇宙民主主义”是整个现代宇宙学暗含的假设，但我们无法证明宇宙真的这么民主。也许在我们看不见的星空深处，宇宙的行为和我们现在观测到的完全不同。不过宇宙学家断然否认了这样的可能性，他们认为，至少我们能观测到的宇宙都遵循同样的规则。在这种情况下，v=H?×d就是全宇宙通用的定律。
但是，随着时间的流逝，哈勃常数的值可能发生变化，事实也的确如此。纳入了数十亿光年外遥远星系的改进版新哈勃图不仅能告诉我们哈勃常数H?（代表星系距离与后退速度的点在哈勃图上连成一条直线，哈勃常数的值就是这条直线的斜率）现在的值，还能揭示宇宙目前的膨胀速度与数十亿年前有何区别。后面这个值来自哈勃图最上方的那些点，它们代表着我们能观测到的最遥远的星系。因此，包含了数十亿光年外那些星系的新版哈勃图将揭示宇宙膨胀的历史，告诉我们宇宙膨胀的速度发生了怎样的改变。
为了达成这个目标，天体物理学界为这两支相互竞争的超新星观测团队投入了海量资源。1998年2月，他们首次发布的观测结果彻底推翻了学界广泛接受的宇宙模型，由此激起了任何一个团队都无法承受的怀疑浪潮。由于两个团队主要的怀疑目标都是对方，所以双方都在殚精竭虑地给对方的数据和解释挑错。等到这两组科学家终于放下偏见承认对手的确无懈可击时，宇宙学界也别无选择，只能不太情愿地接受来自太空边疆的最新消息。
这些新消息到底是什么？其实很简单：那些最遥远的Ia型超新星比我们预想的更暗一点。这意味着那些超新星与地球的距离比我们预想的更远，也就是说，某种力量让宇宙膨胀的速度变快了一点。这样超出常规的膨胀来自何方？唯一的嫌犯就是潜伏在真空中的“暗能量”——这些能量的存在赋予了宇宙常数一个非零的值。通过测量那些遥远超新星的亮度与理论值之间的偏差，两组天文学家看到了宇宙的形状和命运。
两组超新星专家达成了共识：宇宙的确是平的。要理解这个问题，我们就得讲点儿高深的东西了。如果宇宙常数非零，那么要描述这个宇宙，我们需要第三个数。现在我们需要给哈勃常数（它的现值记作H?）和物质平均密度（如果宇宙常数为0，那么单凭这一个参数就能决定空间曲率）都加上暗能量提供的等效质量——根据爱因斯坦方程E=mc2，我们必须考虑暗能量的等效质量（m），因为它拥有能量（E）。宇宙学家将物质密度记为ΩM，暗能量密度记为ΩΛ，Ω则是宇宙密度与临界密度的比值。ΩM代表宇宙中所有物质的平均密度与临界密度之比，而ΩΛ代表暗能量提供的等效密度与临界密度之比。Λ在这里代表宇宙常数。平坦宇宙的空间曲率为零，ΩM与ΩΛ之和恒定为1，因为宇宙的总密度（真正的物质密度与暗能量提供的等效物质密度之和）正好等于临界密度。
对遥远Ia型超新星的观测结果衡量的是ΩM与ΩΛ之间的差值。物质会拖慢宇宙的膨胀，因为引力总是倾向于将所有东西拉到一块儿。物质的密度越大，这种“拖后腿”的效应就越明显。但暗能量的表现却完全不同。普通物质互相拉扯，拖慢了宇宙膨胀的步伐，但暗能量却拥有一种古怪的特性：它会促使空间扩张，从而加快宇宙的膨胀速度。随着空间的膨胀，更多暗能量凭空出现，这个膨胀的宇宙就像终极版的免费午餐。新的暗能量又会进一步加速宇宙的膨胀，所以随着时间的流逝，免费的午餐变得越来越大。ΩΛ的值衡量的是宇宙常数的大小，它也代表着暗能量促使宇宙膨胀的力量量级。天文学家测量了星系距离与后退速度之间的关系，由此确定了聚拢一切的引力与推开一切的暗能量之间这场“拔河比赛”的结果。他们的测量结果表明，ΩΛ-ΩM=0.46，误差正负0.03。由于天文学家早已算出，ΩM的值大约是0.25，那么ΩM的值大约就是0.71。这样一来，ΩΛ与ΩM之和达到了0.96，差不多正好符合暴胀模型的预测。近年来的新成果又进一步提高了这两个值的精确度，现在它们的和更接近1了。
虽然两组相互竞争的超新星专家达成了共识，但一部分宇宙学家仍有疑虑。科学家抛弃终身信念这种事儿肯定不是天天都有，他们曾经坚信宇宙常数应该是零，可现在的观测结果却强塞给了他们另一个截然不同的结论：暗能量充斥着每立方厘米的真空。不过，在消化了一颗卫星提供的新的观测数据以后，所有的怀疑者几乎都打消了疑虑。这颗重要的卫星就是我们在第三章中介绍过的WMAP，它的设计运转目标是以前所未有的精确度观测宇宙背景辐射。2002年，WMAP开始输出有用的观测结果，到2003年年初，宇宙学家已经利用它积累的有效数据绘制出了整个天空的地图，根据这张图，我们确定了宇宙背景辐射主要处于微波频段。虽然以前的观测结果得出的基本论断和这幅新图差别不大，但当时他们观测的要么只是一小片天空，要么没有这么详细精准。WMAP的全天地图是天文学家测量宇宙的最高成就，它确定了宇宙背景辐射那些最重要的性质。
这幅地图最令人震惊也最重要的特性在于，它几乎完全是平滑的，天文学家之前的局部观测也得出了同样的结论，包括利用气球搭载的仪器测得的数据和WMAP的前身COBE（COsmic Background Explorer，宇宙背景探测者）卫星的观测结果。来自所有方向的宇宙背景辐射不存在可测量的强度差异，我们将测量精确度提高到千分之一，才会发现以某个特定方向为中心的辐射强度比其他地方略高，与此同时，来自相反方向的辐射强度略低于平均水平。这样的差异源于我们的银河系相对于周围星系的运动。在多普勒效应的作用下，我们测得的“迎面而来”的辐射会比其他方向的略强一点，但这并不是因为这个方向的辐射真的更强，而是因为我们和这个方向的宇宙背景辐射（CBR）相向而行，这样的运动导致我们探测到的光子能量增强了一点。
一旦修正了多普勒效应的影响，我们就会发现，宇宙背景辐射非常平滑，除非我们再将测量精确度提高到十万分之一。在这样的精确度下，平滑的宇宙背景辐射地图终于出现了一点起伏。我们发现，来自某些位置的CBR比其他地方偏强或者偏弱了一点点。如前所述，这样细微的辐射强度差异意味着，在大爆炸38万年后的那个时刻，与整个宇宙的平均值相比，某些位置的物质更热、更密集一点，或者更冷、更稀疏一点。COBE卫星首先发现了这样的差异；气球搭载的仪器和南极观测站又进一步提高了观测数据的精确度；直到最后，WMAP卫星提供了更精确的全天观测数据，宇宙学家借此绘出了宇宙背景辐射强度的详细地图，它的角分辨率达到了前所未有的1度左右。
COBE和WMAP在平滑的宇宙背景辐射中发现的轻微起伏激起了宇宙学家的兴趣，但它的意义绝不仅限于此。首先，它让我们得以一窥宇宙背景辐射停止与物质互动那一刻的宇宙结构。当时物质密度略高于平均水平的区域赢得了进一步收缩的先机，它的引力成功吸引了更多物质。因此，这幅描绘各个方向CBR强度的新地图最重要的意义在于，它验证了宇宙学家提出的理论：我们如今看到的宇宙疏密不一，不同的区域聚集的物质数量差别巨大，这样的差异在大爆炸后的几十万年里就埋下了种子。
除此以外，宇宙学家还能利用宇宙背景辐射观测的新结果来研究另一个更基本的宇宙特性：透过CBR强度地图，我们甚至能看到空间本身的曲率，因为弯曲的空间会影响从中经过的辐射。举个例子，如果空间曲率为正，那么在观测宇宙背景辐射的时候，我们就像是站在北极的观测者，沿着地球表面向南眺望，试图研究来自赤道附近的辐射。由于所有经线都向着北极点汇集，我们观测到的辐射源会比平面上的略宽一点。
要理解空间曲率如何影响宇宙背景辐射的特征角度尺寸，我们不妨想象一下，这些辐射终于停止与物质互动那一刻的情景。宇宙学家可以算出当时宇宙中可能存在的不平滑区域的最大尺寸：它的跨度应该等于当时的宇宙年龄乘以光速，也就是38万光年左右。这个值代表着粒子有能力影响彼此、制造起伏的最大距离。如果超出这个距离，粒子的“消息”根本来不及传过去，所以远方的起伏自然和它无关。
那么时至今日，这些最大的不平滑区域在天空中占据的角度到底有多大呢？这取决于空间的曲率，我们可以通过ΩM与ΩΛ之和来确定这个值。二者之和越接近1，空间曲率就越接近0，我们在CBR中看到的不平滑区域占据的角度也就越大。两个Ω值之和是决定空间曲率的唯一参数，因为这两种类型的密度影响空间曲率的方式完全相同。超新星观测测量的是ΩM与ΩΛ之差，而宇宙背景辐射观测直接测量了ΩM与ΩΛ之和。
WMAP提供的数据表明，CBR中最大的不平滑区域占据的角度大约是1度，这意味着ΩM与ΩΛ之和大约等于1.02，误差正负0.02。因此，考虑到实验精确度误差，我们或许可以认为ΩM +ΩΛ=1，这意味着空间是平坦的。通过对遥远的Ia型超新星的观测，我们知道了ΩΛ-ΩM=0.46。两个方程联立，最终我们发现ΩM=0.27，ΩΛ=0.73，当然，这两个值都有微小的误差。如前所述，这就是目前天体物理学家为这两个宇宙参数估测的最精确的值，这两个数告诉我们，物质包括普通物质和暗物质，两者对宇宙整体能量密度的贡献占27%，暗能量贡献了剩下的73%（如果你更喜欢用能量的等价物——物质——来表达的话，根据质能方程，我们也可以说，暗能量提供了73%的宇宙质量）。
很久以前，宇宙学家就知道，如果宇宙常数不是0，那么随着时间的流逝，物质和暗能量的力量对比必然发生巨大的变化。从另一方面来说，平坦的宇宙将永远保持平坦，从大爆炸开始直到无限远的未来。在一个平坦的宇宙中，ΩM与ΩΛ之和永远等于1，如果其中一个数发生变化，另一个数必然随之改变。
在大爆炸之后短暂的时期内，暗能量几乎不会对宇宙产生任何影响。和后面的年代相比，当时存在的空间过于狭窄，ΩΛ的值只比0高一点点，ΩM的值也只比1小一点点。在那个遥远的年代，宇宙的行为和宇宙常数为0时的情况几乎没有区别。但是，随着时间的流逝，ΩM的值稳步下降，ΩΛ的值也随之增长，二者之和始终为1。直到千亿年后的某一天，ΩM的值最终将无限趋近于0，ΩΛ的值也无限趋近于1。因此，在这个宇宙常数非零的平坦宇宙中，物质和暗能量将经历此消彼长的变化：最开始暗能量几乎不起作用；然后是“现在”这个阶段，ΩM与ΩΛ的值大体相当；直到遥远的未来，宇宙空间中的物质越来越稀薄，ΩM无限趋近于0，但两个Ω值之和永远等于1。
现在，根据我们对星系团的观测，ΩM的值大约是0.25。与此同时，CBR和远方的超新星也告诉我们，这个值大约是0.27。考虑到实验精确度误差，这两个值基本是一回事。如果我们生活的宇宙真的拥有一个非零的宇宙常数，如果这个宇宙常数真的（和物质一起）创造出了暴胀模型所预测的平坦宇宙，那么这个宇宙常数的值必然导致ΩΛ的值超过0.7、达到ΩM的2.5倍左右。换句话说，要让ΩM与ΩΛ之和等于1，现在一大半的担子必然落到ΩΛ头上。这意味着我们早已度过了物质和暗能量势均力敌（二者各占50%），共同维持宇宙平坦的年代。
在不到10年的时间里，Ia型超新星观测和宇宙背景辐射观测双管齐下，暗能量也从爱因斯坦的狂想变成了客观存在的物理现实。除非能证明这些观测结果不准确、解读有误或者干脆就是错的，否则我们必须接受这个结果：我们的宇宙永远不会坍缩，也不会循环。摆在我们面前的未来冷酷而荒芜：千亿年后，等到大多数恒星燃烧殆尽，除了最近的那些星系以外，所有事物都会消失在我们的视野尽头。
等到那时候，银河系将与邻近的星系合为一体，产生一个巨型星系。我们的夜空中只剩下绕轨运行的恒星（包括死去的和活着的），除此以外别无他物，未来的天体物理学家只能看到一个蛮荒的宇宙。没有星系可供他们追踪宇宙膨胀，最终他们将和爱因斯坦一样得出错误的结论：我们生活在一个静态的宇宙中。在宇宙常数和暗能量的推动下，宇宙的演化最终会导致我们再也无法测量这两个参数，甚至无法想象它们的存在。
所以，尽情享受宇宙学吧，趁我们还有机会。
第六节 一个宇宙还是多个宇宙
1998年年初，来自超新星的观测结果震撼了整个宇宙学界，这些数据表明，我们生活在一个膨胀的宇宙中，而且它膨胀的速度还在不断增长。不久后，对宇宙背景辐射的详细观测又进一步确认了宇宙加速膨胀的事实。时至今日，为了弄清宇宙加速膨胀背后蕴含的意味，宇宙学家已经奋斗了好些年。两个重要的问题深深折磨着他们，同时也照亮了他们的梦想：是什么让宇宙加速膨胀？为什么宇宙膨胀的加速度正好是我们现在测量到的这个值？
对于第一个问题，最简单的解释就是把宇宙加速膨胀归因为暗能量的存在和非零的宇宙常数。这个加速度的值直接取决于每立方厘米内包含的暗能量：暗能量越多，它产生的加速度就越大。因此，只要宇宙学家能弄清暗能量来自何方，以及它的数量为什么正好是我们今天测量到的这个值，他们就可以宣布自己解开了宇宙的基本秘密——宇宙的“免费午餐”到底是什么。真空中的这些能量持续不断地促使宇宙越来越快地膨胀，在那遥远的未来，近乎无限的空间中将充斥着近乎无限的暗能量，物质的密度则稀释到了几近于无。
暗能量到底来自哪里？宇宙学家可以从粒子物理学的幽深世界里找到答案：如果我们认可目前的量子力学对物质和能量的描述，那么暗能量必然来自真空中的某些事件。量子力学是粒子物理学的根基，它提出的假设常常精确契合来自亚微观世界的观测结果，所以它获得了物理学家的广泛认同。根据量子力学的一部分理论，我们所谓的“真空”中其实充斥着“虚粒子”（virtual particle），这些小家伙的状态在存在与不存在之间频繁切换，所以我们永远不可能直接锁定它们，只能观察到它们产生的效果。那些喜欢创造物理术语的家伙给虚粒子持续不断的出现和消失起了个名字，叫作“真空的量子涨落”（quantum fluctuations of the vacuum），它将能量赋予了真空。此外，量子物理学家还能相对比较轻松地计算每立方厘米的真空中包含的能量。如果将量子力学直接应用于所谓的“真空”，我们就会发现，量子涨落必然创造出暗能量。从这个角度来说，关于暗能量的最大问题或许应该是：宇宙学家为什么花了这么长时间才意识到这种能量必然存在？
不幸的是，根据实际情况的细节，这个问题又变了副模样，我们现在要问：粒子物理学家为什么错得这么离谱？他们算出的每立方厘米真空包含的暗能量的值大约比我们根据超新星和宇宙背景辐射实际观测值得出的结果大120个数量级。对于那些特别遥远的天文环境，如果理论计算值和实际观测值的差距在10倍以内，我们就认为这样的结果可以接受，哪怕只是暂时的，但再乐观的人也无法欣然接受120个数量级的差距。如果真空中包含的暗能量真有粒子物理学家算出来的那么多，那么宇宙早就膨胀到了不知道多大，我们也不用为这个问题头疼了，因为在这么多暗能量的作用下，只需要一点点时间，物质密度就会被稀释到超乎想象的地步。理论和观测结果的确达成了共识：真空中应该包含着暗能量，但这些能量到底有多少，理论值和观测值却差了十万八千里。这么巨大的数量级差异在地球上根本找不到类比，哪怕到宇宙去找也很困难。我们已知的最遥远的星系与地球之间的距离差不多比质子的尺寸大40个数量级，虽然这个数大得超乎想象，但宇宙常数理论值和实际值之间相差的倍数相当于这个数的立方。
很久以前，粒子物理学家和宇宙学家就知道，量子力学预测的宇宙常数值大得令人无法接受。但那时候他们以为宇宙常数的值是0，所以他们希望未来能发现某些新的解释，让理论公式中的正负条件相互抵消，从而巧妙地消灭这个问题。他们曾经利用类似的手法解决了另一个问题：虚粒子为可见粒子贡献了多少能量？现在，既然宇宙常数非零，找到抵消条件的希望也变得渺茫起来。如果真的存在这样的抵消条件，它必须通过某种方式近乎彻底地抵消我们如今算出来的这个大得恐怖的数值。可是现在，宇宙学家完全无法解释宇宙常数的理论值为什么这么大，在这种情况下，他们只能继续和粒子物理学家合作，根据宇宙常数的实际观测值来构建暗能量在宇宙中的产生机制。
杰出的宇宙学家和粒子物理学家一直致力于解释目前的观测值，但还没有任何人获得成功。这个问题点燃了理论界的战火和愤怒，因为这些理论家深知，要是有人能解释自然界到底通过什么方式把宇宙塑造成了我们今天看到的样子，那他一定会获得诺贝尔奖，更别提还有发现带来的无穷乐趣。不过除此之外，常常引发争议的还有另一个亟待解释的问题：我们通过等价质量测得的暗能量总值为什么和宇宙中物质贡献的能量总值大体相当？
我们可以换个说法，用代表物质密度和暗能量等价质量密度的两个Ω值来重新表述这个问题：为什么ΩM和ΩΛ的值大体相当，而不是其中一个数远大于另一个数？在大爆炸之后的第一个10亿年里，ΩM几乎完全等于1，而ΩΛ约等于0。最开始，ΩM的值是ΩΛ的几百万倍，然后变成了几千倍、几百倍。时至今日，在这个ΩM=0.27、ΩΛ=0.73的宇宙中，这两个值的数量级完全一样，而且ΩΛ的值明显大于ΩM。而在遥远的未来，到了500亿年以后，ΩΛ的值将变成ΩM的几百倍，然后是几千倍、几百万倍，直至几十亿倍。只有在大爆炸之后30亿年到500亿年的这段时间里，这两个值才会大体相等。
30亿年到500亿年的时间跨度这么漫长，现在我们正好处于这个阶段，这难道有什么不对吗？但从天文学的角度来说，几百亿年的时间其实非常短暂。天文学家通常采用对数来划分时间阶段，每个阶段的时间跨度相差10倍。最开始，宇宙的年龄达到了某个值，下一个阶段，它的年龄会增长10倍，再下一个阶段，再增长10倍，以此类推，直到永远，每一个阶段与上一个阶段的时间跨度各有10倍的差距。比如说，大爆炸之后，我们从量子力学允许的最小的时间跨度开始计时，那么第一个时间节点是宇宙诞生后10^-?3秒。每年大约有3000万（3×10^?）秒，那么从大爆炸之后的10^-?3秒到30亿年，我们大约需要乘以60个10。相比之下，从30亿年到500亿年只需要乘以1个10，在整个宇宙的漫长历史中，只有在这一个短暂的时期内，ΩM和ΩΛ的值大体相当。在此之后，无数个10将引导宇宙走向无限远的未来。所以如果采用对数纪年，我们就会发现，我们正好生活在这个ΩM和ΩΛ的值大体相当的年代，这样的可能性其实非常渺茫。美国的宇宙学带头人迈克尔·特纳（Michael Turner）将这个难解的谜题——我们为什么发现自己生活在这个ΩM和ΩΛ的值大体相当的时期——命名为“南茜·克里根问题”（Nancy Kerrigan problem），因为这位奥运滑冰运动员曾在遭受竞争对手的男友袭击后问道：“为什么是我？为什么是现在？”
尽管宇宙学家无法算出接近观测值的宇宙常数，但他们的确为克里根问题提供了一个答案，不过对于这个答案蕴含的意味和它的重要性，学界莫衷一是。有人真心欢迎它，有人只是勉强接受，有人仍在犹豫，还有人对它不屑一顾。这个解释将宇宙常数的值与客观的事实联系到了一起：我们生活在一个普通星系内绕着一颗普通恒星公转的行星上。根据这套理论，正是因为我们存在，所以那些描述宇宙的参数，尤其是宇宙常数，必然拥有一个允许我们存在的值。
我们不妨想象一下，如果宇宙常数的值比现在大得多，那会发生什么。如果暗能量的总量比现在大得多，那么只需要再过几百万年（而不是500亿年），ΩΛ的值就将远远超过ΩM。到那个时候，在那个暗能量加速效应占据主导地位的宇宙中，物质将飞速扩散，任何星系、恒星和行星都无法成形。假设从物质团首次成形到生命起源至少需要10亿年时间，那么我们就会得出这样的结论：我们的存在将宇宙常数的值限制在了0到现值的几倍之间，同时排除了任何更高的值存在的可能性。
如果我们和很多宇宙学家一样相信，我们称之为宇宙的所有事物都属于一个大得多的“多重宇宙”，那么这套理论的吸引力就会变得更强。多重宇宙包含了无数个互不影响的宇宙。根据多重宇宙的概念，事件的所有状态都嵌在更高的维度中，所以我们这个宇宙中的空间完全不可能接触到其他宇宙。由于多重宇宙的假设从理论上排除了各个宇宙发生互动的可能性，我们显然无从验证它的真实性，自然也就不可能去证明它——除非有哪个更聪明的天才能想出办法来测试多重宇宙模型。在多重宇宙的世界里，新宇宙的诞生完全是随机的，它有可能膨胀到无限大，即便如此也绝不会干扰其他无数个宇宙。
多重宇宙中的每一个新宇宙都拥有自己的物理规则和宇宙参数，其中包括那些能够决定宇宙常数值的参数。其他很多宇宙的宇宙常数比我们的大得多，它们会加速膨胀到近乎0密度的状态，这样的宇宙对生命当然很不友好。多重宇宙中只有一小部分（可能近乎无穷小）宇宙能提供允许生命存活的条件，因为只有这些宇宙的参数能让物质聚集生成星系、恒星和行星，并允许这些天体存在数十亿年。
这种解释宇宙常数值的方法被宇宙学家命名为“人择原理”（anthropic principle），不过更恰当的名字或许应该是“人择方法”。这种解释宇宙学关键问题的方法具有很强的感染力：人们要么爱它，要么恨它，很少有人保持中立。和其他很多有趣的想法一样，人择方法可以方便地应用于各种神学和目的论的宏伟精神框架。某些笃信宗教的原教旨主义者发现，人择方法完全可以支持他们的信仰，因为它赋予了人类最核心的角色：如果没有观察者，宇宙——至少是我们所知的这个宇宙——将不可能存在。所以，这个一切都刚刚好的世界一定是某种更高级的力量为我们创造出来的。反对者会提出，这违背了人择方法的真意；从神学层面上说，如果这位上帝真的存在，那他必定是最浪费的造物主，因为他创造了数不清的宇宙，但生命却只能诞生在其中一个宇宙的一小片区域里。我们不如跳过“人择方法”，继续相信那些以人类为中心的更古老的创世神话。
从另一方面来说，如果你和斯宾诺莎一样相信上帝存在于一切事物之中，那你肯定无法抗拒这个拥有无数宇宙的多重宇宙。和大部分最前沿的科学理论一样，多重宇宙的概念和人择方法能够做出各种各样的解释，轻而易举地满足不同信仰系统的需求。目前来看，很多宇宙学家发现，多重宇宙能够游刃有余地包容任何信仰系统，而且不会与之发生任何实质性的联系。剑桥大学天文系的霍金和前辈牛顿一样坐拥卢卡斯教授席位，他认为人择方法完美地解决了克里根问题。斯蒂芬·温伯格（Stephen Weinberg）曾因量子物理学方面的洞见荣获诺贝尔奖，他不喜欢人择方法，但他也赞同这个假设，因为除此以外找不到其他更合理的解释，至少目前如此。
也许历史最终会告诉我们，现在的宇宙学家完全搞错了重点，因为我们现在拥有的知识根本不足以探讨这个问题。温伯格喜欢拿约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）的事迹来类比：开普勒穷尽毕生精力，试图解释太阳为什么拥有六颗行星（当时的天文学家都这样以为），以及这些行星为什么会沿着现在的轨道运转。然而直到400年后的今天，天文学家对行星的起源依然所知甚少，所以我们到现在还没弄清太阳系内行星的确切数量以及它们的轨道。按照开普勒的假设，行星公转轨道围绕太阳依次排列，五个大小不一的正多面体完美地嵌在两条相邻的轨道之间。现在我们倒是知道，这套假设毫无道理，因为多面体的嵌套并不完美，而且（更重要的是）我们找不到任何理由来解释行星轨道为什么会遵循这样的规则。我们的后代或许会认为，今天的宇宙学家就像开普勒一样，鲁莽地试图用少得可怜的知识来解释复杂神秘的宇宙，这样的努力注定徒劳无功。
并不是所有人都喜欢人择方法。有的宇宙学家谴责说，人择方法是一种失败主义论调，它无视历史（物理学家经过长期的努力，最终成功解释了曾经神秘的现象，这样的例子不绝于史，人择方法实质上否认了这些成功的案例），而且非常危险，因为人择方法蕴含着这样的意味：我们的宇宙是由某种有智慧的存在设计出来的。除此以外，按照这套假设，我们生活在一个包含了无数宇宙的多重宇宙中，但哪怕从理论上说，我们也不可能接触其他宇宙，很多宇宙学家根本不能接受将这样的假设作为整个宇宙学的根基。
关于人择原理的争辩让我们清晰地看到，宝贵的怀疑主义为我们理解宇宙的科学方法奠定了根基。某个理论或许特别吸引某位科学家，尤其是提出这套理论的科学家本人，不过与此同时，另一位科学家可能觉得这套理论荒谬透顶，或者根本就是错的。争论的正反双方都明白，能为大部分观测数据找到最完美解释的理论才拥有最强大的生命力（正如一位著名科学家说过的那样，要对那些能解释所有数据的理论保持警惕，因为到头来它往往会被证伪）。
人择原理之争短期内恐怕还无法平息，但在不远的未来，学界必然会继续提出其他更多假设，试图解释我们在宇宙中观察到的现象。比如，普林斯顿大学的保罗·斯泰恩哈特（Paul Steinhardt）与剑桥大学的尼尔·特（Neil Turok）共同提出了宇宙的“火劫模型”（ekpyrotic model）——他们真该好好学学怎么起名。这套模型的灵感来自粒子物理学中的弦论（string theory），斯泰恩哈特认为宇宙一共拥有十一个维度，其中大部分维度处于“折叠态”，这有点像卷起来的袜子，所以它们在宇宙中占据的空间近乎无穷小。某些额外的维度拥有实在的尺寸和大小，只是无法被我们感知，因为我们仍被困在熟悉的四个维度中。如果我们将宇宙中的所有空间想象成一张无限薄的平面（这个模型将空间的三个维度压缩成了两个），同时存在另一张与它平行的平面，那么这两张平面可能会互相靠近，然后发生碰撞，大爆炸就是碰撞的结果。接下来，两张平面弹开，每张平面的历史沿着我们熟悉的脉络展开，星系和恒星就此诞生。最终这两张平面会停止反向运动，重新开始靠近彼此，引起下一次碰撞和大爆炸。在这个模型中，宇宙的演化就是一段段以千亿年为单位的循环历史，每次循环至少在大体上保持一致。“ekpyrotic”这个词语在希腊语中的意思是“烈火”（或许你更熟悉的是另一个词：“纵火”，pyromaniac），“火劫宇宙”通过这种玄奥的方式告诉所有人，我们所知的宇宙诞生于一场大火之中。
无论是从感情上说还是从理性上说，宇宙的火劫模型都很有吸引力，但这仍不足以说服斯泰恩哈特的很多宇宙学家同侪，至少现在还不能。不过，就算火劫模型最终被证伪，有朝一日，也许某个和火劫模型一样含糊暧昧的理论会帮助宇宙学家达成夙愿，完美地解释神秘莫测的暗能量。如果有人能够抛开“世上有无限多个宇宙，我们恰好幸运地生活在其中一个宇宙里”这套说法，为现在的宇宙常数提供一个无懈可击的解释，那么就连最顽固的人择方法支持者也不会固执己见，抗拒这样的新理论。正如R.克朗布（R. Crumb）创造的一位卡通角色说过的那样：“我们生活的世界多么精彩，多么奇怪呀！哇！”
