就像一張臉一樣，宇宙同時具有美和潛在的秩序。
有很多次，當我告訴人們我從事“comology”（宇宙學）的研究時，他們會錯誤地把我當作“cosmetologist”（美容師），這讓我覺得非常有趣，如果我真的去做美容師的話，將是多麼不適合。但這個錯誤的確促使我去查了一下這兩個詞，如果不仔細聽的話，它們聽起來確實非常相似。這兩個詞都起源於希臘語“kosmos”的拉丁語版本，所以經常有人將兩個詞混淆。公元前6世紀，畢達哥拉斯或許是第一個將“kosmos”用於描述宇宙的人。公元1200年後，“cosmos”主要意為“秩序，好的秩序，有秩序的安排”。不過，這個單詞一直到19世紀中期才開始流行起來，這是因為德國科學家和探險家亞歷山大·馮·洪堡（Alexander von Humboldt）作了一系列報告之後，把它整理製作成了一個名叫《宇宙》（Kosmos）的小冊子。這個小冊子影響了很多讀者，包括作家愛默生、梭羅、愛倫·坡、惠特曼。讀到這裡，你或許會明白天文學家、科普作家卡爾·薩根（Carl Sagan）重啟科普電視片《宇宙》的原因。
“Cosmetic”（化妝品）這個單詞可以追溯到17世紀40年代的法語單詞“cosmétique”，這個詞又起源於希臘語“kosme-tikos”，意為“擅長裝飾或者安排”。在線詞典給出了雙層含義，我猜測只有洛杉磯的居民才能夠完全理解[6]，除了“宇宙，世界”的含義之外，“kosmos”還有一個很重要的含義，與“飾品，一個女人的服飾或裝飾”有關。無論如何，我碰到的那個令人尷尬的困惑，並不完全是一個巧合。“Cosmology”（宇宙學）和“cosmetology”（美容學）都源於“kosmos”。就像一張臉一樣，宇宙同時具有美和潛在的秩序。
宇宙學是關於宇宙演化的科學，已經發展成為一門獨立的學科。它已經進入了一個實驗和理論均有革命性進展的時代，所產生的見解要比大多數人在30年前的預期更廣泛、更細緻。改進後的技術與根植於廣義相對論及粒子物理學的理論相結合，提供了一個關於宇宙早期階段的詳細圖景，以及它如何演化到今日之宇宙。下一章我將會解釋，20世紀的這些進步如何深刻影響了我們對宇宙歷史的認識。在探尋這些非凡的成就之前，為了解釋在一些有關人類最古老和最基本的問題上，科學能夠告訴和不能夠告訴我們什麼，我要先暫時變身哲學家。
沒有答案的問題
宇宙學是關於大的方面的追問：宇宙如何開始，又如何演化成為現在的狀態。在科學變革之前，人們試圖利用僅有的方法，比如哲學和有限的觀測數據，來回答這樣的問題。一些想法被證明是正確的，但也有很多想法是錯的，這都是很正常的。
到現在也是如此，儘管我們取得了許多進步，當思考一些未解之謎時，人們還是情不自禁地求助於哲學。事實上，這也迫使我們面對哲學和科學的差別。科學關注那些至少原則上我們能夠通過實驗或者觀測來驗證或者排除的想法。至少對於一個科學家而言，哲學關注的那些問題，我們永遠不可能給出確定的答案。技術有時會滯後，但我們相信至少在原則問題上，科學的提議是能夠被驗證或者證偽的。
這讓科學家們處於一種困境。宇宙肯定超過人類能夠觀測的區域。如果光速的確是有限的，而且如果宇宙僅僅存在有限的時間，不管技術有多進步，那麼我們也只能看到有限的空間區域，看到那些光觸及到的區域，或者其他以光速傳播的事物所能到達的區域。只有從那些區域，信號才可能在宇宙產生的時間內抵達地球。任何比這更遠的事物，處於物理學家所說的宇宙視界（cosmic horizon）之外，我們目前所做的任何觀測都無法觸及。
這意味著，從本質上來說，科學知識並不適合於視界之外。對於那些視界之外的猜想，沒有人能夠通過實驗證實或者證偽。根據我們對科學的定義，在那些遙遠的區域，哲學至上。但這並不意味著擁有好奇心的科學家不用思考應用於那些遙遠區域的物理原則和過程。其實許多人還是會這樣去做的。我不想忽視這些探索，因為這些探索既有趣又深刻。但由於這些知識的局限性，這些內容並不是那麼可信，即使是科學家的答案，也不比其他人更可靠。然而，因為我時常被人問起，所以利用這一章，我將對那些時常需要被解答的幾個問題，談一談我的看法。
我時常聽到的一個問題是：在這個世界上，為什麼有“存在事物”，而不是“空無一物”呢？儘管沒有人知道真正的答案，但我會給出我的兩個回答。首先，也是不可否認的，如果是“空無一物”的話，你不可能坐在這裡提出問題，我也不可能在這裡解答問題。其次，我認為“存在事物”是更為可能的。畢竟，“空無一物”是非常特殊的。如果你有一個數字序列的話，在所有可以被選擇的具有無限數目的數字當中，“零”僅僅是這當中無限小的一個點。“空無一物”是如此特殊，你根本不會期望用它來表述宇宙的狀態，這無須一個潛在的理由。但是即使潛在的理由也不是“空無一物”。你至少需要物理定律來解釋一件非隨機事件的發生。有起因就意味著一定有某種事物的存在，儘管它聽起來有些可笑，但我深信這一點。你或許不能總是找到你想找的東西，但你總會無意地找到某些其他東西。
當物理學家思考構成我們自身的物質時，就會有一個科學而非哲學的問題冒出來。在宇宙中，為什麼會有這麼多物質（比如，質子、中子和電子）組成我們自身？儘管對普通物質已經有了很多瞭解，但我們並不完全明白為什麼還有那麼多普通物質依舊存在。包含在普通物質中的能量總量是一個懸而未決的問題，我們至今不太明白為什麼會有這麼多的普通物質在宇宙中保存了下來。
這個問題可以歸結為：為什麼物質和反物質存在的數量不相等？反物質是質量相同，但和普通物質電荷相反的物質。物理理論告訴我們，任何一個物質粒子，必然存在著一個對應的反物質粒子。比如，如果電子的電荷為-1，那麼必須有一個叫作正電子的反物質粒子存在，與電子相比，它具有同等質量但相反的電荷+1。為了避免任何不必要的混淆，我要明確指出，反物質不是暗物質。反物質帶有像普通物質一樣的同種類型的電荷，所以它會和光子相互作用。唯一的差別是，反物質的電荷與其相關物質的電荷是相反的。
反物質攜帶著與普通物質相反的電荷，兩者的淨電荷為0。既然物質和反物質在一起時不帶有任何電荷，根據電荷守恆和公式E=mc2，我們知道，當物質和暗物質相遇時，就會消失變成純粹的能量——這個能量也是不帶電荷的。
我們本來期望，在宇宙冷卻時，所有已知的普通物質最終將會和反物質一起湮滅。這意味著，物質和反物質合併變成純粹的能量，從而消失。但是我們現在還坐在這裡討論問題，很明顯這不是事實。普通物質被保留了下來，在圖2-3中你看到它佔了宇宙能量的5%，那麼宇宙中物質的總量一定比反物質的總量要多。對於宇宙和我們自己而言，一個很關鍵的特點是，普通物質能夠以足夠的數量保留下來，從而創造出動物、城市和恆星，這和前文提到的標準熱期望不同。不過這只有在普通物質主導反物質的情況下才能發生，也就是說有一個物質和反物質的不對稱性。如果總量總是一直相等的話，那麼物質和反物質總是能夠找到彼此，然後湮滅並且消失。
為了能夠讓物質保留至今，物質和反物質之間的非對稱性必須在宇宙早期的某個時候就已經建立。物理學家已經提出了許多可能的情形，從而創造出這種不平衡，但我們現在還是不知道哪一個想法是正確的。這個非對稱性依舊是宇宙學中沒有解決的重要問題之一。這意味著，我們不僅不理解暗物質，也不完全理解普通物質。在宇宙演化的早期，一定發生了某種特別的事情，從而可以解釋為什麼只佔宇宙構成5%的物質可以保留至今。
第二個目前沒有回答的問題是：大爆炸過程中究竟發生了什麼？科學家和大眾媒體經常用“大爆炸”代指宇宙時間小於10-43秒和尺度小於10-33厘米，甚至利用非常漂亮的多色圖來演示大爆炸。但“大爆炸”很容易誤導人，這個我會在第4章深入討論。天文學家弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）傾向於一個靜態宇宙，1949年，他在BBC電台節目中發明了這個術語，用來貶低這個他不相信的理論。
無論你對大爆炸宇宙學的態度如何，它都非常成功地描述了我們所知道的宇宙在開始的幾分之一秒後的演化，而在更早的時刻所發生的事情，沒有人知道。對於大爆炸或者之前的可靠表徵則需要一門叫作量子引力的理論。在這個與最早時間相關的微小距離尺度上，量子力學和引力理論都很重要，但並沒有人找到可行的理論，能夠應用於這個極小的距離尺度範圍。只有當我們對這個微小距離尺度上的物理過程有了更多瞭解之後，我們才能夠對宇宙的最初狀態瞭解更多。不過即使到了那個時候，通過觀測去檢驗結論可能還是行不通。
我還時常會聽到另外一個更加不可能回答的問題就是：大爆炸之前發生了什麼？回答這個問題估計比理解大爆炸需要知道的知識更多。我們現在不知道大爆炸時到底發生了什麼、在此之前發生了什麼。但在你失望之前，我還是要告訴你，即便發現所有的答案，都仍然不會令人滿意。或許宇宙已經存在了無限長的時間，或許它開始於某個特定的時刻。這兩個答案似乎看起來都不讓人滿意，但至少是一些選擇。
更進一步來說，如果這個宇宙一直存在，並且大爆炸僅僅是其中一部分，或者我們的宇宙就是所有的一切，或者其他宇宙也是從其自己的大爆炸而來。在多重宇宙中，除了我們自己的宇宙，還有很多其他宇宙。在這種情形下，將會有許多其他膨脹區域——每一個都構成了它自己的宇宙。
這個推理給我們提供了三個選擇：宇宙開始於大爆炸；它一直存在，但最終還是經歷了大爆炸理論所預言的膨脹階段；我們的宇宙只是眾多宇宙中的一個，而其中的每一個宇宙都產生於已經存在的一個宇宙或者多重宇宙。這涵蓋了所有的可能性。不過對我來說，最後一個可能性看起來似乎是最有可能的，因為它無須假設地球，甚至我們已知的宇宙是特殊的，這個推理自從哥白尼時代就一直被使用。依照我的思考方式，這一選擇也意味著，宇宙的空間尺度很可能是無限的，而不是有限的，演化的宇宙也不可能有一個時間起點和終點，儘管我們的宇宙確實有可能“有始有終”。在這三個不能完全理解的可能性中，多重宇宙出現但最終消失的可能性，或許是最不能令人滿意的一個。
上述問題促使我做了最後一個哲學思考：多重宇宙是否存在？現存的物理理論表明，多重宇宙是非常有可能存在的，尤其考慮到目前很多量子引力理論表明，存在很多可能的解。不知道那些計算是不是經得起推敲，不過我敢打賭，其他無法探知的宇宙是應該是存在的。為什麼要否定它們呢？僅根據目前已知的物理定律和科技水平，就認為它們不存在，完全是一種短視。在我們世界裡，沒有事物與多重宇宙的存在是相違背的。
這並不意味著我們會知道什麼。如果沒有事物比光運動得快的話，任何在宇宙視界之外的區域都將超出人類觀測的極限。但從原則上來講，其他區域可能包含其他宇宙，且完全與我們的宇宙分隔開來。在某些情況下，一些來自其他宇宙的信號可能會被探測到：隨著時間演化，不同的宇宙會發生接觸。但這是非常不可能的，因為其他宇宙通常是無法接觸的。
對於我的那些忠實的老讀者，我想說句題外話。在我們討論多重宇宙時，我並不是指《彎曲的旅行》一書中所描述的多個維度。在宇宙的視界之內，也許還存在著額外維度，我們所能觀測到的三維空間包括左-右、上-下和前-後。儘管沒有人看到那個額外維度，但它也是可能存在的。從理論上來說，一個被高維空間所分隔開來的宇宙也是可能存在的。這種類型的宇宙通常被稱為膜世界（braneworld）。讀過《彎曲的旅行》的讀者知道，最讓我感興趣的是，膜世界很有可能有一些可觀測的結果，因為它們無須很遠。然而，當大家討論更為廣義的多重宇宙時，會涉及許多獨立宇宙，即使通過引力它們也不會作用，膜世界並不是通常大家所指的這種獨立宇宙。多重宇宙通常是非常遙遠的，如果一個物體以其中的一個宇宙中以光速飛行，那麼在我們的宇宙壽命之內，也不會抵達我們這裡。
大眾對多重宇宙的想法有著濃厚的興趣。最近我和一位朋友聊天，在提到多重宇宙的想法時，他表現得非常興奮，但他不明白為什麼我沒有像他那樣覺得多重宇宙有趣。對我而言，第一個原因就是我上面說過的：在所有的可能性中，我們永遠也不會肯定地知道，我們是否居住在一個多重宇宙中。即使其他宇宙的確存在，它們也是不可探知的。儘管我的朋友有些失望，但興趣依然。我懷疑他和其他人一樣，對存在多重宇宙感興趣只是因為，他認為另一個自己就生活在某個遙遠的宇宙中。必須要指出，我並不贊同這種觀點。如果其他宇宙存在，它們很有可能跟我們的宇宙完全不同。它們甚至不會包含類似於我們這個宇宙的物質和力。如果那裡有生命的話，我們很有可能不能識別他們。即使它離我們並不遙遠，也仍然不能探測到它。將創造人類的無數因素匯聚在一起更是不太可能。與許多宇宙一起，一個更大的宇宙也是有可能存在的。在我給朋友解釋完之後，他開始明白我的觀點。
事實上，即使多重宇宙的設想是正確的，大多數其他宇宙也將是不穩定的，它們或許會坍縮或者爆炸，無論是哪種情形，幾乎在瞬間它們就會變得什麼都沒有。僅僅只有一些，像我們自己的宇宙，或許會持續很長的時間，形成一定的結構，甚至演化出生命。儘管哥白尼的觀點很深刻，但我們這個宇宙看起來的確有一些特殊的性質——允許星系、太陽系的存在和生命的產生。一些人試圖假設有多個宇宙存在，其中至少有一個宇宙會具有我們這個宇宙的特殊性質，從而允許生命的存在。許多這樣思考的人嘗試人擇原理（anthropic reasoning），這個原理試圖從生命（或者至少能夠支持生命的星系）的重要性上來判斷，是不是我們這個宇宙所必須具備的特殊性質。這裡的問題是，我們不知道哪一類性質是人擇決定的，哪個是建立在基本物理定律之上的，或者哪些性質對於生命是必不可少的，哪些是我們主觀認為對生命必不可少的。人擇原理或許在某些情形之下是正確的，但問題是，我們不知道如何驗證這些想法。在所有的可能性中，如果有一個更好更有預見性的想法出現，我們將會把上面那些想法排除。
上文所討論的想法都只是推斷而已。儘管它們很有趣，但我們不會得到答案，至少在短時間內不會。在我的研究中，我傾向於認為物質的多重宇宙“社區”就在這裡，而且我們有希望理解它們。儘管我使用了形象化的術語，但距離真相仍然遙遠。一個暗物質的宇宙就在我們眼前，然而我們通常與它沒有相互作用，也不知道它到底是什麼。理論和實驗物理學家目前正在推進對“暗宇宙”的瞭解，我們或許很快就會知道答案。我也相信，這樣的發現是值得等待的。