如果宇宙正在膨脹，那麼它會膨脹到什麼裡面去？
一位非常有趣並且坦率的俄羅斯理論物理學家在準備下一周的一個學術報告，當他在喝咖啡時和大家聊起這個的時候，讓大家很是吃驚。物理類的學術報告通常是一個總結性的報告，面向學生、博士後、教授和所有具有物理學背景的人。但這位個性的物理學家打算在報告上“談論宇宙學”。當被別人指出這個話題可能有點太寬泛，畢竟宇宙學是整個領域時，他認為在宇宙學中只有幾個想法和幾個值得測量的量。他自認為在一個小時的報告中，自己完全能夠覆蓋所有這些內容，包括他自己的貢獻。
我會讓你自己判斷他對宇宙學的極端觀點是否正確。我想強調的一點是，我對此觀點很是懷疑，許多問題還有待探索和理解。事實上，宇宙早期演化的優美之處就在於，許多方面它簡單得令人驚訝。天文學家和物理學家通過觀察今天的這同一片天空，能夠反推得到宇宙數十億年前的組成和活動。在本章中，我們將探討人類在理解宇宙歷史方面所取得的驚人進步，這些都是過去一個世紀的理論和觀測帶給我們的。
宇宙大爆炸理論
我們沒有工具來可靠地描述宇宙的原初。儘管不知道宇宙如何開始，但這並不意味著我們知之甚少。宇宙的原初並沒有已知的理論能夠對其進行描述，在宇宙爆炸之後的極短時間開始，宇宙的演化才遵循已有的物理定律。利用相對論方程以及簡化的宇宙成分的假設，物理學家可以確定大約10-36秒之後宇宙演化的行為，也只有在這個時刻之後，用來描述宇宙膨脹的大爆炸理論才能夠適用。早期的宇宙充滿了物質和輻射，它們是均勻分佈並且各向同性的，也就是說在各個區域和各個方向上都是一樣的，因此僅僅需要幾個量就完全足夠描述宇宙的早期物理性質。這種特性使得宇宙的早期演化很簡單，可以預測，還很容易理解。
宇宙大爆炸理論的核心是宇宙的膨脹。在20世紀20年代和30年代，俄羅斯氣象學家亞力山大·弗裡德曼（Alexander Friedmann）、比利時牧師和物理學家喬治斯·勒馬（Georges Lemaître）、美國數學家和物理學家霍華德·羅伯森（Howard Robertson），以及英國數學家亞瑟·沃克（Arthur Walker），後兩人一起工作，分別得到了愛因斯坦廣義相對論方程的解，推斷出隨著時間流逝宇宙必須膨脹（或收縮）。他們甚至還計算出了空間膨脹速率在物質和輻射的引力作用下如何變化，而物質和輻射的密度隨著宇宙的演化也是變化的。
宇宙本來很可能就是無限的，因此宇宙膨脹也許是一個奇怪的概念，但其實是空間本身在膨脹而已，也就是說像星系之類的天體之間的距離會隨著時間的流逝而增加。我經常被問：“如果宇宙正在膨脹，那麼它會膨脹到什麼裡面去？”答案是，它沒有膨脹到任何東西中去，空間本身也在膨脹。如果你想像宇宙是一個氣球的表面，氣球本身在變大（見圖4-1）。如果你在氣球的表面標記了兩點，那這兩點的距離會變得越來越遠，正如膨脹宇宙中的星系在彼此退後一樣。我們的類比並不完美，因為氣球的表面僅僅只是二維的，而它實際上是膨脹到了一個三維的空間。如果想像氣球的表面是所有的一切，也就是空間本身，那麼就可以做這個類比了。如果這是真的，即使沒有任何事物可以膨脹到裡面去，標記的點之間的距離仍然會繼續變大。
圖4-1
隨著宇宙的膨脹，星系相互遠離對方，這和隨著氣球膨脹，上面兩個點之間的距離逐漸變遠的過程非常像。
宇宙的年齡謎題
繼續上述類比，只是標記點之間的空間在膨脹，而不是點本身。即使在一個膨脹的宇宙中，恆星、行星或者被很強的引力或者其他力緊緊約束在一起的天體，都不會經歷讓星系彼此分開的膨脹。原子（包含一個原子核和一些電子）由於電磁力的作用，彼此靠近，體積不會變得更大。相對緻密的強束縛結構，比如星系或我們的身體，它們的密度超過宇宙平均密度萬億倍，但仍然不會發生膨脹。驅動膨脹的力也會作用於這些緻密的束縛系統，但因為力的貢獻非常強大，我們的身體和星系不會隨著宇宙的膨脹而增長；或者即使會膨脹，那麼膨脹的量也可以忽略不計，我們永遠不會注意或測量到它的效應。物體的大小保持不變，只是隨著空間的變大，物體之間的距離變得越來越遠。
眾所周知，愛因斯坦是從相對論方程中得到宇宙膨脹結論的第一人。然而，因為他所得到的結果是在宇宙膨脹被發現之前，所以他對自己的觀點也不是特別自信，更沒有宣傳。在試圖解決他的理論預言和靜態宇宙之間矛盾的過程中，愛因斯坦引進了一個新的能量。在他看來，這個新的能量來源能夠阻止預測中的宇宙膨脹。埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）在1929年證明了愛因斯坦的解決方案是錯的。他發現，宇宙實際上是膨脹的，隨著時間增長，星系彼此互相遠離（但讓人難以置信的是，哈勃是一個不相信任何特定理論的觀測者，他並沒有接受對他發現結果的這種解釋）。愛因斯坦因此欣然放棄了他做的“傻事”，並且將其稱為自己“最大的錯誤”（這也許是後人杜撰的）。
然而，愛因斯坦提出的那種能量確實存在。最近的測量顯示，需要一種新的能量，我們現在稱之為“暗能量”——雖然不是能夠抑制宇宙膨脹的那種類型，卻是精確解釋觀測所必須的，而且是一種完全相反的效果：宇宙在加速膨脹。我認為，愛因斯坦之所以真的認為是他的錯誤（如果他真的那麼說過），是因為他沒有意識到最初膨脹預言的正確性和意義，而這本來會成為他的重要預言。
公平地說，在哈勃提出他的結果之前，我們對於宇宙的認知非常少。哈羅·沙普利（Harlow Shapley）測定了銀河系的大小，直徑為30萬光年，但他相信銀河系包含了宇宙的一切事物。20世紀20年代，哈勃意識到這一說法並不對，因為他發現許多星雲實際上包含很多星系，距離我們數百萬光年，而沙普利原來認為那是一大團塵埃雲（這也是一個名副其實的平常名字）。20年代後期，哈勃獲得了一個讓他更為出名的發現：星系紅移（redshift of galaxies），即光的頻率的改變能夠告訴科學家，宇宙在膨脹。就像一個行駛中的救護車的警報聲變低會告訴人們它已遠離一樣，星系的紅移說明其他星系在遠離地球，表明地球處在一個星系互相遠離的宇宙當中。
哈勃常數
又稱哈勃定律，是指河外星系退行速度與距離的比值，是一個常數，通常用H表示，單位是公里/（秒·百萬秒差距），也是目前學界認為的宇宙膨脹速度。
如今，我們常會提起哈勃常數（Hubble constant），這是宇宙目前膨脹的速率。現在來看，它是一個常數，在空間的各個地方，它的值都是相同的。但實際上哈勃參數不是一個恆定值，它會隨著時間發生變化。在早期的宇宙中，當事物更為緻密、引力效應更為強烈的時候，宇宙的膨脹要比現在快許多。
直到現在，我們對哈勃常數的“測量”仍然有很大的不確定性，這意味著我們不能精確地確定宇宙的年齡。宇宙的壽命取決於哈勃常數的倒數，所以如果這個測量有2倍的不確定，那麼年齡也有2倍的不確定。
記得我還是個小孩的時候，在報紙上看到一些測量已經引起宇宙年齡的發生改變。因為不知道那些數字代表了膨脹速度的測量結果，所以我當時非常驚訝。像宇宙年齡這樣重要的事情怎麼能夠被隨意地改變呢？原來即使不知道宇宙的確切年齡，我們也可以在一個定量的水平上，理解許多有關宇宙的進化結果。也許，更精確的宇宙年齡估計會促使我們更好地理解宇宙的成分和其中的基本物理過程。
無論如何，這種不確定性現在得到了更好的控制。當時還在卡耐基天文台的溫迪·弗裡德曼（Wendy Freedman）和她的合作者測量了膨脹速率，並且最終平息了爭論。事實上，因為哈勃參數的值對於宇宙學非常重要，所以共同努力確保了最大可能的精度。利用哈勃太空望遠鏡，天文學家得到的測量值為72公里/秒/Mpc（意味著在百萬秒差距距離上的事物，以72公里/秒的速度後退），其精確度為11%，與哈勃之前最初的不準確測量值500公里/秒/Mpc相去甚遠。
Mpc（megaparsec）即100萬個秒差距，而秒差距，就像許多天文單位，是早期測量的一個傳統。它是“秒視差”（parallax second）的縮寫，與物體在天空中張開的角度有關，這就是為什麼它有一個角度單位。就像許多因為歷史緣故而保留下來的測量單位一樣，許多天文學家仍然使用這個單位，但不少人不太喜歡用秒差距做單位。將其轉化成或許我們稍微熟悉的距離單位，一個秒差距大約是3.3光年。這個神秘的單位和更容易被解釋的物理量大小相當，這僅僅是一個偶然的巧合。
對於哈勃參數，哈勃望遠鏡的結果有10%～15%的不確定性，而非2倍的不確定，從而使其結果更為精確。最近，微波背景輻射數據的研究給出了更好的結果。我們現在可以把宇宙年齡的不確定限制在幾億年之內，而且測量精度一直在提高。當我寫《彎曲的旅行》時，宇宙年齡還是137億年，但現在我們相信宇宙更老一些，即從大爆炸以來大約是138億年。請注意，這不僅僅是不斷變化的哈勃參數導致了結果的改進，我在前文提到的暗能量的發現也能對其有所解釋，因為宇宙的年齡依賴於這兩個量。
大爆炸演化的預言
根據大爆炸理論，宇宙起源於138億年前的一個炙熱並且緻密的火球，它由許多相互作用，並且溫度高於一兆兆攝氏度（1024℃）的粒子組成。根據愛因斯坦的理論，所有已知的（也可能有未知的）粒子在以接近光速的速度向周圍四處運動，不斷相互作用、湮滅，又從能量中不斷產生。所有強烈相互作用的各種物質有著一個共同的溫度。
物理學家稱充滿早期宇宙那炙熱且緻密的氣體為輻射（radiation）。出於宇宙學的研究目的，輻射被定義為任何以相對論速度運動的事物，意味著以光速或者接近光速的速度運動。要稱得上輻射，物體必須具備足夠多的動能，甚至要遠遠超過其質量所儲存的能量。早期宇宙非常炙熱，能量非常高，以至於由基本粒子組成的氣體很容易滿足這一標準。
此時的宇宙只有基本粒子，而沒有原子（由原子核和電子束縛在一起）或質子（由更基本的所謂夸克組成）。在如此多的熱量和能量面前，沒有什麼能被困在一個被束縛的物體中。
隨著空間的膨脹，瀰漫在宇宙四處的輻射和粒子變得稀薄、冷卻下來。它們表現得就像是被困在一個氣球中的熱氣體，隨著氣球的膨脹變得越來越不那麼緻密。每個能量成分的引力效應影響膨脹的方式不同，所以研究宇宙膨脹隨時間的變化，能夠讓天文學家區分出輻射、物質和暗能量的不同貢獻。物質和輻射會隨著膨脹而被稀釋，非常像警報聲遠離我們而去時，它的聲音也隨之變小，輻射會紅移到更低的能量，所以輻射會比物質稀釋得更快。然而另一方面，暗能量根本不會被稀釋。
隨著宇宙的冷卻，當溫度和能量密度不足以產生某個特定粒子時，尤其當一個粒子的動能不超過mc2的時候（其中m是特定粒子的質量，c是光速），一些顯著事件就會發生。對處在冷卻中的宇宙，大質量粒子會一個接著一個地變重，通過與反粒子相結合，大質量粒子會發生湮滅，轉變成能量，從而加熱其餘質量比較輕的粒子。這些大質量粒子逐漸脫耦，從而最終消失。
即使宇宙的成分發生了改變，也是直到宇宙大爆炸發生的幾分鐘之後，才會看到一些可觀測效應。因此，我們將跳到宇宙成分發生巨大改變的時候，至少可以去驗證它們。哈勃膨脹就是對宇宙大爆炸理論的一個驗證。另外兩個涉及宇宙成分的重大測量結果增強了物理學家的信心，從而相信這個理論的正確性。在宇宙極早期會形成不同類型的原子核，我們首先考慮這些原子核相對丰度的預測結果，這與已經觀測到的密度非常吻合。
在大爆炸發生幾分鐘之後，質子和中子停止了單獨飛行。溫度降到足夠低，使得這些粒子被強相互作用力束縛在一起成為原子核。也就是從那個時候起，最開始讓中子和質子數目保持相等的物質相互作用不再起作用；而中子依舊能夠通過弱相互作用力衰變成質子，所以它們的相對數目發生了變化。
因為中子衰變發生得足夠慢，所以相當大一部分的中子能夠存活足夠長的時間，並和當時的質子一起形成原子核。氦、氘和鋰原子核就這樣產生了，然後這些元素（包括氫原子，當氦產生時，它的密度就會被消耗）作為宇宙遺跡的含量就可以確定了。不同元素的相對含量取決於質子和中子的相對數目，同時也取決於相對宇宙的膨脹速度所需物理過程發生的快慢。所以核合成理論（nuclearsynthesis，這個過程現在是已知的）的預言結果檢驗了原子核物理理論，以及大爆炸膨脹的一些細節。觀測與預測的結果驚人地一致，這是對大爆炸理論和核物理的一個重要確認。
這些測量結果不僅驗證了現有的理論，也對新理論給出了限制。這是因為，當核丰度確立的時候，膨脹速度主要取決於我們已知物質類型所攜帶的能量。當時存在的任何新物質不可能貢獻很多能量，否則膨脹速度將會過快。當我們在推測宇宙中是否存在物質時，這個限制對我和我的同事們來說非常重要。只有少量的新物質能夠存在於平衡態中，並且它的溫度與核合成中已知物質的溫度相同。
這些預測的成功也告訴我們，即使在今天，普通物質的含量也不會遠大於觀察到的含量。過多的普通物質和核物理的預測結果將會與宇宙中觀測到的重元素丰度不一致。與前一章描述的測量結果（它告訴我們發光物質不足以解釋觀測結果）相結合來看，核合成理論成功的預言結果告訴我們，普通物質不能解釋所有宇宙中觀測到的物質，這也在很大程度上排除了一個可能性：人們看不見一種物質，只是因為它不燃燒或反射得不夠。如果發光物質中有更多普通物質，除非有一些新的成分，否則核物理預言的結果將不再適用。如果普通物質在核合成的過程中沒有被隱藏起來的話，那麼我們可以斷定，暗物質肯定是存在的。
就宇宙學預言的詳細檢驗而言，宇宙演化過程中最為重要的一個里程碑發生在比較晚的時候，大約在大爆炸之後的38萬年。宇宙最初充滿了帶電和不帶電的粒子。在這個時候，宇宙已經足夠冷，此時帶正電的原子核和帶負電的電子結合形成原子。自此，宇宙開始包含了中性物質（一種不帶電荷的物質）。
光子是傳播電磁力的粒子，而帶電粒子變為中性原子是一個實質性的變化。在帶電物質不會讓光子發生偏折的情況下，光子可以順暢地穿越宇宙。這意味著，早期宇宙的輻射和光可以直接到達地球，而與宇宙後來可能發生的更為複雜的演化沒有關係。我們今天所看到的宇宙背景輻射是宇宙演化了38萬年時所產生的輻射。
這種輻射與宇宙開始大爆炸膨脹之後立即出現的輻射是一樣的，但它現在正處於一個更低的溫度。光子已經冷卻，但它們並沒有消失。今天的背景輻射溫度是2.73開爾文[7]，這是極其冷的溫度。輻射溫度也僅僅比零度高幾度而已，這個零度也被稱為絕對零度，是任何事物所能承受最低溫度的極限。
從某種意義上來說，探測到這種輻射也是對大爆炸理論最確切的驗證，並且可能是最有說服力的證據，這表明方程式是正確的。出生於德國的天文學家阿爾諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和美國人羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）在使用新澤西貝爾實驗室的望遠鏡時，於1963年意外地發現了這個宇宙微波背景輻射。彭齊亞斯和威爾遜當時並不是為了尋找宇宙的遺跡，他們感興趣的是將無線電天線用於天文學研究。當然，附屬於一家電話公司的貝爾實驗室對無線電波也很感興趣。
當彭齊亞斯和威爾遜試圖校準他們的望遠鏡時，他們記錄了一個均勻的背景噪聲（猶如靜態的），它來自四面八方，而且不隨季節變化。這個噪聲一直不消失，所以他們知道不能忽視它。由於這個噪聲沒有一個方向的傾向性，所以它不可能來自附近的紐約[8]、太陽或前一年的核武器測試。在清理完望遠鏡中鴿子的糞便之後，他們得出的結論是：這個輻射也不可能來自鴿子的“白色介電材料”，彭齊亞斯禮貌地這麼稱呼這些糞便。
威爾遜告訴我，現在看來他們發現這個輻射的時間是多麼幸運。他們當時並不知道關於大爆炸的任何事情。但就在附近，普林斯頓大學的理論物理學家羅伯特·迪克（Robert Dicke）和吉姆·皮布爾斯（Jim Peebles）卻是知道的。當普林斯頓的物理學家發現，他們已經被貝爾實驗室的科學家趕超的時候，他們當時還正處在設計實驗來測量輻射遺跡的過程中。他們早已經認識到這種遺跡輻射對大爆炸理論的重要意義，但是貝爾實驗室的人卻還沒有意識到。對於彭齊亞斯和威爾遜來說幸運的是，麻省理工學院的天文學家伯尼·伯克（Bernie Burke），既知道普林斯頓大學的研究結果，也知道彭齊亞斯和威爾遜的神秘發現。威爾森向我把伯克描述成他的早期“私人互聯網”，而伯克所做的是把兩者結合，讓兩方的相關人員接觸。經過咨詢理論物理學家迪克之後，彭齊亞斯和威爾遜意識到了他們發現的重要性及價值。這個背景輻射的發現，使得貝爾實驗室的這兩位物理學家在1978年獲得了諾貝爾獎。與更早的哈勃膨脹發現一起，這個發現確認了曾經預言宇宙在一直冷卻和膨脹的大爆炸理論。
這是“科學在行動”很好的例子。這一研究是為一個特定的科學目的而做的，但帶來了輔助性的技術和好處。天文學家開始並不是在尋找他們所發現的東西，但職業素養讓他們沒有忽視那些發現。儘管這項研究在開始時是在尋找相對很小的發現，卻無意中催生了一個意義深遠的發現。他們之所以能夠獲得這個發現，也是因為其他人也同時在以更大的圖景思考著同樣的問題。貝爾實驗室的科學家們的發現是偶然的，但這個發現卻永遠地改變了宇宙學這門科學。
在這個發現之後的幾十年內，這種輻射促進了宇宙學的重大發展，其詳細測量幫助驗證了宇宙暴脹理論的預言結果，而宇宙暴脹是發生在宇宙極早期的一個爆炸階段。
宇宙暴脹
“科學的突破是如何發生的”這個問題還存有爭議。是逐漸發生，還是突然發生，或者無論如何都會發生？這個問題的答案就像我們最初對宇宙膨脹的無知一樣。在理解當今世界的變化速度這個問題上，考慮技術進步的影響或者環境變化的影響非常有用，但人們時常忽視這個重要因素的相關性。
關於變化速度的爭論，在19世紀許多有關達爾文進化論的核心衝突中得到了很好的體現。我們將在第11章看到，爭論使得查爾斯·萊爾（Charles Lyell）所支持的地質學中的漸進主義，以及他的助手達爾文所支持的突發地質變化的觀點，形成了鮮明對比。突發地質變化的觀點是由法國人喬治斯·居維葉（Georges Cuvier）提出的。居維葉也意識到了另外一種極端的變化，表明新物種不僅會出現，就像達爾文所展示的那樣，而且它們也會因為滅絕而消失。
關於變化速度的爭論也是我們理解宇宙發展的關鍵。對於宇宙而言，第一個讓人詫異的是，它一直都在演化。當大爆炸理論在20世紀初被提出時，它與神學上所青睞的靜態宇宙非常不同，而靜態宇宙是當時大多數人所接受的一種宇宙觀。但另外一個，也是後來讓人驚奇的理論認為，宇宙在最早期經歷了一個爆炸性的膨脹階段，也就是宇宙暴脹階段。正如地球上的生命一樣，無論是漸進的進程還是災難性的進程，都在宇宙的歷史中發揮了重要作用。對於宇宙而言，“災難”是暴脹過程；而對於“災難”而言，我所指的是這個階段發生得非常突然和迅速。暴脹破壞了宇宙中最初存在的那些成分，但在暴脹結束之時，它也創造了充滿宇宙的很多物質。
宇宙暴脹
該理論認為，宇宙初期經歷了一個爆炸性的膨脹階段，其速度非常快，使得宇宙的尺度在極短的時間內增大了幾十個數量級。
迄今為止，我所講述的是一個標準的大爆炸理論歷史，它描述了一個不斷膨脹、冷卻、老化的宇宙。它是非常成功的，但並非全部。宇宙暴脹發生在標準的大爆炸演化之前。儘管我不能告訴你在宇宙的最開始發生了什麼，但我可以比較確定地說，在其演化的最早期，或許早至10-36秒的時候，這個被稱為暴脹的有趣階段就已經發生了（見圖4-2）。在暴脹階段，宇宙膨脹的速率遠遠要比它在大爆炸演化階段的膨脹速度快得多，以至於在暴脹階段，宇宙尺度在不斷地呈指數級增加。比如，指數膨脹意味著當宇宙年齡是暴脹開始年齡60倍的時候，宇宙的尺度已經增加了一兆兆倍（1024）以上；而如果沒有暴脹的話，宇宙尺度將只增加8倍左右。
圖4-2
暴脹和大爆炸演化的宇宙歷史，包括原子核的形成、結構開始形成、在天空留下印記的宇宙微波背景輻射，以及現代宇宙（星系和星系團已經成形）。
也僅僅只花了幾分之一秒，暴脹就結束了，留下了一個巨大的、平滑且平坦的均勻宇宙，然後就進入到了宇宙正常演化中，而其之後的演化就如傳統的大爆炸理論所預測的那樣。在一定意義上，暴脹就是“爆炸”，就像剛才描述的那樣，它讓宇宙演化變得更為平滑和更為緩慢。暴脹稀釋掉了最初的物質和輻射，因為快速的冷卻使得溫度降到了非常接近於零度。只有等到暴脹結束，驅動暴脹的能量轉化成數量極其眾多的基本粒子時，熱的物質才會被重新引進來。當暴脹結束時，傳統而緩慢的膨脹就開始了。從這個階段之後，舊的大爆炸宇宙學就可以適用了。
儘管大爆炸理論很成功，但它依舊有幾個懸而未決的問題，所以物理學家艾倫·古斯（Alan Guth）創立了暴脹理論。如果我們的宇宙成長於一個極度小的區域，那麼為什麼會包含那麼多東西？為什麼宇宙已經存在了那麼長時間？基於引力理論，你可能會期待一個包含有這麼多東西的宇宙已經膨脹成虛無，或者是已經很快坍縮。儘管它包含著巨大的物質和能量，宇宙三個無限大的空間維度是非常接近平坦的，而宇宙的進化也足夠緩慢，慢到能夠讓我們慶祝它138億年的存在。
退耦
即防止前後電路網絡電流大小變化時，在供電電路中所形成的電流衝擊對網絡的正常工作產生影響。
最初，大爆炸宇宙學當中的一個主要遺漏是，沒能解釋宇宙為什麼如此均勻。當我們現在所觀察到的宇宙輻射產生時，宇宙大約只有現在尺寸的1‰，這意味著光可以走過的距離會小很多。然而，當觀測者現在看到來自不同天空區域的輻射時，輻射看起來是相同的，這就意味著溫度和密度的變化非常微小。按照最初的大爆炸理論，這一點非常讓人困惑。當宇宙輻射和帶電物質退耦的那個時間，宇宙年齡很小，因而光沒有足夠的時間來穿過哪怕是天空尺寸的1%。也就是說，如果時間倒流，你提出一個問題：存在於不同天空中的輻射，是否能夠接收來自彼此的任何信號，或者發射任何信號給對方？答案是否定的。如果不同的區域從來不會相互交流，那麼為什麼它們看起來是一樣的呢？這就好比1 000個陌生人住在有著不同商店的不同地方，同時閱讀著不同的雜誌，然而你卻和他們穿著一致地走進劇院。如果你從未與他們接觸過或者沒有共享過信息，結果你們都穿得一樣，那麼這將是一個驚人的巧合。太空的均勻性更是讓人吃驚，因為它的不均勻性在萬分之一以內。現在看來，在宇宙開始的時候，有超過10萬塊的區域，而且這些區域間當時沒有任何的交流。
由於大爆炸理論上的這些缺陷，古斯在1980年提出的想法看起來就很有吸引力。他提出，存在一個更早的時期，在這個時期之內，宇宙的膨脹極其迅速。而在標準的大爆炸理論中，宇宙在平穩地增長。在暴脹期間，宇宙經歷了一個爆炸性膨脹的階段。根據宇宙暴脹理論，極早期的宇宙在極其短暫的一段時間之內，從一個極小的區域經過一個指數級變化增長到巨大區域。一束光線本來可以穿過的區域，在尺寸上增加了大約一兆兆倍（1024）。這取決於暴脹何時開始和它持續了多長時間，光線穿過的最初區域大小為10-29米，在暴脹結束後，膨脹到了至少1毫米大，比一粒沙子大一點。從一定意義上而言，在一粒沙子裡，或者如果你能夠測量宇宙在那個時候的可見尺寸的話，至少在沙粒這個尺寸上，就像威廉·布萊克（William Blake）讓你相信的那樣，你的確會發現一個宇宙。[9]
暴脹宇宙的極速膨脹解釋了宇宙的巨大、均勻和平直的特點。宇宙是巨大的，它在極其短的時間裡呈指數級增長，變得非常大。相比於經典大爆炸理論下的慢速膨脹，一個呈指數級膨脹的宇宙覆蓋了遠遠大很多的區域。宇宙是均勻的，在暴脹期間，急速的膨脹能夠平滑掉時空結構中的不均勻性，就像拉伸衣袖來消除折痕一樣。一塊微小區域中的所有東西本來都是非常靠近，並且通過輻射彼此交流，因為宇宙的暴脹，這塊小的區域最後膨脹變成了我們今天所看到的宇宙。
暴脹也解釋了宇宙的平直性。從動力學的角度看，宇宙的平直意味著宇宙的整體密度位於臨界值上，從而宇宙可以在非常長的時間裡保持這種狀態。任何更大的能量密度都會導致正的空間曲率，通常一個圓球會具有這樣的曲率，它會使宇宙迅速坍縮。任何小一些的密度都會導致宇宙膨脹速度非常快，結構就永遠不會合併形成。從技術上講，我講得稍微有一點誇張。如果有一個極其微小的曲率，宇宙也還是可以持續這麼長時間，但是，如果沒有暴脹來判斷這個值的話，曲率將會小得讓你想像不到。
在暴脹情形之下，宇宙目前是如此巨大和平直，這緣於它在極早期的增長。想像一下，你可以把氣球吹得像你想要的那麼大。如果你把注意力集中在氣球上的某一區域，當氣球變得越來越大時，氣球表面會變平。同樣，人們原本以為地球是平的，因為他們只看到一個巨大球面上的一小塊區域。同樣的事情對宇宙也是一樣的：當宇宙膨脹時，它就會變平；不同的是，它的膨脹超過了一兆兆倍。
宇宙的極端平直是對暴脹的主要證據。這並不讓人驚訝，因為平直性問題就是暴脹理論需要解釋的幾個問題之一。在暴脹理論被提出時，人們認為的宇宙要比簡單預期所建議的宇宙平直許多，但人類沒有必要的精確度來檢驗暴脹理論的極端預言結果。現在，在1%的精確度上，宇宙已經被測量是平直的。如果這不是真的，那麼暴脹將已經被排除在外了。
20世紀80年代，我還是個研究生。那時候，暴脹被認為是一個有趣的想法，但是大多數的粒子物理學家都不是很重視它。從粒子物理學的角度來看，一個長期的指數級膨脹的環境似乎是非常不太可能的。事實上，它們今天還是不大可能。暴脹本來應該是解決宇宙膨脹初始條件的自然性的。但如果暴脹本身是不自然的，那麼這個問題還沒有得到真正解決。暴脹如何發生（包括它潛在的物理模型），仍然是一種推測。在20世紀80年代困擾我們構建模型的問題現在仍然值得關注。像斯坦福大學俄裔物理學家安德烈·林德（Andrei Linde），是第一批從事於暴脹模型的人之一，他認為暴脹肯定是對的。儘管暴脹想法的最早提出僅僅是因為沒有人找到有關宇宙尺寸、平直和均勻性問題的其他答案，但暴脹卻能夠一下子解決這所有問題。
考慮到新近宇宙微波背景輻射的詳細測量結果，大多數物理學家現在都支持暴脹。儘管我們還需要確定暴脹的理論基礎，並且暴脹發生在很久以前，它還是可以產生可檢驗的預言結果，這使得大多數的人認為暴脹（或者非常類似暴脹的過程）發生過。最精確的觀測集中在由彭齊亞斯和威爾遜所發現的2.73開爾文的宇宙背景輻射的細節上。美國國家航空航天局的宇宙背景探測器（COBE）測量過相同的輻射，更全面，而且其頻率範圍更大上，確認了它在整個天空的高度一致性。
宇宙背景探測器最為壯觀的發現是，早期宇宙並不是完全均勻的，這贏得了幾乎所有對暴脹持懷疑態度的人。總體而言，暴脹使整個宇宙極其均勻。但暴脹又引進了非常微小的不均勻性，從而偏離完美的均勻性。量子力學告訴我們，暴脹結束的確切時間是不確定的，這意味著，在天空的不同區域，暴脹會在不同的時間結束。這些微小的量子效應會在輻射上留下偏離完美均勻性的印記。儘管很小，但它們卻像當你把鵝卵石扔進池塘時，在水裡的擾動一樣真實存在。
在過去幾十年中，最令人興奮的發現之一無疑就是宇宙背景探測器發現宇宙的量子漲落，它產生於宇宙大約還是一粒沙大小的時代，並最終成為你、我、星系和宇宙中所有結構的起源。宇宙最初的不均勻性產生於暴脹結束的時候。儘管它們開始時的尺度極小，之後卻被宇宙的膨脹拉伸到了可以形成星系種子的尺度，或者可測量結構的尺度（第5章我會詳細解釋）。
一旦這些密度擾動被發現，就像知道了溫度和物質密度的微小偏離一樣，對它們進行詳細研究也僅僅是時間問題。從2001年開始，以更高的精確度以及在更小的角度尺度上，威爾金森微波各向異性探測器測得了密度擾動。和南極望遠鏡一起，威爾金森微波各向異性探測器觀測到了輻射的密度漣漪或者擾動，而這個輻射密度中包含了最開始被創造出來的複雜信息。這些測量的細節證實了宇宙的平直性，確定了暗物質的總量，並驗證了早期指數膨脹的預測結果。威爾金森微波各向異性探測器最驚人的一個結果就是，它通過實驗證實了暴脹圖像。
2009年5月，歐洲航天局發射了它自己的衛星——普朗克衛星，更為細緻地研究了擾動。普朗克衛星的結果提高了大多數已知物理量的精度，並且幫助鞏固了人類對早期宇宙的認識。普朗克衛星最為重要的成就之一就是，它確定了一個對暴脹動力學可以作出限制的額外量，而正是暴脹動力學驅動了暴脹般的膨脹。正如宇宙大都是均勻的，但有一些小的違反均勻性的擾動。儘管天空中的擾動振幅大多是空間獨立的，但也表現出對尺度的微小依賴。對於尺度的依賴反映了宇宙在暴脹結束時能量密度的變化。在這個對暴脹動力學令人印象深刻的確認中，威爾金森微波各向異性探測器和測量精度更高的普朗克衛星測量了這個尺度依賴關係，確定了早期暴脹階段逐漸停止，並測量了限制暴脹動力學的數值。
雖然我們的理解並不完整，但宇宙學家已經確認暴脹和之後的大爆炸是宇宙歷史中的一部分。因為早期宇宙有高度的均勻性，相對比較容易研究，所以我們可以建立詳細的理論。未來，方程可以被求解，數據可以很容易地被評測。
然而，在數十億年前，當宇宙結構開始形成時，宇宙從一個相對簡單的系統變為一個更為複雜的系統，所以宇宙學在解釋宇宙後來的演變時，面臨著更大的困難。當恆星、星系和星系團這樣的結構形成以後，宇宙成分的分佈變得更難預測、更難解釋。
但無論如何，仍然有大量信息包含在不斷演化的宇宙結構中，而這些信息最終能夠被觀測、模型和計算機的綜合運用所揭示。正如我們將在本書後文所看到的那樣，對這一結構的測量和預測將會教給我們很多東西，包括暗物質與我們這個世界的相關性。現在，讓我們先來探討一下這個結構最初是如何產生的。