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1章 没有昨日：宇宙膨胀的发现
有这样一个事实可能会构成一个奇妙的比喻：即使是大的望远镜，其目镜也不能大过人类的眼睛。（英、德文意同）。
——路德维希?维特根斯坦，《文化与价值》
20世纪90年代末是宇宙学发现的黄金十年之峰。在长期以来一直被视为一个天马行空的领域之后，宇宙学——这门敢于在整体上研究宇宙起源、演化和命运的科学——终于成熟了。精密的卫星和地面仪器给出了令人注目的观测结果，这让全世界的科学家都为此感到兴奋不已。这些观测正在改变我们对宇宙的认知，就好像宇宙在和我们交谈一样。对理论家来说，这是对现实世界的一个非常重大的检验，这告诉他们要把握好自己的推断，使自己模型的预言变得更加翔实。
在宇宙学中，我们会去发现过去的事情。宇宙学家们是时间的旅行者，而望远镜就是他们的时光机。当我们观察深空时，我们会回溯到时间深处，因为来自遥远恒星和星系的光传播了数百万年甚至数十亿年才能到达我们。早在1927年，比利时牧师兼天文学家乔治·勒梅特（Georges Lema?tre）就曾预言，若考虑如此长的时间范围，在此范围内空间是会膨胀的。但直到20世纪90年代，先进的望远镜技术才使得追踪宇宙膨胀的历史成为可能。
这段历史让人感到有些意外。例如，在1998年天文学家发现，大约50亿年前，空间的扩张已经开始加速，可是有已知的物质形式都会互相吸引，因此扩张速度应该减缓。从那以后，物理学家们一直在想，这种奇怪的宇宙加速度是否是由爱因斯坦的宇宙学常数驱动的。这是一种看不见的、类似以太的暗能量，它会导致引力相互排斥而不是吸引。一位天文学家打趣说，宇宙看起来就像洛杉矶：有三分之一的物质、三分之二的能量。
显然，如果宇宙现在正在膨胀，那么它在过去一定更加受挤压。如果你倒推宇宙历史——当然，这只是一个数学练习——你就会发现，有的物质曾经都非常密集地聚集在一起，而且非常热，因为当物质被挤压在一起时会发热并产生辐射。这种原始状态被称为热大爆炸。自上世纪90年代黄金时期以来的天文学观测已经将宇宙的年龄——即从大爆炸时刻起流逝的时间——定为138亿年，误差范围是2000万年。
出于对宇宙诞生之谜的好奇，欧洲航天局（ESA）于2009年5月发射了一颗卫星，以完成有史以来详细、雄心勃勃的夜空扫描。它的目标是寻找大爆炸遗留下来的热辐射中的一种神秘的涨落模式。宇宙诞生时产生的热量在不断膨胀的宇宙中旅行了138亿年之后，今天到达我们的时候是非常低的：2.725 K，约-270摄氏度。在这个温度下，辐射主要位于电磁波谱的微波波段，因此残余的热量被称为宇宙微波背景辐射或CMB辐射。
图2:由欧洲航天局的普朗克卫星拍摄的热大爆炸余晖的天图，以量子先驱马克斯·普朗克的名字命名。不同灰度的斑点代表了古老的宇宙微波辐射从天空不同方向到达我们时的轻微温度变化。乍一看，这些涨落似乎是随机的，但一项密切相关的研究表明，图上不同区域之间存在着相互联系的模式。通过这些研究，宇宙学家可以重建宇宙的膨胀历史，以模拟星系的形成，甚至预测其未来。
欧空局在捕捉古老热量方面的努力在2013年达到峰，当时世界各大报纸的头版上都出现了一幅类似点彩画的奇特斑点图像。图2再现了这幅图像，它显示了整个天空的投影，由数百万像素组成，这些像素代表了空间中不同方向的残余CMB辐射的温度。对CMB辐射如此详细的观测提供了大爆炸后38万年宇宙样貌的快照，当时宇宙已经冷却到几千度，冷到足以将原始辐射释放出来。从那时起，原始辐射在宇宙中便一直畅通无阻了。
CMB的天图证实，大爆炸的残余热量几乎均匀分布在整个空间，尽管不是完全均匀。图像中的斑点实际上代表了微小的温度变化，即不超过十万分之一度的微小涨落。这些微小的变化，无论多么微小，都至关重要，因为它们刻画了终形成星系的种子。如果热大爆炸在任何地方都是完全均匀的，今天的星系也将不复存在。
这幅古老的CMB快照代表着我们的宇宙学视界：我们无法往回看得更远了。但是，我们可以从宇宙学理论中收集到一些关于更早时期宇宙运行过程的一些信息。正如古生物学家从化石中了解到地球上的生命曾经是什么样子一样，宇宙学家可以通过破译刻印在这些涨落“化石”中的模式，将这张余热图拓印在天空之前可能发生的事情拼凑起来。这就把CMB变成了一块宇宙学的罗塞塔石碑，使我们能够追溯宇宙更早的历史，甚至可以追溯到宇宙诞生后的一秒钟。
而我们从中学到的东西也很有趣。正如我们将在第4章中看到的，CMB辐射的温度变化表明，一开始宇宙快速膨胀，然后减速，而近（大约50亿年前）又开始加速。在深时间和深空间尺度上，减速似乎反倒成了一种例外，而不是规律。这是宇宙中看似偶然的对生命体友好的特性之一，因为只有在缓慢的宇宙中，物质才会聚集并形成星系。如果不是在过去的膨胀过程中出现了长时间的近乎停顿，那也不会有星系和恒星，也就不会有生命。
实际上，在初几次将我们存在的条件纳入到现代宇宙学考量的时候，有一次是以宇宙的膨胀历史这一问题为中心的。这一时刻发生在20世纪30年代初，当时勒梅特在他的一本紫色笔记本上描绘了一个他所谓的“踌躇”的宇宙，它的膨胀历史很像一次颠簸之旅，70年后的观测也将给出该行为*（见彩色插图3）。考虑到宇宙的可居住性，勒梅特接受了宇宙在膨胀过程中长时间停顿这一想法。他知道，对附近星系的天文观测表明，近星系的膨胀率很高。但当他以同样的速度回溯宇宙的演化时，他发现这些星系在不超过10亿年前一定会相互重叠在一起。当然，这是不可能的，因为地球和太阳比这个年份古老得多。为了避免宇宙历史和太阳系历史之间的明显冲突，他设想了一个膨胀非常缓慢的中间时代，给恒星、行星和生命以发展的时间。
（*勒梅特经常在笔记本的一头写下科学见解，在另一头写下精神上的反思，并在中间留下几页空白，似乎是为了避免不要地将科学和宗教混在一起。）
自勒梅特开创性工作以来的几十年里，物理学家们不断邂逅更多这样的“幸福巧合”。从原子和分子的行为到大尺度的宇宙结构，如果宇宙的任何基本物理性质发生哪怕一个微小的变化，它的可居住性都会大打问号。
比如说引力，这个塑造和支配起大尺度宇宙的作用力。引力是极弱的；它需要地球的质量刚刚好，可以保持我们的脚站在地面上。但是，如果引力再强一点的话，恒星会更加明亮，因此也会在更年轻的时候消亡，没有时间让复杂的生命在任何一颗被其热量加热的轨道行星上进化。
再比如说大爆炸余晖辐射温度十万分之一的微小变化。如果这些变化稍大一点，比如说万分之一，宇宙结构的种子大部分都将成长为巨大的黑洞，而不是拥有丰富恒星的宜居星系。相反，若是更微小的变化——一百万分之一或更小——也不会产生任何星系。热大爆炸则恰到好处，它以某种方式将宇宙带上了一条对生命体其友好的道路，而结果直到几十亿年后才会显现出来。为什么会这样？
这种宇宙中幸福巧合的其他例子比比皆是。我们生活的宇宙有三个大的空间维度。三这个数有什么特别之处吗？是的。哪怕再增加一个空间维度就会使原子和行星轨道变得不稳定。地球将螺旋式地进入太阳，而不是在其周围的稳定轨道上按部就班地运行。具有五个或更多大空间维度的宇宙存在更大的问题。另一方面，只有两个空间维度的世界可能无法为复杂系统提供足够的存活空间，如图3所示。三维空间对生命体来说似乎刚好合适。
图3。在只有二维空间的宇宙中，生命似乎很难形成，更不用说维持了。平常的狩猎和进食方式都行不通。
此外，这种对生命不可思议的适应性还延伸到了宇宙的化学性质，这些化学性质是由基本粒子以及它们之间作用力的性质决定的。例如，中子比质子要重一点，中子与质子的质量比为1.0014。如果相反，则宇宙中的有质子都会在大爆炸后不久衰变为中子。但是没有质子就没有原子核，因此就没有原子，也就不会产生化学结构。
另一个例子是恒星中碳的产生。就我们所知，碳对生命至关重要。但宇宙并非生来就有碳，相反，碳是在恒星内部发生的核聚变中形成的。20世纪50年代，英国宇宙学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）指出，恒星中由氦到碳的高效合成取决于束缚原子核的强核力和电磁力之间的微妙平衡。如果强力再强一点儿或是弱一点儿——哪怕只有百分之几——那么核子的束缚能就会发生变化，危及碳的结合，从而危及碳基生命的形成。霍伊尔觉得这太奇怪了，以至于他说宇宙看起来就像一个“骗局”，仿佛“一个超级智慧体在物理、化学和生物方面都在捣鬼”。1
但在这些造就生命的精细调节中，令人感到不解的是暗能量方面。我们测量到的暗能量密度值非常小，竟然是许多物理学家认为较自然的数值的10^(-123)倍。然而，正是因为这么小，使得宇宙在暗能量能够聚集足够的力量加速其膨胀之前“踌躇”了大约80亿年。早在1987年，史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）就指出，如果暗能量密度稍微大一点，比如说是较自然的数值的10^(-121)倍，那么它的排斥效应就会更强，而且会更早出现，又会将宇宙形成星系的机会拒之门外。2
简言之，正如斯蒂芬在我们的一次谈话中强调的那样，宇宙似乎是为了让生命成为可能而设计的。著名作家、理论物理学家保罗·戴维斯（Paul Davies）在谈到宇宙的“金发女孩”因素时说：“就像金发女孩和三只熊的故事中的粥一样，宇宙在许多有趣的方面似乎‘正好’适合生命。”3虽然这并不意味着宇宙就应该充满生命，但这些使它变得宜居的审慎的调节决不是这个世界表面上的性质。相反，它们深深地铭刻在物理定律的数学形式中。一大批粒子的质量和性质，支配它们相互作用的力，甚至宇宙的整体组成——有这些似乎都是为支持某种形式的生命而量身定做的——反映了用以定义物理学家所称的自然法则的数学关系的特定特征。因此，宇宙学中的设计之谜在于，物理学的基本定律似乎是专门为促进生命的出现而设计的。似乎有一个隐藏的密谋在起作用，它将我们的存在与宇宙运行的基本规则编织在一起。这看起来不可思议。然而事实就是这样！这个密谋究竟是什么呢？
现在，我应该强调，对于理论物理学家来说，这是一个非比寻常的难题。通常，物理学家使用自然法则来描述各种现象或预测实验结果。他们还试图推广现有的法则，以便将更广泛的自然现象纳入其范围。但关于设计的这些问题让我们走上了一条截然不同的道路。它们促使我们反思这些法则的深层本质，以及我们如何与它们的方案相符合。现代宇宙学的令人激动之处在于，它提供了一个科学框架，在这个框架中，我们有望阐明这一大的谜团。因为宇宙学是物理学的这样一个领域，在这里，我们试图解决的问题的内在一部分就是我们自己。
