|平滑的宇宙海中的涟漪|

下面我们要同时探讨两个宇宙学数字，同时探讨这两个宇宙学数字是很有道理的，因为它们共同告诉我们，宇宙平滑得出奇，但宇宙中又包含了很多足以允许我们生存的褶皱。如果你仰望夜晚的天空，或当你审视着用灵敏的天文相机拍摄的夜空的照片的时候，这种平滑并不明显。我们所能看到的只不过是，黑幕下的光斑——恒星和星系。然而表象有时具有欺骗性。

穷其一生，天文学家都无法看到星系划过天空，即使是把一千个人的寿命加在一起，在这段时间内，他们也无法看到星系在天空中移动。以人的标准看，星系在高速行驶，就是因为它们离我们太远，所以它们的运动并不明显。但通过多普勒效应（Doppler effect），我们可以测量单个星系的运动和旋转方式。某个物体所发出的光的光谱的改变，可以揭示该物体的运动方式。通过单个星系的旋转方式和单个星系在成群的星系即星系团中的运动方式，再通过计算机模拟膨胀的宇宙中，引力将物质拉扯到一起形成星系的方式，我们能够非常准确地知道宇宙中到底有多少物质，以及这些物质大体上是如何分布的。

在测量宇宙中物质总量时，宇宙学家并不是把宇宙中的全部实际质量加在一起，而是计算宇宙的平均密度，宇宙的平均密度通常是用希腊字母奥米伽（omega，即Ω）表示。Ω的确切值与宇宙的膨胀速度相关，同时，也与宇宙的最终命运相关。让我们暂时撇开宇宙学常数不谈，膨胀（使宇宙越来越大）与引力（试图阻止宇宙膨胀并使宇宙坍缩）间存在着竞争。如果密度足够大，引力就会获胜；如果密度小的话，膨胀就会胜利，而宇宙就会不断膨胀下去。但是有一个特殊的密度值，称为临界密度，在这种密度下，膨胀和引力处于平衡状态。如果膨胀和引力处于平衡状态的话，宇宙会不断膨胀下去，但这种膨胀会越来越慢，直至它实际上徘徊在坍缩的边缘。

简单地说，引力作用的方式意味着，如果宇宙曾经具有临界密度的话，它就会停留在这个刀刃上（即徘徊在坍缩的边缘），因为虽然随着宇宙的膨胀，密度会减少，而且从这个意义上说，引力也会减弱，但是，与此同时，宇宙的膨胀也会放缓到一定的程度，以保持这一平衡。为方便起见，宇宙学家将临界密度定义为Ω=1。他们测量出今天宇宙中物质的实际密度是临界密度的几分之一。临界密度相当于每立方米空间中存在约5个氢原子——这一数字也许为我们敲响了警钟。

观测和计算机模拟表明，今天宇宙中物质的密度略大于临界密度的四分之一。更确切地说，Ω（物质）=0.27，相当于每立方米空间中约有1个氢原子。乍一看，单从这个证据推断，宇宙似乎注定要永远膨胀下去。但这一数字有些古怪之处，宇宙学家早在几十年前就提出了这个谜题。

只有当Ω值恰好为1时，引力和膨胀之间才会保持平衡。如果宇宙从大爆炸诞生时的密度，比临界密度略大一点点，引力会迅速将物质吸引到一起，从而会阻碍宇宙的膨胀，使Ω值变得越来越大。这将使宇宙自身在“大坍缩”中崩溃。如果宇宙从大爆炸诞生时的密度比临界密度略低一点点，膨胀就会使事物变得越来越稀薄，同时会使Ω值越来越小。这两个过程都是偏离的过程——随着时间的推移，对于Ω=1的偏离会迅速加大。

宇宙大爆炸发生在137亿年前，而宇宙在这段时间内一直在膨胀，这种膨胀几乎很少受到宇宙学常数的影响。为了使宇宙的寿命能够持续这么长时间，而且为了使宇宙在这段时间内不会变得稀薄，以至于根本无法形成恒星和星系，在宇宙形成之初的第一秒，Ω值一定非常接近1。事实上，任何对1的偏离必须小于1/1015（10的15次方分之一，即100万亿分之一）。也就是说，宇宙的密度从一开始就不是1，它与1相差的数量为小数点后面带14个零和一个1。如果初始密度是随机“选择”的，我们人类存在的概率就几乎为零了。由于临界密度是唯一特殊的密度，因此，不难想象一定存在某种自然定律，这种定律要求Ω必须等于1，但是很难想象会存在一种自然定律要求Ω=0.27。20世纪90年代，许多宇宙学家都相信，对它的唯一解释是，Ω值确实正好为1，而且一直都是1。在这种情况下，构成宇宙另外四分之三的“失踪”的物质到底在哪里呢？

还有一种复杂情况。对核相互作用的了解，使物理学家成功地计算出，在大爆炸所产生的物质的混合物中，一定包含75%的氢和25%的氦，核相互作用也同样成功地解释了，其他元素是如何在恒星中制造出来的，它还告诉我们，在大爆炸产生的火球中制造了多少核（重子）材料。就密度而言，宇宙中重子材料——制造恒星、行星和人类的材料——总量不可能超过临界密度的4%。通过星系的移动方式可以得知其他物质的存在，它们占了临界密度的23%，这些物质肯定是以某种暗物质的形式存在的，但在地球上尚未发现这种物质。寻找这种暗物质是当今粒子物理学最迫切的奋斗目标之一，但我们目前可以明确地说，而且对这本书而言也非常重要的是，暗物质确实存在，并且非常均匀地分布在空间中，而且正是暗物质的引力将重子物质（主要是氢和氦）拉入引力坑洞，星系在引力坑洞中的形成过程，类似于水坑在维护得极为糟糕的道路上的形成过程。

我相信你已经明白接下来会发生什么事了。20世纪90年代末，有些观察者非常震惊地发现，宇宙正在加速膨胀。他们之所以感到惊讶，是因为他们不是宇宙学家，不知道宇宙学家正在试图找到一种方法，将宇宙总密度凑足到临界密度。但是，许多宇宙学家听到这条新闻后都感到非常高兴。另一种解释宇宙中的Ω=1的方式是，认为宇宙“从空间上来说是平坦的”;1996年，就在发现宇宙在加速膨胀的两年之前，我出版了一本书，书名为《大宇宙百科全书》（Companion to the Cosmos）。正像我在本书前文中所总结的那样，在此书中，我也对这种情况进行了总结，书中写道：“如果宇宙学家希望保留宇宙的空间是平坦的观点……他们可能不得不重新引入宇宙学常数的观念。”要想将所有的物质完美地组合到一起，必须要有一个能量密度相当于临界密度73%的Λ场，现在，有时将这种Λ场称为“暗能量”。但这仍留下了一个难题，即为什么Ω应该无限地接近1？而解决这一难题的最好办法，就是看一看宇宙学家所说的宇宙空间是平坦的，到底是什么意思。

宇宙的三维平坦性就相当于一张纸铺在我的二维桌子上的平坦性。地球的表面几乎是一个二维表面，从这种意义上说，它就像一张平坦的纸，但它自身会发生弯曲从而形成一个球体。人们认为地球的表面是封闭的，因为它没有边缘，如果你从地球表面上的某一点出发，朝着一个方向持续走下去，最终你会回到出发的地点。广义相对论告诉我们，三维空间可以以类似的方式弯曲，而且这些推测已经得到了证实，人们通过观察发现，当光经过像太阳这样的大质量的天体的时候，好像发生了弯曲。发生这种弯曲实际上是因为，光在穿越弯曲的空间时，会寻找最短路径。在三维空间中，这个有封闭表面的球体就相当于一个没有边缘的封闭的宇宙，这种封闭的宇宙自身也会发生弯曲，在这种宇宙中，如果你朝着一个方向持续走下去，最终你会回到出发的地方。这样的宇宙类似于一个非常大的黑洞。在二维空间中的另一种可能性是，其表面的形状为马鞍状或山口状，向四面八方永远延伸下去。这是一种开放的表面，这种表面没有边缘，因为它是无止境的，在这种表面上，你可以永远朝着一个方向走下去，而永远也不会回到同一个地方。在三维中，与它相对应的是一个开放的宇宙。如果没有宇宙学常数，一个封闭的宇宙的膨胀总有一天会停止，它自身还会发生坍缩。一个开放的宇宙注定要永远膨胀下去，如果有宇宙学常数的话，封闭的宇宙也可能会永远膨胀下去。

三维空间的形状取决于其内部的物质密度（或取决于其内部的物质和能量），因此，用这种方式描述的封闭的、平坦的和开放的宇宙正好与前文中探讨的膨胀宇宙的三种命运相符，其中与平坦的宇宙相对应的是宇宙的密度为临界密度，即Ω=1。

膨胀抚平了宇宙中的褶皱，并使之变得更平坦。把它跟皱巴巴的西梅干对比一下，把西梅干放在水中胀大，它上面的皱纹就会被理顺，表面也会变得更平滑（其原理与用美容疗法去除人脸上的皱纹的原理相同）。试想如果把西梅干膨胀到地球的大小，其表面真的会非常光滑，而且人们在这样的表面上行走时，根本无法明显地感受到它的弯曲——这就跟我们的祖先无法明显地感受到地球是圆的，而不是平坦的一样。

有关宇宙的空间平坦性，解释得最好的是，在宇宙诞生初期，即在它诞生的最初的一瞬间，发生了类似上文的事情。当时，强有力但短命的相当于现在的Λ场的东西引发了宇宙的急剧膨胀，在此过程中，即在10的几十次方分之一秒的瞬间，宇宙的尺寸增大了很多很多倍，最后形成了现在的可见宇宙这么大的尺寸。正是由于这个显而易见的原因，这一过程被称为暴胀，本书第五章将探讨暴胀；宇宙暴胀结束时，仍然是在小于1秒的时间内，形成了一个炙热的不断膨胀的火球，在这个火球内部，空间已变得非常平坦（这可以解释为什么Ω=1），只有非常小的褶皱为星系的形成留下了种子。虽然我会在后文中详细探讨暴胀，但我们现在需要记住一点，即虽然这可以解释宇宙的平坦性和平滑性，但整个暴胀过程有可能提前停止，这样演化下来的宇宙将有更多的褶皱，其Ω值会与1截然不同。从这个意义上说，还会存在很多种可供选择的宇宙。

根据星系团中星系的聚集方式，我们可以测量今天宇宙的块度。每个星系团都是由数千个星系组成的，与我们的银河系类似，每个星系都是由数千亿颗恒星组成的。引力把星系聚集在星系团中，星系围绕它们共同的质心运转，星系运动的速度可以由多普勒效应测量。有了这个信息，就可以直接计算出星系得运行多快才能脱离星系团，从而使星系团逐渐消失。这就需要给整个星系团输入一定的能量，而能完成这项工作所需的能量可以用来测量引力将星系聚集到一起的紧密程度，而这种紧密程度又可以测量宇宙偏离其平滑性的程度。

然后，将这一能量与星系团的总能量——它的“静质能量”——进行对比，星系团的总能量可以从爱因斯坦的等式E=mc2中获得。在整个宇宙中，无论这个大型的星系团位于哪个方向，到目前为止已被调查的每个大型星系团中，这两种能量的比率都为1比100000。今天的宇宙中，偏离平均密度最大的数值只是平均密度的10-5（0.00001）。这就相当于，在一个地球大小的星球上，没有高于60米的山丘。我们可以用10-5这个数字，来衡量平滑的宇宙海洋中涟漪有多么小。

物质宇宙的主体是由黑暗物质构成的，而星系只是这些黑暗物质的可见的示踪剂。正如圣诞树上的灯光可以照亮这棵树的轮廓一样，星系也可以告诉我们黑暗物质聚集最多的地方的轮廓。这意味着形成星系团的“坑洞”是对暗物质平均密度的微小偏离，即只超过平均密度的十万分之一（1.00001乘以平均密度）。21世纪第一个10年，观测宇宙学的伟大成就之一，就是探测出这种褶皱在宇宙背景辐射中的确切比例，即十万分之一。这意味着，确实在很久之前，当宇宙还很年轻的时候，这种褶皱就已经存在了，而这种褶皱就像种子一样将会成长为星系团。

但是，假设这种褶皱的尺寸是不同的，又会出现怎样的情形呢？如果临界值小于10-5，就很难产生褶皱。如果临界值小到10-6，只是实际值的十分之一，恒星和星系将根本就不可能形成。另一方面，如果临界值比10-5大得多，就会更容易形成结构——太容易了，因为大量的物质会迅速集中到一起，然后，迅速坍缩为特大质量的黑洞，星系根本就没有机会形成，也就不会有生命的演化了。如果这个数字是10-4，比我们宇宙中的临界值大10倍，仍然会发生有趣的事情，就有可能形成巨大的单个的星系，每个星系中所包含的物质，就如同我们宇宙中的整个星系团所包含的物质一样多。但是，如果该数字为10-3，只比我们宇宙中的临界值大100倍，那宇宙中将只会有黑洞和辐射。

此处，我们再次遇到了宇宙学巧合。为什么无论这一宇宙学数值是多少，宇宙都一定会（在暴胀后）诞生于大爆炸，而在所有的数值中，只有一个值才能允许星系、恒星和人类的存在？从物理定律角度看，我们还不清楚原因何在。如果这个涟漪再小一点的话，就不会发生什么令人感兴趣的事了；如果这个涟漪再大一点的话，宇宙又会过于剧烈。

宇宙巧合的例子举不胜举。接下来我将探讨这些巧合对多重宇宙的启示，但在此之前，我想谈谈宇宙的另一种特殊性，一种关于宇宙的更根本的古怪性。为什么这些涟漪，以及到目前为止我讨论过的一切，都发生在三维空间中呢？