第9章 天空的晓谕

现在被证实的，曾经只是想象。

——威廉·布莱克

在1980年，暴胀理论只不过是阿兰·古斯提出的一种假说罢了。但是到了20世纪90年代末，暴胀理论已经被视为现代宇宙学理论的基石。这是因为一组观测数据的出现，以相当出人意料的方式证实了暴胀理论的推测。

宇宙学常数的回归

暴胀理论给出的最直观的预测是可观测的宇宙空间应该是平直的，遵守欧氏几何。整个宇宙很可能是球形的或者别的什么复杂形状，但是我们被视界局限在其中的一小部分以内，因此我们看到的宇宙空间与平直空间无异。正如我们在第4章中所讨论的，这一说法等价于于说宇宙的平均密度应当非常接近于临界密度。

在暴胀理论刚刚被提出时，天文学家普遍认为这一预测不太可能是真的。由质子、中子和电子组成的普通物质加起来只有临界密度的百分之几。当然，我们知道宇宙中还有大量由某些未知粒子所组成的所谓暗物质。顾名思义，暗物质无法直接被观测到，但是暗物质会和普通物质发生引力相互作用，并由此显露出踪迹。通过对恒星和星系运动方式的观测，人们发现暗物质的质量大约是普通物质的10倍。两者相加，宇宙总的密度大约是临界密度的30%，还是比预期低了70%。

直到1998年，两个独立的团队宣布了一个惊人的发现。他们测量了遥远的星系中超新星爆发的亮度，并使用这些数据计算出了宇宙膨胀的历史。令他们大吃一惊的是，他们发现宇宙膨胀的速度并没有因为物质间的引力而减慢，反而在不断加快。这一发现表明，宇宙中充满了一些具有斥引力的物质。最容易想到的可能性就是，真空并非空空如也，它可能具有一定的物质密度。众所周知，真空是具有斥引力的，如果真空的密度大于物质的密度的一半，那么总的来看这个宇宙就是相互排斥的。

现在看来，爱因斯坦口中的宇宙学常数就是真空密度。爱因斯坦曾认为在他的公式里添加一项宇宙学常数是他一生所犯的最大的错误，这个概念在故纸堆里被埋了近70年。但现在看来，这并不是一个坏主意。我们将在本书的后面看到，宇宙学常数突然的回归给基本粒子物理学理论带来了深刻的危机，但对于暴胀理论来说这是一个非常好的进展。从宇宙膨胀的加速率估算出的真空密度约为临界密度的70%，这正是使宇宙变得平直所必需的！

后来，对宇宙微波背景辐射的观测也独立地证实了这一结论。微波观测并不是像弗里德曼那样在宇宙的几何结构及其密度之间建立关联，而是直接测量宇宙的几何结构。该方法实际上测量了一个巨大而细长的三角形的三个内角的和。这个三角形的一个顶点在地球上，而另外两个顶点则是从天空中两个相隔不远的方向向我们辐射微波的辐射源。（这个三角形较长的边的长度大约为400亿光年。）在平直空间中，三角形的内角和应为180度，就像几何课上学到的那样。三个角的和大于180度，就意味着我们的宇宙是一个基于球面几何的闭合的宇宙（见图9.1）；而如果小于180度，则指向一个遵守双曲几何（马鞍状）的开放的宇宙。微波观测表明，三个角的和非常接近180度，也就是说我们的空间非常平直。这一结果可以用弗里德曼的几何–密度关系重新转换为宇宙的密度。现在，最新的测量结果发现宇宙的密度的确等于临界密度，误差不超过2%，这是暴胀理论的惊人胜利。

图9.1 在一个球状宇宙中，三角形的三个内角和大于180°。如图所示的三角形有三个直角，其内角和为270°

辉煌的过去

暴胀理论的另一个胜利是对微小密度扰动的解释。这些宇宙形成初期的小小的涟漪，最后演化成了星系。暴胀理论做出了一个富有洞察力的预测：从典型的星际尺度（大约几光年）到整个可观测宇宙的大小，在所有的尺度上，扰动的大小应该几乎相同。到20世纪90年代初期，观测天文学家已经准备好对该预测进行检验。

正如我们在第4章中讨论的那样，原初扰动在宇宙背景辐射上留下了痕迹。130多亿年前的宇宙大爆炸的余晖现在从天空的各个方向传到我们身边。自从20世纪60年代中期背景辐射被发现以来，宇宙学家们就意识到这种辐射中隐藏着早期宇宙的图景。但是，原初宇宙的不均匀性非常微小，大约只有十万分之一，以至于多年以来，我们的观测精度并不足以观测到它的存在，人们只能观察到完全均匀的背景辐射。这一困境在1992年得到了突破，宇宙背景探测器（COBE）卫星于当年发射。COBE探测了各个方向的辐射，绘制了全天的背景辐射图，并且首次识别出辐射强度的微小变化。

COBE得到的图像有点儿像失焦的照片：它捕获了早期宇宙火球的总体结构，但是缺乏更精细的细节，7度以下的变化就捕捉不到了。（月球看起来差不多有0.5度大，以供参照。）在此之后，人们做了一系列新的实验，以期获得更高精度的数据。最近的一次是另一枚卫星的发射，它名叫威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）。由其拍摄的微波波段的全天图（如图4.2所示），图像分辨率高达0.2度。它比COBE第一次探测到的图像的锐度要高30倍。

随着数据的逐步积累，原初扰动的模式逐渐显现出