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安赫丽卡全神贯注地凝视着我们的计算机程序，突然间，她发现了一个可疑的负号，大概会使QMAP天图呈颠倒状。我们修正了这个负号，重新运行代码。面对计算机屏幕上的结果，我俩面面相觑，大气都不敢喘——两幅天图几乎完全一样！成败在此一举！接下来，我们睡了短短的几个小时，就飞往了芝加哥。把租来的车停好后，我几乎全靠肾上腺素驱动，一路小跑到费米实验室礼堂。时间不早不晚，刚好轮到我演讲。我实在太兴奋了，根本没注意到自己已经违章停车。直到晚上，我发现我的车离奇地失踪了。
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“你把车停哪儿了？”保安问。
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“哦，就停在外面啊，在消防栓的正前方。”我回答道，突然脑袋里“咣”的一声，一天内第二次恍然大悟——车被交警拖走了。
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宇宙的“沙滩球”
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宇宙微波背景辐射引起的淘金热，持续了好几年。这期间，有20多个不同的实验室在你追我赶——我会告诉你一些相关故事。然后，终于轮到WMAP探测器粉墨登场了。2003年3月11日下午2点，房间里挤满了人。我们都挤过来看NASA电视台，因为WMAP项目团队将要公布他们的结果。地面实验和气球实验都只能绘制一部分天区的图像，但WMAP探测器却能像COBE卫星一样，用它超高的分辨率和灵敏度描绘整个天空。我的感觉就像小时候过圣诞节，圣诞老人最后终于出现了——唯一不同的是，圣诞节只需等上几个月，而为这一天，我已经等了好几年。事实证明，等待是值得的——WMAP项目团队公布的图片令人震惊。他们废寝忘食地工作，从申请经费到建设、发射、数据分析和得出结论，只用了不到6年的时间，比COBE卫星快3倍。实际上，为了保持进度，WMAP项目的带头人查克·班尼特（Chuck Bennett）几乎害死了自己——该项目的重要贡献者大卫·斯伯格尔（David Spergel）告诉我，在卫星发射后，班尼特的身体崩溃了，不得不住了三个星期的医院。
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此外，WMAP项目团队还在网上公开了所有数据，这样，全世界的宇宙学家都可以尝试自己分析。对我这样的宇宙学家来说，现在终于轮到我们来废寝忘食地疯狂工作了，而他们总算可以高枕无忧地睡大觉。他们的观测结果很出色，但受到了银河系射电噪声的污染。你可以从图2-5中的COBE天图里看到，天图中央有一条水平的条带。对于此，有一个坏消息和一个好消息。坏消息是，来自银河系和其他星系的微波污染遍布整个天空，几乎无处不在，尽管程度很低，而且不容易看到；好消息是，这些污染的颜色与我们想要的信号不同（颜色取决于频率），而WMAP探测器采用了5个不同的频率。用这些信息，WMAP项目团队可以清除污染，而我兴奋地发现了一个更好的方法可以完成此事。
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我的方法基于信息论，由此得到了一张更清晰、分辨率更高的照片（见图2-5右下）。我和安赫丽卡以及我们的老朋友安德鲁·汉密尔顿（Andrew Hamilton）一起工作了一个月，终于提交了一篇论文，之后我的生活才慢慢重回正轨。图2-4里有一个球形的微波背景图像，类似的图像也出现在本书的封面上。制作这种图的过程非常好玩，给我带来了很多快乐。WMAP项目的团队也很喜欢干这件事，他们甚至做了一个自己的版本，并把它印在一个塑料沙滩球上。这个球现在还在我的办公室里，让整个屋子蓬荜生辉。我把它称为“我的宇宙”，因为它是一个象征、一个符号，将我们目之所及的万事万物都被囊括在内。
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邪恶轴心，天图的神秘队列
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接下来，让我们来仔细看看宇宙微波背景中的那些星罗棋布的斑点。从这些斑点的大小，我们能解答许多关于宇宙的秘密。我们知道，声音和颜色都可以被分解成不同频率的组合。与之类似，我们也可以把二维的宇宙微波背景辐射图分解成若干个组分（见图2-6），它们有一个古怪的名字，叫多极矩（multipoles）。本质上来说，这些多极矩天图包含着大小不一的斑块。然而，从COBE卫星开始，人们就注意到了一件可疑的事情——第二个多极矩，也就是四极矩天图中，最大的几个斑块比预计的弱很多。然而当时没人能作出一张四极矩天图，来看看究竟发生了什么，因为这需要一张全天图，但银河系的微波干扰对一些天区造成了不可修复的污染。
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图2-6 将图2-5中的WMAP探测器天图分解成一组多极矩的加总，可以看到，其中斑点变得越来越小。最前面的两个天图（左图和中图）中，亮斑排列成一个神秘的队列，被称为“邪恶轴心”。不同的颜色代表与平均温度相比的冷热程度。下方的色条代表单位是μK，也就是1开氏度的百万分之一。
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现在，有了WMAP探测器的结果，我们终于获得了清晰的天图，看起来可以拿来一用。那是一个深夜，在我们提交天图论文之前不久，安赫丽卡和孩子们都已经睡了，我也正准备上床。但我实在太好奇了，很想看看那讨厌的四极矩会变成什么样，所以我决定写一个计算机程序，生成一张图片来看看。当图片从计算机屏幕上蹦出来时（见图2-6左图），我顿时被迷住了——它不仅比预想的更弱（较冷和较热区域之间的温度起伏几乎接近零），并且沿着一条有方向的一维条带分布，而不是理论预测的随机分布，所以看起来十分有趣。我当时已经困得要死，但为了奖励自己深夜还在工作，我决定再调试一张新图片，于是我把2改为3，得到了一张第三极矩，也就是八极矩的图片。天呢！这究竟是什么？屏幕上出现的图片中，斑块的分布同样遵循一个一维的条带，方向与四极矩基本相符（见图2-6中图）。这可不是宇宙应该有的样子啊！和我们平时拍的照片不同，宇宙的照片不应该存在一个特殊的方向，比如“上”——它应该看起来很随机，不管你怎么旋转照片，看起来应该都一样。然而，我屏幕上的这张宇宙“婴儿照”却拥有斑马一样的条纹，排列在一个特别的方向上。我怀疑我写的代码有问题，于是又把3改成4，出现了第三张图（见图2-6右图），这次和预测的完全一样——斑点随机分布，没有特殊的方向。
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安赫丽卡再次检查了数据，确认一切无误之后，我们把这个惊奇的发现写进了天图论文。令我惊讶的是，《纽约时报》竟然提到了我的论文，还派了一个摄影师过来给我拍大头照。接下来，包括我们在内的许多团队都对数据的细节进行了更深入的研究。有些人把那个特殊的方向戏称为“邪恶轴心”；一些人则辩称这是统计学上的巧合，或者是来自银河的干扰。还有人认为，事实应该比我们想象的更神秘，并声称他们用不同的方法在第4和第5极矩中也找到了类似的异常现象。此外，还涌现了一些新奇的解释，比如，我们生活在一个小小的“面包圈宇宙”中，空间转一圈后与自身相连，但后续的分析认定这是不可能的。直到今天，我对“邪恶轴心”的困惑与那天晚上相比，一点也没有减少。
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从0到1，宇宙微波背景理论的历程
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2006年，安赫丽卡和我被邀请到斯德哥尔摩，庆祝COBE卫星的研究成果获得诺贝尔物理学奖。不出所料，COBE团队内部开始争抢功劳。最后，奖项由乔治·斯穆特和约翰·马瑟（John Mather）二人分享。看到他俩和解，我十分欣慰。整个COBE团队都被邀请过去，沐浴在当之无愧的荣耀中。我感到，那些不愉快的嫌隙被无休止的高雅酒会用一个明显的事实所黏合了，那就是，他们完成了一项伟大的工作，不仅让两个人同时获得了诺贝尔奖，更重要的是，他们拍下的第一张宇宙“婴儿照”创造出了一个生机勃勃的新领域，把宇宙学的研究带进了一个崭新的时代。我多么希望，乔治·伽莫夫、拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼也出现在这里。
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2013年3月21日清晨，我5点就起床了，为了看一个巴黎的网络直播——普朗克卫星团队即将公布他们的第一张宇宙微波背景辐射图像。过去的10年里，ACBAR、ACT、南极望远镜等实验设备都曾拓宽我们对宇宙微波背景的知识，但普朗克卫星才是WMAP探测器以来最大的里程碑。我正在刮胡子时，乔治·艾夫斯塔休（George Efstathiou）正在向公众讲述他们的成果，突然一股怀旧和兴奋交织的感觉涌上了我的心头。我仿佛回到了1995年3月，当时艾夫斯塔休邀请我到牛津大学去和他合作，为还未发射的普朗克卫星开发一种新算法。这是我第一次被邀请参加学术合作，感到十分荣幸。我们一起开发出了一种去除干扰信号的新方法，帮助普朗克项目得到了欧洲空间局（ESA）的资金。时光荏苒，现在浴室镜里这个老了8岁、正在刮胡子的我，终于要看到这个项目的成果了。
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当艾夫斯塔休展示普朗克卫星最新的天图时，我忍不住放下刮胡刀，找出我们之前清除了前景干扰的WMAP探测器天图放在笔记本电脑屏幕旁边。它们几乎严丝合缝！宇宙邪恶轴心依然存在！我把这两张图都放到了图2-5中，好让你进行对比。你可以看到，所有大尺度结构都能精致地吻合在一起，但普朗克天图中有更多的小斑点。这是由于它有出众的灵敏度和分辨率，能拍下WMAP探测器因无法辨认而模糊掉的小细节。普朗克卫星证明，我们多年的等待是值得的！由于它出色的质量，普朗克卫星总算为WMAP探测器之前的表现提供了一份可对照的答题卡。仔细消化普朗克卫星的结果后，我认为WMAP项目团队的工作完全能得A+。当然，普朗克卫星项目团队也是如此。然而我认为，普朗克卫星给人们最大的惊喜就是：没有惊喜——从本质上说，它再一次确认了我们已经相信的宇宙图景，只是更加精确。宇宙微波背景辐射，终于成熟了。
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泰格马克教授将普朗克卫星天图投影到了一个球体上，读者可以仔细端详它丰富的色彩和细节。扫码关注“湛庐教育”，回复“穿越平行宇宙”获取该图。
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到现在为止，我们已经将最早的时间由140亿年前拨回到大爆炸后40万年，看见周围的空间充满了炙热的等离子体。那时候，没有人，没有行星，没有恒星，也没有星系——只有原子在弹来蹦去，辐射出耀眼的光芒。然而，更加神秘的问题浮出水面：这些原子从何而来？
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原子是大爆炸的产物吗
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宇宙，一个熊熊燃烧的核聚变反应堆
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之前我们讲到，伽莫夫对宇宙的过去进行了大胆的推演，成功预测了宇宙微波背景，为我们呈现了绝妙的宇宙“婴儿照”。然而对他来说，这个了不起的成就还远远不够，于是，他把时间往回推演到了更早的时候，并算出了结论。时间越早，温度越高。我们知道，大爆炸后40万年时，几千摄氏度的氢元素充满了宇宙空间，几乎有太阳表面一半那么热，所以那时氢元素发生的事，和太阳表面正在发生的一样——发光。所以产生了宇宙微波背景辐射。伽莫夫还意识到，大爆炸后仅1分钟时，氢的温度大约高达10亿℃，比太阳内核还炙热，所以它一定也会发生太阳内核正在发生的事——核聚变，将氢元素聚变成氦元素。然而不久之后，宇宙逐渐膨胀和冷却，冷到不足以发生核聚变时，就像一只无形的手关掉了这个宇宙核聚变反应堆的开关。那时，还没来得及把所有氢都转化为氦。受到伽莫夫的启发，他的学生阿尔菲和赫尔曼对此进行了进一步计算。那时还是20世纪40年代，由于没有现代计算机，他们的工作受到了极大的限制。
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宇宙在最初的40万年里是不透明的，之前发生的事都被藏在宇宙微波背景的等离子屏幕后。那么，要如何检验伽莫夫的这个预测呢？伽莫夫意识到，这个情况和对恐龙的研究很相似——你根本不可能直接看到发生了什么事，但你能找到化石证据！用现代观测到的数据和计算机重新运行他们的计算过程，你能预测出，当宇宙还是一个核聚变反应堆时，有25%的质量生成了氦。当你用望远镜，通过遥远星系的光谱来测算它们的氦含量时，你会得到一个数字：25%！对我来说，这和发现霸王龙股骨化石一样令人印象深刻——这就是疯狂往事的直接证据。只不过这件事的疯狂之处在于，万事万物都热得疯狂，就像太阳的核心一样。此外，氦元素并不是唯一的“化石证据”。随着伽莫夫的理论变得广为人知，太初核合成理论（也就是大爆炸核合成）预测，三十万分之一的原子是氘[5]，五十亿分之一的原子是锂。这两个比例都已被观测证实，并与理论值完美契合。
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