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实际上，你的大脑也是用同样的方法来判断声音来自何方——如果你的左耳比右耳先听到一段声音，那声音肯定就是来自左边，并且，大脑还能通过双耳接收声音的时间差，来评估声音是直直地来自左方，还是有一个角度。由于你只有两只耳朵，所以你不能非常准确地指出这个角度，但是如果你周身长出100个耳朵，就像一个射电干涉仪，那你就能做得更好（尽管看起来不怎么好看），准确地指出声音的方向。自天文学家马丁·赖尔（Martin Ryle）1946年开拓了干涉仪这个新领域以来，已经取得了巨大的成功，并为他赢得了1974年的诺贝尔奖。
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不过，最拖后腿的，莫过于计算这些时间差了。要计算时间差，你需要计算每一对天线（或耳朵）之间的数据，所以，随着天线数量的增加，天线对数量增加的比例几乎等于天线数量的平方。这意味着，如果你把天线数量增加1 000倍，需要的计算量就会增加100万倍——我的天！你需要的只是一个天文望远镜，可不是天文数字的预算！因为这个原因，干涉仪的规模被局限在几十或几百个天线阵列，而无法达到几百万个，而后者才是21厘米层析最需要的。
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当我搬到MIT时，美国和澳大利亚合作的21厘米层析实验团队大方地接纳了我。这个实验由我的同事杰基·休伊特（Jackie Hewitt）推动。在项目会议上，我常常幻想着，是否有某种方法能让修建大型望远镜变得便宜一些。一天下午，我们正在哈佛大学开会，我的脑子里突然冒出一个想法——我想到了一个便宜的方法！
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“万远镜”
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在我看来，望远镜就是光波的分选器。如果你想测出你的长相，光看着你的手、测出穿过它的光线强度是不够的，因为在你手部皮肤的每一点上，都混杂着来自你脸上各个部位的光波。但是，如果你能按照来源方向对这些光波进行分选，让方向相同的光线落在你手上的同一区域，这样，你就能得到一张脸部图像。这正是相机镜头、望远镜镜头和眼睛里的晶状体所起的作用，也是图3-8中那种曲面镜的功能。在数学里，这种光波分选过程有一个玄妙又吓人的名字——傅里叶变换（Fourier transforming）。所以，望远镜本质上就是一个傅里叶变换器。传统的望远镜用模拟的方法进行傅里叶变换，采用的是透镜或曲面镜。干涉仪则与之不同，采用的是数字的方法，工具则是计算机。这样，光波不仅能按照来源方向进行分选，还能根据波长进行分选——对可见光来说，不同波长意味着不同的颜色。
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在哈佛大学的那个下午，我脑子里冒出来的想法是设计一个巨大的射电干涉仪，其中的天线并不是像我们之前计划的那样随机分布，而是遵循一个简单而规律的模式。对一个拥有100万个天线的望远镜阵列来说，可以使用一些聪明的数学技巧来穷举这些模式，将使傅里叶变换的速度提高为原来的25 000倍——基本上也可以把望远镜的预算降低为原来的1/25 000。
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我说服了我的好友马蒂亚斯·扎尔达瑞亚，他也认同这个想法是可行的。然后，我俩开始详细地研究这种方法，并发表了两篇与之有关的论文，证明了那种基本数学技巧可适用于多种多样的天线阵列模式。我们把我们提出的这种望远镜称为“万远镜”（Omniscope），因为它既是全方位的（本质上能同时拍下整个天空的图像），又是全彩色的（能同时拍下大范围的波长，也就是不同颜色的图像）。
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据说，爱因斯坦曾说过：“从理论上说，理论和实践是一样的。但从实践的角度来说，它们却截然不同。”于是，我们决定建造出一个小型样品，看看它是否真的有用。我发现，万远镜的基本思想在20年前就已经有一个日本团队尝试过，只不过是为了其他目的，而且由于当时电子设备的能力有限，他们的天线数量被限制在了64个。得益于后来的手机技术革命，如今，我们建造样品所需要的关键元件的价格已经暴跌，所以我们只用拿一点小钱就能作出整个阵列。同时，我也很幸运地得到了MIT一组出色的学生的帮助，其中一些来自电气工程系，他们对电路板设计和数字信号处理的魔法了如指掌。其中有一位名叫内瓦达·桑切斯（Nevada Sanchez），他教会了我电子学“魔法烟雾理论”，后来在我们的实验室里得到了证实——电子零件能正常工作是因为它们包含着带魔法的烟雾。所以，如果你不小心让魔法烟雾溜走了，它们就罢工了……
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过去，我的整个学术生涯都是在搞理论研究和数据分析，突然间，我进入了建造实验的新领域，这和我过去的经历可完全不同，我非常喜欢做这件事。它把我带回了十几岁时在地下室里捣鼓小玩意儿的快乐时光，唯一不同的是，我们现在建造的东西更加激动人心，整个团队在这个过程中都非常愉快。到现在，我们羽翼初丰的万远镜做得还不错，但现在断言说我们或其他人已有能力让21厘米层析发挥出最大潜能，还为时过早。
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万远镜还教会了我一些其他事情——与我个人有关的事。对我来说，最有趣的事就是团队探险，我们把所有的设备都装进一辆面包车，把它开到人迹罕至的郊外，远离无线电台、手机等人类产生的射电波。在这些妙不可言的日子里，我那充斥着电子邮件、教书上课、文山会海和家务事的碎片生活，被一种充满喜悦、目标明确、禅宗般的状态所取代。远郊没有手机信号、没有互联网、没有外界的打扰，团队的每一个人都能把全部精力集中在实验工作的共同目标上。有时候我会问自己，在这个年代，我们总是会同时处理几种不同的任务，我是不是应该经常像这样消失一段时间，比如去写一本书……
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大爆炸从何而来
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本章，我们介绍了精确的数据像雪崩一样改变了宇宙学，让它从一门以推测为主、略带哲学意味的领域转变为今天我们所看到的精密科学。其中，我们测量宇宙年龄的误差已经下降到1%。在科学中，回答老问题常会衍生出新问题，所以，我预计，宇宙学正面临着激动人心的10年，因为全世界都在建立新理论、建造新实验，尝试揭开暗物质、暗能量等未解之谜的神秘面纱。在结语里，我们将重新回到这个问题，探寻它对宇宙终极命运的预示。
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我认为，精密宇宙学最让我诧异的一件事就是，整个宇宙的运转被简单的数学规律控制着，甚至可以一直追溯到它炽烈暴躁的开端。比如，爱因斯坦广义相对论中的方程精确地控制着宇宙中的万有引力，其空间范围可以从毫米一直延伸到1026米；而原子核物理学的方程精确控制宇宙的时间范围从大爆炸后第一秒一直到140亿年后的今天。与经济学中模棱两可的公式不同，这些方程的精确度令人瞠目结舌，正如图3-2中所展现的那样。所以，精密宇宙学凸显出了数学在理解世界过程中的神秘作用。我们将在第9章回到这个问题，并探讨一个激进的解释。
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从精密宇宙学身上，我还学到一件令人惊异的事情，那就是，它并不完备。我们知道，我们今天观测的万事万物都起源于一场炽烈的大爆炸。那时候，宇宙中分布着几近均匀的炙热气体，和太阳内核一样热，并迅速膨胀，一秒钟内就胀到了两倍大。然而，是谁安排了这一切？我喜欢把这个问题称为“爆炸问题”。到底是谁把这个爆炸变成了宇宙大爆炸？那些膨胀的炙热气体从何而来？它们为什么会均匀分布？为何其中藏有0.002%的种子起伏，最终成长为今天我们所看到的星系和宇宙大尺度结构？简而言之就是，这一切是如何开始的？我们将会看到，把弗里德曼的膨胀宇宙方程推演到更加遥远的过去，将遇到难以解决的问题。这意味着，我们需要一个彻底的新理论，才能理解宇宙的终极起源。这正是下一章要探讨的问题。
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穿越平行宇宙
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◆近年来，关于宇宙微波背景和星系聚集等的数据，像雪崩一样改变了宇宙学，将它变成了一门精确的科学。比如，它把我们对宇宙年龄是100亿年还是200亿年的争论，精确到了137亿年还是138亿年。
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◆尽管有争议，爱因斯坦的引力理论还是打破了纪录，成了最具有数学美感的理论，用几何的方式展现了万有引力。它认为，空间中所包含的质量越大，空间的弯曲度就越大。这种空间弯曲使得其中的物体不会沿直线运动，而是弯向较重的物体。
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◆通过测量宇宙大小的三角形的几何性质，爱因斯坦的理论让我们估算出了整个宇宙的质量。令人惊讶的是，组成日常物体的物质在宇宙中只占4%，剩下的96%是什么呢？无人知晓。
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◆这部分失落的质量就像幽灵一般，不仅不可见，还能从普通物质中毫发无伤地穿过去，而你却丝毫注意不到。根据它们表现出来的引力特性，可以分为两种不同的东西，暗物质和暗能量：暗物质会聚集成团，暗能量则相反；暗物质膨胀时会被稀释，暗能量则不会；暗物质相互吸引，暗能量相互排斥；暗物质促进星系的形成，暗能量则暗中搞破坏。
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◆精密宇宙学告诉我们，宇宙受到简单数学规律的支配，这个过程甚至可以一直追溯到宇宙炽烈的诞生之时。
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◆尽管看起来很优雅，但经典的大爆炸理论却无法解释很多问题，这意味着，要理解宇宙的终极起源，我们需要在这个谜语里加上其他关键的环节。
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