1700917348
我们在上一章中看到，我们以高精度测量出宇宙是平坦的。迪克说，如果弗里德曼的大爆炸模型是正确的，这将带来问题，因为这是一种高度不稳定的状态，并不会维持很长时间。举个例子，我们在第2章中提到，自行车停下来以后会变得很不稳定，因为只要有一点点偏离完美的平衡状态，就会被万有引力放大。所以，如果你看到一辆自行车停下来，在没有支撑的情况下竟能保持竖直状态，你一定会感到很奇怪。
1700917349
1700917350
图4-3展示了弗里德曼方程的三种解，形象地说明了宇宙的不稳定性。中间那条曲线代表平坦的宇宙，它将一直保持完美的平坦，并永远膨胀下去。另外两条曲线在最左端的开始状态基本上完全相同，那时的空间几乎没有任何弯曲。在10-9秒后，它们的密度差异小到只在一个24位数的个位数上变动[8]，而这些微小的差异将被万有引力放大。再过5亿年，最低的曲线描述的那个宇宙将因此停止膨胀，反弹为一个灾难性的大挤压，就像把大爆炸反向进行。在这个面临坍缩命运的宇宙里，空间会弯曲，使得三角形的内角和远大于180°。相反，最高的那条曲线描述的宇宙中，空间也会弯曲，但三角形内角和将远小于180°。它的膨胀速度比位于临界点的平坦宇宙快多了，其中的气体被稀释得很厉害，无法形成星系，整个宇宙会被冰冷和黑暗的大冷寂所笼罩。
1700917351
1700917352
1700917353
1700917354
1700917355
图4-3 另一个弗里德曼方程无法解释的问题是，为何我们宇宙空间的平坦状态能保持如此长的时间，而没有变弯曲，最终迎来大挤压（Big Crunch）或大冷寂（Big Chill）。每个弯曲都对应着宇宙年龄只有10-9秒时的轻微密度差异。我们所栖身的这个临界状态非常不稳定——只需要微微改变24个数位中最后一位的数值，就会在宇宙年龄不到今天的4%时就触发大挤压或大冷寂。（本图基于天文学家内德·赖特[Ned Wright]的创意）
1700917356
1700917357
那么，我们的宇宙为何如此平坦呢？如果你把图4-3中的24位数改成随机数值，再用弗里德曼方程求解一遍，那么，在140亿年后，你还能得到一个平坦宇宙的概率比你在火星上扔飞镖正中地球上一个飞镖盘靶心的概率还小。弗里德曼方程无法解释这种巧合从何而来。[9]
1700917358
1700917359
无疑，阿兰声称，一定存在什么机制，导致我们的宇宙拥有一个正确的密度，不多不少，正好能保证宇宙早期保持绝对的平坦。
1700917360
1700917361
1秒的1035分之1，暴胀在须臾之间
1700917362
1700917363
连续翻倍的力量
1700917364
1700917365
阿兰提出的激进想法是假定了一个听起来十分古怪的前提，有了它，你不仅能一下子解决视界问题和平坦性问题，还能解开很多其他疑惑。这个前提就是，在很久很久以前，有一团微小而均匀的物质，它的密度很难被稀释。也就是说，如果一克这种物质的体积膨胀到两倍，它的密度（质量除以体积）基本上没有变化，于是，你就得到了两克物质。对比我们日常所见的普通物质，这大不一样。比如，当气体膨胀到更大的体积（就像从轮胎里放出压缩空气），由于气体分子总数保持不变，所以总质量也保持不变，由于体积增大，那么密度就会降低。
1700917366
1700917367
根据爱因斯坦的引力理论，这样一团不可稀释的物质可能会经历最震撼人心的爆炸，也就是阿兰所说的暴胀，这样，大爆炸应运而生！爱因斯坦的方程有一个解，其中，这团不可稀释的物质中的每个地方每次膨胀到两倍所花费的时间间隔都相同（见图4-4），这种类型的增长被数学家称为“指数级增长”。在这种情境中，我们的婴儿宇宙成长的方式与你在娘胎里的发育过程很相似（见图4-5）。每天，你的每个细胞基本上都会生成两个细胞，导致细胞总数每天都在翻倍：1个、2个、4个、8个、16个……连续的翻倍是一个强大的过程。如果你每天的重量都翻倍的话，早在你出生前，你母亲就已经受不了了——经过怀胎9月（也就是274次翻倍），你的重量将超过可观测宇宙中的所有物质之和！听起来很疯狂，但这正是阿兰提出的暴胀过程所描述的故事：从一个比原子还轻小的微粒开始，不断翻倍，直到比整个可观测宇宙还重。
1700917368
1700917369
1700917370
1700917371
1700917372
图4-4 根据爱因斯坦的引力理论，密度不可稀释的物质可能会发生“暴胀”，以相同的时间间隔不停地将体积翻倍，瞬间就从亚原子的尺度成长到比整个可观测宇宙还大的尺度，点燃了大爆炸的火种。这种连续的翻倍发生在所有的3个维度，所以，边长翻1倍意味着体积增加到8倍。这张图里，为了简化，我只画出了2个维度，其中边长翻1倍，体积增加到4倍。
1700917373
1700917374
1700917375
1700917376
1700917377
图4-5 暴胀理论认为，婴儿宇宙的成长过程与人类婴儿的发育过程很相似——在大小或尺度不断翻倍的加速增长阶段之后，紧接着一个比较从容不迫的减速增长阶段。有趣的是，上面两张图的纵坐标是相同的——在最简单的模型中，宇宙长到橙子那么大时将停止暴胀（但质量可比橙子大了不止1081倍）。我们的婴儿宇宙的尺度翻倍速度比胎儿最早的细胞快了大约1043倍。
1700917378
1700917379
问题解决了
1700917380
1700917381
你在图4-4中可以看到，尺度的不断翻倍会导致膨胀速度的翻倍，我用箭头标注出来了。也就是说，它引发了加速膨胀。如果你在出生前保持每天将质量翻倍，那一开始，你膨胀的速度是很慢的（每天只增加几个细胞）。但是，到你母亲怀孕的后期，当你已经膨胀到比整个可观测宇宙还重时，如果你还是每天都翻倍，你膨胀的速度将会大到令人难以置信，因为你每天将要膨胀几十亿光年。你翻倍的时间间隔是1天，然而暴胀婴儿宇宙质量翻倍的时间可比你短多了——在最流行的一些暴胀理论中，宇宙质量翻倍仅需要10-38秒，仅需260次翻倍就能膨胀到今天可观测宇宙的尺度。也就是说，整个暴胀过程，从开始到结束，用人类的标准来看只是短短的须臾之间，整个过程不到10-35秒，比光前进10-12个质子的距离所花的时间还短。换句话说，指数级膨胀在细微之物中产生了震天撼地、快速膨胀的爆炸。这样，暴胀解决了我的“爆炸问题”，解释了是什么导致了大爆炸——正是这种连续翻倍的过程。它还解释了为什么爆炸是均匀发生的，就像埃德温·哈勃发现的那样，图4-4中，两倍远的区域相互远离的速度正好也是两倍快。
1700917382
1700917383
在图4-5中，你可以看到，婴儿宇宙的暴胀慢慢停止了，就像婴儿发育到后期，指数型增长就被更加缓慢的增长所代替。暴胀的物质衰变为普通物质，它们继承了爆炸式暴胀阶段所带来的初速度，以更加舒缓的节奏继续膨胀，并逐渐被万有引力所减速。
1700917384
1700917385
阿兰意识到，暴胀理论还能解决视界问题。在暴胀的早期，图4-2中相距甚远的区域A和区域B被挤压在极端靠近的地方，所以那时它们应该有足够的时间来相互作用。后来，爆炸式暴胀所带来的膨胀才让它们永远天各一方。对你来说，你鼻子上的细胞与脚趾上的细胞拥有相同的DNA，因为它们有一个共同的起源——它们都来自你的第一个细胞，也就是受精卵的不断翻倍。同样，宇宙中相隔甚远的区域拥有相同的特征，因为它们也有一个共同的起源——它们都来自最初那一小团暴胀物质的不断翻倍。
1700917386
1700917387
这还不够。阿兰发现，暴胀理论还能解决平坦性问题。假设你是一只小蚂蚁，居住在图1-7中的球面上。在你所栖身的这个曲面上，你的眼睛只能看见周遭的一小片区域。如果暴胀发生了，瞬间将这个球面膨胀得硕大无朋，那你目及之处的小片区域看起来就会变得更加平坦——乒乓球上的1平方厘米的区域非常明显地弯曲着，而地球表面的1平方厘米看起来却是完美地平坦。类似地，当暴胀过程猛烈膨胀了我们栖身的三维宇宙，其中的每立方厘米空间看起来都平坦得几近完美。阿兰证明，只要暴胀持续的时间够长，足够造就今天的可观测宇宙，那么空间也将变得平坦无比，直到今天也依然如此，而不会发生大挤压或大冷寂。
1700917388
1700917389
实际上，暴胀持续的时间比之更长，而且长多了。直到今天，空间依然保持着完美的平坦。也就是说，早在20世纪80年代，暴胀理论就提出了一个可检验的预测——宇宙应该是平坦的。正如我们在前两章看到的那样，我们对这个预测的检验误差已经减小到1%。暴胀理论通过了测试，胜利的旗帜在高高飘扬！
1700917390
1700917391
谁提供了终极的免费午餐
1700917392
1700917393
暴胀就像一场精彩的魔法表演。我的直觉反应是，这违反了物理定律！然而在明察秋毫之后，你会发现，它并没有违反物理定律。
1700917394
1700917395
首先，1克暴胀物质在膨胀时，怎么可能变成2克？毫无疑问，质量不可能凭空创生。有趣的是，爱因斯坦在狭义相对论中给我们留了一个后门。在狭义相对论中，能量E和质量m是相关联的，它们的关系可以用一个著名的方程来描述：E=mc2，其中c代表光速，c=299 792 458米/秒。由于光速c的数值非常庞大，所以一点点质量就对应着极其大量的能量——1 000克质量就能释放出相当于广岛原子弹的能量。这意味着，你可以通过增加能量来增加质量。比如，当你拉伸一根橡皮筋时，它的质量会增加一点点——因为你需要能量来拉伸它，这些能量赋予了橡皮筋，增加了它的质量。
1700917396
1700917397
橡皮筋拥有负压，因为你需要使劲才能拉伸它。拥有正压的物质来说（比如空气）则正相反——你需要使劲才能压缩它。总的来说，为了遵循物理定律，暴胀物质必须拥有负压，而这个负压必须非常庞大，这样将它的体积膨胀到2倍所需要的能量正好也能使它的质量翻倍。