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1秒的1035分之1，暴胀在须臾之间
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连续翻倍的力量
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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。
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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。
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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。
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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。
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问题解决了
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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。
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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。
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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。
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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。
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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！
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谁提供了终极的免费午餐
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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。
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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。
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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。
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暴胀还有一个奇妙的特性：它引起了加速膨胀。高中物理课老师教导我们，万有引力是一种吸引力，那它为何不让宇宙的膨胀减速、最终把所有物质都拉到一起呢？对此，爱因斯坦又为我们提供了另一个后门，这次，是在他的广义相对论上。广义相对论认为，万有引力不仅仅是由质量引起的，还是由压力引起的。由于质量不可能是负的，所有质量所引起的引力永远是相互吸引。正压能带来相互吸引的万有引力，而我们刚刚才说到，暴胀物质拥有极大的负压。阿兰计算出，负压引起的互斥万有引力比质量引起的相吸万有引力强3倍，所以，暴胀物质的万有引力将把它自己炸得四分五裂！
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总而言之，暴胀物质产生的反引力把自身炸开了花，与此同时，膨胀所消耗的能量创造出了足够的新质量，使这些物质保持着恒定的密度。这是一个自我维持的过程，暴胀物质持续地尺度翻倍。这样，几乎从完全的虚无中，暴胀创造出了我们用望远镜可以观测到的一切。这促使阿兰把我们的宇宙比作“终极的免费午餐”——暴胀理论预测的总能量几乎等于零！
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不过，根据诺贝尔经济学奖获得者米尔顿·弗里德曼（Milton Friedman）的说法，“世上没有免费的午餐”，所以，到底是谁为宇宙中壮丽的星系埋单了呢？答案是，万有引力。正是万有引力拉扯着暴胀物质，向其注入了能量。但是，根据爱因斯坦的方程E=mc2，有质量的物体具有正能量，如果万物的总能量不改变，这意味着引力必须拥有与前述正能量相等的负能量！事实正是这样。所有万有引力的来源都是引力场，而引力场正好具有负能量。每一次有物体被引力所加速，负能量就增加一点。
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举个例子，一颗遥远的小行星。如果它运动得很缓慢，它的动能就很小。如果它远离地球的引力，它的引力能（也被称为“势能”）也很小。如果它缓缓地朝向地球而来，它的速度将越来越大，动能也将随之增大——也许能在地面上撞出一个大坑。由于引力场一开始几乎没有能量，随着后来释放出这些正能量，它只剩下了负能量。
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现在，我们可以解决第1章开头提出的问题11了：通过暴胀，宇宙从虚无中生出我们周遭的万物，这难道不违背能量守恒定律吗？我们已经知道，这个问题的答案是“不违背”——所需的所有能量都是向引力场借来的。
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我必须承认，虽然这个过程并不违反物理定律，但它令我很紧张。我无法摆脱一个不安的感觉，即我活在一个宇宙尺度的庞氏骗局中。如果你在2008年伯尼·麦道夫（Bernie Madoff）因欺诈650亿美元而被逮捕前拜访他，你可能会认为他真的坐拥实实在在的亿万美元资产。但如果你仔细审查一番，就会发现，他的资产都是用借债买来的。通过狡猾的杠杆，他用之前借来的钱向天真的投资者举债，操纵的规模也翻了好几番。暴胀中的宇宙也做了同样的事——它用已有的能量，从引力场借来更多的能量，使自己的尺度不停翻倍。暴胀宇宙像麦道夫一样，利用了系统中固有的不稳定性，从一片虚无中创造出了壮美宏大的万物。我只希望我们的宇宙别像麦道夫那么不靠谱……
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