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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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不断给予的礼物
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暴胀，从失败到返场
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与许多成功的科学理论一样，暴胀理论一开始很不顺利。它作出的第一个预测——宇宙空间是平坦的，似乎与日渐累积的观测证据不相符合。我们在上一章看到，爱因斯坦的引力理论认为，只有当宇宙密度等于一个特定的临界值时，空间才可能是平坦的。如果我们用符号Ωtotal（也可缩写为Ω）来表示我们的宇宙与这个临界值相比的倍数，那么暴胀理论预测到Ω=1。然而，当我还在上研究生时，通过对星系的观测以及其他越来越精确的数据，人们测算出一个低得多的值Ω≈0.25。那段时间，阿兰的地位十分尴尬，因为他穿梭于各个会议之间，坚持不懈地声称Ω=1，全然不顾实验物理学家们的结论。幸好阿兰坚守住了自己的阵地，历史证明，他是正确的。正如我们在上一章所看到的那样，暗能量的发现表明之前算出的结果只占真实密度的25%。当我们把暗能量考虑进去时，便得到了Ω=1，误差小到低于1%（见表3-1）。
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暗能量的发现瞬间提升了暴胀理论的可信度，再加上一些其他原因，人们已不能再对不可稀释物质的假定置之不理，也不再认为它疯狂至极、不切实际，因为这种物质不是别的，正是暗能量！这样，就像140亿年前的暴胀开启了大爆炸新纪元一样，一个属于暴胀理论的新时代终于拉开了序幕！这个由暗物质驱动的暴胀与之前的理论很相似，只不过动作放慢了很多——它每次翻倍的时间并不像之前所认为的那样短于眨眼之间，而是长达80亿年。所以，关于暴胀，最有趣的争论不再是它是否发生过，而是它发生了一次还是两次。
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播撒涨落的种子
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成功的科学理论都有一个特点，那就是，它们对人们的滴水之恩总是涌泉相报。阿兰只用了一个假定（一小团难以稀释的物质）就解决了三个宇宙学难题——大爆炸、视界问题和平坦性问题。之前我们还看到，暴胀理论的裨益不止如此，它还预测了Ω=1，这个预言在大约20年后得到了观测的证实。然而，这并不是故事的全部。
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上一章结束时，我们提出了一个疑问，星系和宇宙大尺度结构到底从何而来？出乎所有人的意料，暴胀理论竟然也能回答这个问题！它给出的答案简直令人震惊！这个想法最初是由两位俄罗斯物理学家提出的，他们是盖纳迪·西比索夫（Gennady Chibisov）和维亚切斯拉夫·穆哈诺夫（Viatcheslav Mukhanov）。当我第一次听到他俩的想法时，我认为十分荒谬。而现在，我把它看作科学史上最激进而美丽的思想综合体的最主要的候选者。
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简而言之，这个答案就是，宇宙涨落的种子来自量子力学，这是关于微观世界的理论，我们将在第6章和第7章进行探索。但是，大学课堂教的知识告诉我，量子效应只对非常微小的事物能产生重要作用，比如原子，那它们如何能影响星系这样的极大之物呢？其实，暴胀理论最华美之处就在于，它将极大和极小的尺度连接起来了——在暴胀的早期，今天银河系所占据的空间比一个原子还小许多，所以量子效应变得不可忽视。事实正是如此。我们在第6章将看到，量子力学中所谓的“海森堡不确定性原理”（Heisenberg uncertainty）阻碍了所有物质（包括暴胀物质）变得绝对均匀。如果你想让它变均匀，量子效应将迫使它开始左摇右摆，四处扭动，破坏掉均匀性。当暴胀将这团亚原子区域拉扯今天的整个可观测宇宙时，量子力学印入其中的密度涨落也被拉伸到星系甚至更大的尺度。正如上一章所说，其他一切事情就交给万有引力的不稳定性了，它将量子力学赋予的0.002%的微小起伏放大到令人叹为观止的星系、星系团和超星系团，装点了我们今天璀璨的夜空。
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最棒的是，这不只是定性的冗长描述，而是一个严格的定量理论，其中的一切都可以精确地计算出来。我在图3-2中画出的频谱曲线是对最简单的暴胀模型的理论预测，我发现它与实际测算的结果非常吻合。暴胀模型还预测了三个我在表3-1中列出的宇宙学常数，其中一个常数Ω=1我已经提到过；另外两个常数涉及宇宙聚集模式的性质，我们在上一章曾讨论过这个话题。在最简单的暴胀模型中，种子聚集（表3-1中用Q表示）的幅度取决于暴胀区域尺度翻倍的速度。当翻倍的时间约等于10-38秒时，预测值和观测值正好相吻合：Ω≈0.002%。
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暴胀还对种子聚集的“倾斜度”常数（表3-1中用n表示）作出了有趣的预测。为了理解这点，我们需要看看图4-6中那锯齿状的边缘，数学家称之为自相似、分形或尺度不变性。这些词语的意思都是说，如果我放大这张图像的一部分，你将无法分辨出放大图和原图之间的差异。当我将这个放大的过程一直重复下去，你会发现，哪怕把曲线放大1万亿倍，也和原来的整条曲线一模一样。有趣的是，暴胀理论预测，我们的婴儿宇宙也可以被近似看成是尺度不变的。从这个意义上说，如果你随机挑选出1立方厘米空间，将其中一部分放大，你将无法分辨放大部分和原来的1立方厘米有什么区别。这是为什么呢？原来，在暴胀统治的时代，从本质上说，放大宇宙与宇宙尺度翻倍是等价的。所以，如果你坐时间机器回到暴胀的纪元，如果你看到涨落的统计特征具有尺度不变性，就相当于这些特征不随时间而变化。但是，暴胀预言，这些特征之所以不随时间而变化，是因为一个很简单的原因：产生量子涨落的区域附近的物理条件也几乎不随时间变化，因为暴胀物质的密度等特征并不会发生显著的改变。
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表3-1中的倾斜度n表示的是暴胀宇宙的尺度不变性。它表征了大尺度和小尺度上聚集程度的对比，我们将n=1定义为完美的尺度不变（即任何尺度上的聚集程度都完全一样），n＜1代表大尺度下的聚集更多，n＞1则表示小尺度上拥有更多的聚集。穆哈诺夫等暴胀理论先驱预言n会相当接近1。第3章里我曾讲到，我和朋友泰德偷偷摸摸地使用了教授的“魔豆”计算机，那时，我们的目的正是为了计算当时最精确的n值。我们得出的结论是n=1.15±0.29，这个值与1很接近了。看起来，暴胀理论的这个预测似乎不赖。
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图4-6 这个所谓的“雪花分形”（snowflake fractal）由瑞典数学家海里格·冯科赫（Helge von Koch）所发明。它拥有不可思议的特征，它与自身放大后的一部分完全相同。与之类似，暴胀理论预言到，至少从近似的统计学意义上来说，我们的婴儿宇宙也与自身放大后的一部分别无二致。
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对n的探索变得越来越有趣。由于暴胀终有完结的一天，所以暴胀物质还是会在暴胀过程中逐渐被稀释，否则，一切都将不会改变，暴胀将永远持续下去。在最简单的暴胀模型中，密度降低也会导致涨落幅度的下降。这意味着，越往后，涨落的幅度越小。但是，在暴胀结束前，后期产生的涨落被拉伸的程度大不如前，所以它们对应着今天的较小尺度。这一切的结果是预测出n＜1。为了作出更具体的预测，你需要知道暴胀物质是由什么组成的。在这样的模型中，最简单的一个是由安德烈·林德（见图4-1）最先提出的，行话称为“二次势标量场”（scalar field with quadratic potential，本质上看，可以把它看成电磁场的“兄弟假说”），它预测了n=0.96。现在，再看看表3-1，你会发现n的数值已经比我们的“魔豆”时代精确了60倍，最新的值是n=0.96±0.005，已经直逼预测值了！
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