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当我还在麻省理工学院当教授时，物理系三楼已经没有多余办公室给粒子物理学家了。因此我搬到二楼阿兰·古斯（Alan Guth）办公室旁边的一间专门接待理论天文学家和宇宙学家的开放办公室中。虽然阿兰最早从事的是粒子物理学研究，但是他现在却是最优秀的宇宙学家之一。在我换办公室时，我已经对粒子物理学与宇宙学之间的联系展开了一些探索。当你的邻居和你有着相同的兴趣时，继续开展这样的研究会容易得多。而这些相同的兴趣还包括他与你一样，办公室也是乱糟糟的，你会觉得到他的办公室就好像到家里一样舒服。
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许多粒子物理学家则迈得比一层楼远得多了，他们已经穿越到了各种不同的科研领域中。全球生物技术产生巨擘生物基因爱迪克公司（Biogen Idec）的创始人之一沃利·吉尔伯特（Wally Gilbert），也是粒子物理学家出身，但他后来转到生物学领域，而他获得诺贝尔奖的原因却是化学研究。许多粒子物理学出身的人也追随他的脚步转行到生物学领域。另一方面，我的许多研究生离开粒子物理学领域后去了华尔街做宽客（quant）[74] ，他们能为将来的市场变化做分析投注。他们只是选择了正确的时间采取这样的行动，因为用新的金融工具来对冲这种投注刚好适时地发展了起来。在转向生物学领域的过程中，一些思考和组织问题的方法可以平移过去；而在转向金融的过程中，一些方法和方程也是一样的。
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粒子物理学与宇宙学的交叉比上面所说的两种情况更深刻、更丰富。一个对于宇宙在不同尺度上的更细致观察，为小尺度上的基本粒子与大尺度上的宇宙建立了许多联系。毕竟宇宙是独一无二的，它包含了一切。粒子物理学家看向物质的内部时，他们询问物质核心的基本物质组成是什么类型；而宇宙学家看向物质的外部时，他们思考世界的外部是什么、它们是怎样演化出来的。宇宙的奥秘（主要是它由什么组成）对于宇宙学家和粒子物理学家都一样重要。
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两种研究人员都探索基本结构、应用基本的物理定律。每一方都要考虑另一方的研究成果。粒子物理学家所研究的宇宙成分也是宇宙学家的一个重要研究方向。更进一步地，将广义相对论与粒子物理学结合起来的自然定律描述了宇宙的演化，因为两种理论都正确而且都适用于宇宙。同时，弄清宇宙的演化可以限制存在于宇宙中的物质的性质，避免那些与观测到的历史相违背的假设。宇宙从某种意义上说，是第一个也是最强有力的粒子加速器。在其演化的早期，宇宙的能量与温度都非常高，今天加速器可以达到的高能量就是为了能在地球上重现宇宙当时的一些条件。
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近几年各种研究兴趣都不约而同地汇聚到一起，产生了许多研究硕果并引发了对将来工作的启示，而这种势头还将持续下去。本章思考的是一些宇宙学中的重大问题，它们令宇宙学家和粒子物理学家一起来探索。这些交叉领域包括：宇宙暴胀、暗物质以及暗能量。我们将考虑这些现象中我们所知道的方面（更重要的是抛砖引玉），以及那些我们未知的方面。
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宇宙暴胀理论
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即使还不能知道宇宙最初发生了什么，由于需要一个包容性很强的理论来涵盖量子力学与引力，我们也可以相当确定地断言在非常早的时期（也许在宇宙开始演化的前10-39秒），一个被称为“宇宙暴胀”的现象开始了。
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1980年，阿兰·古斯率先提议这种情景，他认为非常早期的宇宙必不可少地经历了向外爆炸式的扩张。有趣的是，他最初试图解决的是一个粒子物理学问题，其涉及大统一理论的宇宙学效应。由于具有粒子物理学背景，阿兰所采用的方法根源于场论——将狭义相对论与量子力学结合起来的理论，粒子物理学家都采用该理论来做计算。他却推导出了一个全新的理论，革新了我们关于宇宙学的思考方法。暴胀是如何以及何时产生的仍处于猜想阶段，但是在这种爆炸式扩张驱动之下的宇宙应该留下清晰的证据，而许多证据现在已经被找到。
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在标准的大爆炸情景中，早期宇宙的增长是温和而平稳的，例如，随着它的年龄增长4倍，它的尺度会翻倍。但是在一个暴胀时期，空间经受了令人难以置信的迅速膨胀期——随着时间增长，空间尺度以指数增长。宇宙在给定的一段时间内尺度翻倍，然后在同样的时间段尺度再翻倍，并且在后续的至少90个这样的时间区域上持续翻倍90次[75] ，一直到暴胀期结束，而当时的宇宙已经如我们今天所见到的一样均匀了。这种指数增长的膨胀意味着如果宇宙的年龄增长60倍，宇宙的尺度就会增长一万亿亿亿亿倍。而没有暴胀，尺度只会是原来的8倍。在某种意义上讲，暴胀是这个从小到大演化故事的起源，它至少是我们可以有机会通过观测来理解的部分。初始巨大暴胀式的扩张会将组成宇宙的物质和辐射稀释到几乎为零。因此我们现今所观测到的宇宙的一切必定来自于暴胀之后，驱动暴胀的能量重新转化成物质和辐射。在该时间点上，传统的大爆炸演化才开始掌权，而宇宙开始了它的进一步膨胀，直到今天给出我们所见的结构。
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宇宙暴胀
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该理论认为，宇宙初期经历了一个暴胀时期，其速度非常快，使得宇宙的尺度在极短的时间内增大了几十个数量级。
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我们可以将暴胀想成是“爆炸”，根据传统大爆炸理论，它是宇宙演化的前锋，它不是真正的开端。我们其实不知道量子引力起作用时发生了什么，但它标志着大爆炸的演化阶段开始——物质开始冷却以及最终聚合起来。
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暴胀也部分地回答了为何“存在一些事物”而非“任何事物都不存在”。巨大能量密度中的一部分储存在暴胀中，其按照E=mc2 公式转化成物质，这些物质后来演化成我们今天看到的物质。在本章结尾时我会提到，物理学家仍希望知道为什么宇宙中的物质比反物质多得多。但是不管对此问题的解答如何，根据大爆炸理论的预测，我们知道的物质在宇宙暴胀结束之后就立即开始演化了。
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暴胀是一个“自下而上”的理论。它解决了传统大爆炸理论中的重要问题，但只有很少人相信有关它是如何出现的任何模型。目前，还没有令人信服的高能理论能明显蕴含暴胀理论 。因为建立一个可信的模型实在是太具有挑战意味，所以许多物理学家（包括那些当我还是研究生时就已经在哈佛大学做研究的人）怀疑这种想法。另一方面，在斯坦福大学任教的俄裔美籍物理学家安德烈·林德（Andrei Linde），是最早从事暴胀理论研究的人员之一，他认为暴胀理论必然是正确的，仅仅因为迄今为止还没有人能发现其他任何可以解决宇宙尺度、形状与均匀性的理论，而暴胀理论都能给出解释。
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暴胀是一个关于真与美连接或其缺乏连接的有趣实例。宇宙的指数级增长优美而简洁地解释了许多有关宇宙演化的现象，而在理论上研究那些可以自然导出指数级增长的模型又不怎么优美。然而最近，绝大多数物理学家，即使还不满足于大多数模型，也开始相信暴胀理论或者某些类似于暴胀的理论。近几年的观测已经明确了大爆炸宇宙学图像的早期呈现暴胀。许多物理学家现在相信大爆炸演化和暴胀都发生了，因为基于这些理论的预测已经得到了可观的精确鉴定。暴胀理论背后的真实模型还没有得到解决，但是目前指数级增长已经得到了很多证据支持。
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宇宙暴胀的一种证据与偏离完全均匀性有关，它由第19章介绍的宇宙微波背景辐射给出。背景辐射可以告诉我们的不仅仅是大爆炸。它的美在于，它本质上是宇宙非常早期（比恒星的形成更早）的一张快照，让我们可以直接回顾到宇宙仍然光滑的初始结构。宇宙微波背景测量也揭示了一些与完全均匀性的偏离。暴胀预言了该偏离，由于量子涨落使得暴胀在宇宙不同区域结束的时间有些许差别，因此造就了对于绝对均匀的微小偏差。设置在卫星上的威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP），它以开创了此项目的普林斯顿物理学家大卫·威尔金森（David Wilkinson）命名。它作出了细致的测量，使得暴胀的预测可以与其他可能性区分开来。尽管暴胀发生在很久以前，那时宇宙的温度极高，基于暴胀宇宙学的理论却预言了温度变化规律的精确统计性质，它在今天的天空上印刻下了辐射的图像。威尔金森微波各向异性探测器测量在温度与能量密度上微小的非均匀性，它比以往的探测的精度更高，角度范围更小。测量得到的图案与暴胀理论的预期一致。
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威尔金森微波各向异性探测器提供给的关于暴胀的主要确证是关于宇宙极端平坦性的测量结果。爱因斯坦告诉我们，空间可以是弯曲的（见图20-1中的弯曲二维表面）。曲率由宇宙的能量密度决定。当暴胀最早被提出时，宇宙被认为膨胀得太快以至于任何曲率都会被消耗殆尽，然而那时的测量精度远不能检验暴胀的预言。微波背景测量现在证明，宇宙在1%的精度上是平坦的，如果没有一个基本的物理解释，那这一点令人难以置信。
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图20-1 具有零、正、负曲率二维表面。宇宙也可以是弯曲的，但它具有四维时空，很难画在图上。
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宇宙的平坦性是暴胀宇宙学取得的一个巨大胜利 。如果宇宙不是那么平坦的，那么暴胀理论就已经被否决了。威尔金森微波各向异性探测器测量也是科学史上的一次胜利。当理论物理学家首先提出具体测量微波背景的方案——即最终可以告诉我们宇宙几何的方法，每一个人都认为它的趣味性足够引起科学界的注意，然而在短期内要获得成果从技术上讲太困难了。10年间，伴随着对所有期望的困惑，观测宇宙学家终于作出了必要的测量，并且提供给了我们宇宙如何演化的惊人启示。威尔金森微波各向异性探测器仍将提供新的结果，对全天温度变化展开细致的测量。而现在运行的普朗克卫星正在以更高精度测量这些量子涨落。宇宙微波背景的测量已经被证明是我们洞察早期宇宙的主要资源，而且它还将继续测量下去。
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近来宇宙学家细致地研究了全天遗留的宇宙辐射，使得我们对宇宙及其演化的量化知识发生了又一次巨大的跳跃。辐射的细节已经提供了关于我们周遭的物质与能量的丰富信息。宇宙微波背景除了告诉我们光线开始向我们发射的条件，还告诉我们光线所穿越的宇宙信息。假如宇宙在过去137.5亿年有所改变，或者它的能量与我们所期望的不同，那么相对论告诉我们，它会影响光线所走的路线，并且影响所测到的辐射的结果。因为它是一个十分敏感的宇宙能量探针，微波背景向我们提供了宇宙组成的信息。这些组成还包括我们接下来要介绍的暗物质与暗能量。
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暗黑之心
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宇宙微波背景除了成功地确证了暴胀理论，它的测量还呈现给宇宙学家、天文学家和粒子物理学家几个主要的谜题。暴胀告诉我们，宇宙应该是平坦的，但它没有告诉我们使宇宙平坦的能量在哪里 。不管怎样，基于广义相对论的爱因斯坦方程，我们可以计算出使宇宙平坦的能量，然而已知的可见物质只提供了所需能量的4%。