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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%。
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另一个谜题是，能够解释对宇宙微波背景探测器测量的温度与密度的微小涨落的新事物 。只有可见物质以及如此微小的扰动，宇宙不可能得以坚持如此长时间，并使这些扰动可以增长得如此巨大以至于足够产生现在的结构。星系、星系团与测量到的微小涨落联合起来共同指向一种人类所未见的物质存在方式。
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事实上，远在宇宙微波背景探测器微波背景结果出来之前，科学家已经知道新的被称为暗物质的物质类型应该存在。我们即将介绍的其他观测已经暗示了另一种不可见物质必然存在。这种神秘物质，现在被称作暗物质，通过引力相互作用，但是与光没有相互作用。因为它既不发射光也不吸收光，它是不可见的而并非是暗的。暗物质（我们还将使用这个名称）目前除了引力效应（并且还很弱），没有其他可以触及它本质的性质特征。
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更有甚者，引力效应和测量显示，存在一种比暗物质还要更神秘的物质，我们称其为暗能量。这种能量弥漫在整个宇宙中，但是又不像一般的物质可以塌缩成团或者当扩张时变得稀薄。它很像使暴胀停止的能量，但是它今天的密度也比那时低了许多。
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虽然我们正活在一个宇宙学复兴时期，理论与观测已经发展到可以精确检验一个想法的程度，但是我们也同样生活在一个暗黑年代。大约23%的宇宙能量是暗物质，另外73%是神秘的暗能量（见图20-2）。
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图20-2 宇宙组成中普通物质、暗物质与暗能量的比例。
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上一次物理中出现一个被冠以“暗”字的东西还是在19世纪中期。当时，法国的勒维耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier）提出，有一个不可见的暗星球，并将其称为瓦肯星（Vulcan）。勒维耶的目标是解释水星的奇特轨道。勒维耶与英国的约翰·亚当斯（John C.Adams）此前曾经用海王星对天王星的影响推导出海王星的存在。然而对于水星的考虑，勒维耶完全错了。水星那奇异轨道的原因比存在另一个行星更令人激动。该解释只有在爱因斯坦建立相对论理论之后才被找到。事实上，广义相对论的第一个证据就是它可以正确预测水星的轨道。
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暗物质与暗能量可能是一些已知理论的结果。但是也可能这些宇宙失落的元素预示了重大的图景转变。只有时间能告诉我们什么样的选择将解决暗物质与暗能量的问题。
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即使如此，我还是认为暗物质很可能有更多的传统解释，与我们现在所知的物理定律相容。即使新物质按照我们所熟知的力的定律来相互作用，为什么所有物质都会呈现出与我们熟悉的普通物质一样的性质呢？简而言之，为什么所有物质都会与光有相互作用呢 ？如果说科学史曾经给过我们何种启示，那么相信“所见即所得”这种想法就是极其短视的。
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许多人却不这样认为。他们发现暗物质的存在非常神秘，并疑问：怎么可能绝大多数物质（是我们所能见到的物质的6倍）是我们无法用常规的望远镜观测到的？某些人甚至怀疑暗物质只是某种错误观念。我个人认为恰恰相反（虽然我承认不是全部的物理学家都能这样看待）。如果我们能看到的竟然是所有存在的物质，那么这可能更加令人吃惊。为什么我们就偏偏有最完美的感官来直接观测到一切的事物呢？并且物理学几个世纪的教训告诉我们：有多少东西曾被隐藏而未被人类所看见。从这个角度看，为什么我们所知道的物质竟然占据了所有物质能量的1/6之多？这是一个巧合吗？目前我和同事正努力想要理解这一点。
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我们知道，有些具有暗物质特性的东西必须存在。虽然我们没有严格“看见”它，却探测到了暗物质的引力效应。我们知道暗物质存在，因为不断拓展的观测证据表明它的引力效应存在于宇宙中。其存在性的第一个线索来自星系团中恒星的转动速度。1933年，弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）观测到星系团中的星系转动的速度比星系中只有可见质量造成的转动要快。很快，奥尔特（Jan Oort）观测到银河系也有类似的现象。兹威基很相信他的工作，他猜想宇宙中存在人们无法直接看到的暗物质。但是这两个观测结果并不是确凿无疑的。一个错误的测量或者一些其他星系的动力学看似更可能对此作出合理的解释，这比一些创造出来仅仅为了提供更多引力效应的不可见物质更合理。
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在兹威基做此测量时，他还没有足够的分辨率来看到单个的星体。更多有关暗物质的坚实证据来自观测天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin），20世纪60年代末70年代初，鲁宾对星系中的恒星转动做了非常细致的定量测量。起初看似无聊的研究结果，第一次作为暗物质存在的坚实证据出现。而鲁宾的研究在当时与其他天文学活动相比，属于鲜少有人问津的领域。鲁宾与肯特·福特（Kent Ford）的观测为兹威基早年的结论提供了确凿的证据。
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你也许会好奇，人们如何通过望远镜来看到暗的东西。答案是，它可以看到这些物质的引力效应 。星系的性质，例如它里面的恒星的转动速率，是由星系所含的物质决定的。如果只有可见物质，那么人们将认为，位于星系外围的恒星对星系引力的敏感程度会降低。然而，与位于中心附近的亮物质相比，远上10倍的恒星，仍然以与靠近中心的恒星一样的速度转动。这意味着质量密度并没有随着距离的增加而降低，至少在从星系中心到发光物质10倍远的距离上并没有降低。天文学家因此认为，星系主要由不可见的暗物质组成。我们可以看见的明亮物质固然是一个相当可观的部分，但星系中绝大多数物质都是不可见的——至少从字面意义上说是这样。
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我们现在有许多其他补充证据来证明暗物质的存在。一些最直接的证据来自透镜效应（见图20-3）。透镜效应是光线掠过一个质量巨大的物体时发生的现象。即使该物体本身不发光，它也对光线施加引力。引力会造成物体后面（从我们的角度来看）一个发光物体所发出的光线的弯曲。光线在不同方向的弯曲取决于它掠过暗黑物质的路径，透镜会在天空呈现原始物体的多个镜像。通过推导使这些可见光弯曲所需的引力，这些镜像让我们可以“看见”暗黑物体或者至少暗示了它的存在和性质。
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图20-3 光线掠过一个重的物质时，会发生弯曲，从一个观测者的角度，出现了多个原始天体的像。