“我必須對(duì)你表示感謝，”夏洛克·福爾摩斯說道，“因?yàn)槟阕屛覍?duì)這個(gè)稍顯有趣的案子產(chǎn)生了興趣。”

——《巴斯克維爾的獵犬》（The Hound of the Baskervilles）

宇宙是以何種方式、何種原因并從何時(shí)開始的？它到底有多大？是什么形狀？由何種物質(zhì)構(gòu)成？這些問題是任何一個(gè)擁有好奇心的孩子都可能會(huì)提出的，同時(shí)也是數(shù)十年來現(xiàn)代宇宙學(xué)家上下求索的。對(duì)于暢銷書作家和記者而言，宇宙學(xué)的一個(gè)吸引人之處在于，該學(xué)科最前沿的許多問題都很容易表述；而其他前沿科學(xué)領(lǐng)域，比如量子電子學(xué)、DNA測(cè)序、神經(jīng)生理學(xué)或者數(shù)學(xué)，專家提出的問題很難用通俗易懂的語言傳達(dá)給大眾。

20世紀(jì)早期，哲學(xué)家和天文學(xué)家尚未對(duì)“空間是絕對(duì)固定的”這一概念提出質(zhì)疑。他們認(rèn)為，在這個(gè)絕對(duì)固定的舞臺(tái)上，恒星、行星和其他所有天體都只是沿著各自的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)。但到了20世紀(jì)20年代，這種對(duì)宇宙的簡(jiǎn)單描述開始發(fā)生改變。首先是物理學(xué)家開始探索愛因斯坦的引力理論會(huì)帶來什么結(jié)果，并獲得相應(yīng)的啟發(fā)；其次是美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃通過對(duì)遙遠(yuǎn)星系中恒星光線顏色的觀測(cè)，獲得重大發(fā)現(xiàn)。

哈勃利用了波的一個(gè)簡(jiǎn)單性質(zhì)：如果波源遠(yuǎn)離接收器，接收器收到的波的頻率就會(huì)下降。如果你想觀測(cè)這一性質(zhì)，可以在一潭靜止的水里上下擺動(dòng)手指，看著波峰移動(dòng)到水面的另一個(gè)點(diǎn)，然后將手指朝遠(yuǎn)離接收點(diǎn)的方向移動(dòng)。相比于原先移動(dòng)的那個(gè)點(diǎn)，此時(shí)接收器接收到的波的頻率就會(huì)變低，而當(dāng)你的手指靠近接收點(diǎn)時(shí)，接收到的波的頻率就會(huì)增高。所有的波都具有這種性質(zhì)。這一性質(zhì)在聲波中的體現(xiàn)就是火車?guó)Q笛或者警笛的音調(diào)變化。光也是一種波，當(dāng)光源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)，光波頻率降低，這意味著被觀察的可見光顏色會(huì)微微變紅，這種現(xiàn)象被稱為“紅移”。當(dāng)光源靠近觀察者時(shí)，接收頻率增高，可見光的顏色則變藍(lán)，這種現(xiàn)象被稱為“藍(lán)移”。

哈勃發(fā)現(xiàn)，星系發(fā)出的光呈現(xiàn)出系統(tǒng)性的紅移現(xiàn)象。通過測(cè)量紅移的程度，他可以確定光源后退的速度。同樣，通過比較同一類恒星（內(nèi)在亮度相同的恒星）的視亮度，可以推斷出它們與地球的相對(duì)距離。他發(fā)現(xiàn)，光源距離地球越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離的速度就越快。這一趨勢(shì)被稱為“哈勃定律”，該定律用數(shù)據(jù)來說明如圖1-1所示。

圖1-2展示了從遙遠(yuǎn)星系接收到的光信號(hào)的例子，與實(shí)驗(yàn)室中相同原子發(fā)出的光相比，這些來自遙遠(yuǎn)星系的原子在光譜上向紅色方向移動(dòng)。

哈勃發(fā)現(xiàn)的是膨脹的宇宙。在這之前，人們認(rèn)為宇宙是一個(gè)恒常不變的舞臺(tái)，行星和恒星在其中進(jìn)行著可觀察的固定運(yùn)動(dòng)，而哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙是動(dòng)態(tài)的、變化的。這是20世紀(jì)科學(xué)界的最大發(fā)現(xiàn)，它證實(shí)了愛因斯坦廣義相對(duì)論對(duì)宇宙的預(yù)言：它不可能是靜止的。因?yàn)槿绻窍甸g不相互遠(yuǎn)離，彼此之間的引力會(huì)使它們聚集在一起。所以宇宙不可能是靜止不動(dòng)的。

如果宇宙正處于一種膨脹的狀態(tài)，那么當(dāng)我們倒轉(zhuǎn)歷史、回顧過去時(shí)，就應(yīng)該能找到證據(jù)證明宇宙起源于一種體積更小、密度更大的狀態(tài)——該狀態(tài)的尺寸似乎為零。這個(gè)假設(shè)后來被稱為“宇宙大爆炸”。

我們?cè)谟钪嫜芯糠矫娴牟椒ミ~得有點(diǎn)大。對(duì)于宇宙現(xiàn)階段的膨脹現(xiàn)象，還有許多重要方面值得探究，因此，當(dāng)下我們不應(yīng)該一頭扎進(jìn)對(duì)宇宙過去的鉆研之中。首先，我們要搞清楚到底宇宙中的什么東西在擴(kuò)張。在電影《安妮·霍爾》中，伍迪·艾倫靠在沙發(fā)上表達(dá)他對(duì)宇宙膨脹的焦慮：“毫無疑問，宇宙膨脹意味著布魯克林（紐約市的一個(gè)區(qū)）正在膨脹，你我在膨脹，所有人都在膨脹。”但值得慶幸的是，他的擔(dān)憂是錯(cuò)的。我們沒有膨脹，布魯克林沒有，地球沒有，太陽系也沒有。事實(shí)上，銀河系也并未膨脹，甚至成千上萬個(gè)星系聚集在一起被我們稱為“星系團(tuán)”的集合也沒有膨脹。這些物質(zhì)的集合在化學(xué)鍵力和引力的作用下緊密地結(jié)合在一起，它們的相互作用比宇宙膨脹的力更大。

只有當(dāng)我們站在大規(guī)模的星系的尺度上時(shí)，才會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹力超越了局部引力。例如，與我們相鄰的仙女座星系正向銀河系移動(dòng)，因?yàn)橄膳窍岛豌y河系之間的引力大于宇宙的膨脹力。星系群是宇宙膨脹的標(biāo)尺，膨脹的并非星系本身。我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行類比，比如位于正在膨脹的氣球表面的塵埃。氣球不斷膨脹，表面的塵埃也會(huì)散開，但每個(gè)塵埃微粒本身并不會(huì)以同樣的方式膨脹。塵埃的作用就是標(biāo)記氣球表面被拉伸的距離。同樣，我們最好將宇宙的膨脹看作星系群之間空間的擴(kuò)展，如圖1-3所示。

我們可能會(huì)擔(dān)心所有星系都在遠(yuǎn)離地球這一事實(shí)造成的后果。但星系遠(yuǎn)離的為什么是地球呢？如果我們對(duì)科學(xué)史有一丁點(diǎn)兒了解，就必然知曉，哥白尼證明地球并非宇宙的中心。如果我們認(rèn)為宇宙的一切都在離地球遠(yuǎn)去，實(shí)質(zhì)是又把地球置于了無限宇宙的中心位置。但事實(shí)并非如此。膨脹的宇宙不像大爆炸一樣在空間中存在某個(gè)起點(diǎn)。宇宙并非從某個(gè)固定的背景空間開始膨脹，宇宙包含了所有膨脹的空間。

請(qǐng)將空間想象成一片彈性薄板，任何物質(zhì)在這個(gè)可延展的空間上的存在和運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生凹痕和彎曲。宇宙彎曲的空間就像四維球體的三維表面，這是我們無法直觀看到的。但如果將宇宙想象成一個(gè)平面，一個(gè)只有兩個(gè)維度的空間，那它就近似于一個(gè)三維球體的表面。

設(shè)想這個(gè)三維的球體表面正在變大，就像圖1-3中膨脹的氣球一樣。氣球的表面是一個(gè)膨脹的二維宇宙，如果我們?cè)谏厦鏄?biāo)記兩個(gè)點(diǎn)，當(dāng)氣球充氣時(shí)，這些點(diǎn)就會(huì)相互遠(yuǎn)離。如果在氣球表面標(biāo)記許多點(diǎn)后再充氣，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，無論你將自己放在氣球表面何處，當(dāng)氣球膨脹時(shí)，除你之外的所有其他點(diǎn)都會(huì)離你遠(yuǎn)去。

你也會(huì)發(fā)現(xiàn)哈勃的膨脹定律：與那些相距較近的點(diǎn)相比，相距更遠(yuǎn)的點(diǎn)之間在以更快的速度相互遠(yuǎn)離。從這個(gè)例子中我們可以看到，雖然氣球的表面代表空間，但氣球膨脹的中心根本不在表面。氣球的表面不存在膨脹的中心，也沒有任何邊緣，因此你不可能從宇宙的邊緣掉下去。宇宙不會(huì)膨脹成任何東西，因?yàn)橛钪婢褪且磺小?/p>

至此，我們會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題：宇宙的膨脹是否會(huì)無限地持續(xù)下去？如果我們將一塊石頭扔到空中，它會(huì)被地球的引力拉回來，扔的力量越大，傳遞給石頭的能量就越多，它在被拉回地球之前所能達(dá)到的高度就越高。現(xiàn)在我們知道，如果以超過11.2千米/秒的速度發(fā)射一個(gè)物體，它就能脫離地球引力。這便是火箭的關(guān)鍵發(fā)射速度，太空科學(xué)家稱之為脫離地球引力的“逃逸速度”。

上述觀點(diǎn)也適用于任何被引力阻礙的爆炸或者膨脹著的物質(zhì)系統(tǒng)。如果物質(zhì)向外的動(dòng)量超過了引力內(nèi)拉所產(chǎn)生的能量，該物質(zhì)便會(huì)超越逃逸速度，繼續(xù)膨脹。但是，如果引力在該物質(zhì)各部分間產(chǎn)生的力較大，則這個(gè)正在膨脹的物體最終會(huì)重回原點(diǎn)，就像在地球上扔石頭一樣。膨脹的宇宙也是如此。宇宙膨脹之初也有一個(gè)臨界啟動(dòng)速度，如果膨脹的速度超過該值，那么宇宙中所有物質(zhì)的引力將無法阻止膨脹，并且宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去。相反，如果膨脹速度小于臨界值，膨脹將停止并發(fā)生逆轉(zhuǎn)，最終收縮到尺寸為零的狀態(tài)，也就是它的初始狀態(tài)。

這兩種情況之間存在著所謂的“英國(guó)式的折中宇宙”（British compromise universe），它膨脹的速度剛好符合臨界啟動(dòng)速度，即保持使宇宙永遠(yuǎn)膨脹的速度最小值（見圖1-4）。關(guān)于宇宙的最大謎團(tuán)是，它目前正逐漸逼近這個(gè)臨界值，事實(shí)上，宇宙膨脹的速度太接近臨界值，使我們無法肯定宇宙現(xiàn)今膨脹的速度到底是在臨界值的哪一邊，我們也不知道未來宇宙的膨脹速度將如何變化。

宇宙學(xué)家認(rèn)為，我們非常接近這一臨界值，宇宙的這種特殊現(xiàn)象需要得到解釋。令人難以理解的是，隨著宇宙的膨脹和時(shí)間的流逝，如果它不是精確地以臨界啟動(dòng)速度開始膨脹，那么它的速度便會(huì)日漸偏離這個(gè)分水嶺。這給我們帶來一個(gè)巨大的難題，因?yàn)橛钪嬉呀?jīng)持續(xù)膨脹了約150億年，但它現(xiàn)在的速度仍然非常接近臨界值，我們無法確定它的速度落在臨界值的哪一邊。

經(jīng)過如此漫長(zhǎng)的時(shí)間后，宇宙膨脹的速度依然與臨界啟動(dòng)速度難分伯仲，這就要求宇宙的初始膨脹速度與臨界啟動(dòng)速度的差別小于1/10000……000（1后面跟36個(gè)零）。為什么？后文我會(huì)介紹，科學(xué)家對(duì)宇宙最初膨脹時(shí)刻可能發(fā)生的事件所做的研究，為這種極不可能的問題提供了一個(gè)可能的解釋。但在這里，我們只要理解為什么在百億年的膨脹之后，任何宇宙的膨脹速度都必須與這一臨界值非常接近，就已經(jīng)足夠。

如果宇宙膨脹的起始速度比臨界啟動(dòng)速度快得多，那么引力就永遠(yuǎn)無法將同一區(qū)域的物質(zhì)島聚集在一起形成恒星和星系，而恒星的形成是當(dāng)前可見宇宙演化過程中至關(guān)重要的一步。恒星是物質(zhì)的聚合，隨著聚合物質(zhì)的不斷增多，其中心就會(huì)產(chǎn)生足夠大的壓力，引起自發(fā)的核聚變反應(yīng)。這些核聚變反應(yīng)在漫長(zhǎng)而平靜的歲月中將氫變成了氦，這正是太陽正在經(jīng)歷的階段，但在生命的最后階段，恒星會(huì)遇到一場(chǎng)核能源危機(jī)。

每顆恒星都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)快速變化的爆炸時(shí)期，在這個(gè)過程中，氦被轉(zhuǎn)化成碳、氮、氧、硅、磷以及所有在生物化學(xué)過程中起重要作用的元素。當(dāng)恒星以超新星的形式爆發(fā)時(shí)，這些元素便散落到太空中，最終融入行星和人類體內(nèi)。恒星是所有元素的來源，而這些元素也是生物化學(xué)復(fù)合體乃至生命賴以存在的基礎(chǔ)，我們體內(nèi)的每一個(gè)碳原子核都源于恒星。

因此，比臨界啟動(dòng)速度膨脹得更快的宇宙永遠(yuǎn)無法產(chǎn)生恒星，從而也永遠(yuǎn)無法產(chǎn)生能夠進(jìn)化出復(fù)雜“生命體”所需的基本元素，而這些元素是人類或者硅基計(jì)算機(jī)所必需的。同樣，如果宇宙膨脹的速度遠(yuǎn)低于臨界啟動(dòng)速度，它的膨脹將會(huì)逆轉(zhuǎn)為坍縮狀態(tài)，恒星便沒有足夠的時(shí)間成形、爆發(fā)以及創(chuàng)造生物的組成元素，這樣的宇宙便無法產(chǎn)生生命。

我們能夠從以上分析中獲得一個(gè)令人驚訝的結(jié)論：只有那些在數(shù)十上百億年后仍然以非常接近臨界啟動(dòng)速度膨脹的宇宙，才能產(chǎn)生足夠多的物質(zhì)，從而形成足以進(jìn)化出智慧生命的復(fù)雜聚合結(jié)構(gòu)（見圖1-5）。我們不該驚訝宇宙膨脹的速度為何如此接近臨界啟動(dòng)速度，因?yàn)槲覀儾豢赡艽嬖谟谝云渌俣扰蛎浀挠钪嬷小?/p>

在膨脹宇宙的研究及其歷史的重建方面，我們的進(jìn)展非常緩慢。20世紀(jì)30年代，比利時(shí)牧師兼物理學(xué)家喬治·勒梅特（Georges Lemaitre）在宇宙探索初始階段的研究上發(fā)揮了主導(dǎo)作用，他的“原始原子”（primeval atom）理論是如今宇宙大爆炸模型的前身。最重要的宇宙研究進(jìn)展發(fā)生在20世紀(jì)40年代末，移民美國(guó)的俄羅斯人喬治·伽莫夫（George Gamow）帶著手下兩名年輕的研究生拉爾夫·阿爾夫（Ralph Alpher）和羅伯特·赫爾曼（Robert Herman），開始認(rèn)真思考如何運(yùn)用已知的物理學(xué)知識(shí)闡釋膨脹宇宙的初期狀態(tài)。

阿爾夫和赫爾曼意識(shí)到一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：如果宇宙在很久以前是從一個(gè)熾熱且稠密的狀態(tài)開始的，那么這個(gè)爆炸性的起點(diǎn)應(yīng)該還殘留有一些輻射。更具體地說，在宇宙剛誕生的幾分鐘，它應(yīng)該已經(jīng)處于極度熾熱的狀態(tài)，熱到足以讓核聚變反應(yīng)在任何地方發(fā)生。這些重要的猜想后來被更加詳盡的預(yù)測(cè)和觀察證實(shí)。

1948年，阿爾夫和赫爾曼預(yù)測(cè)到，宇宙大爆炸后的輻射殘余隨著宇宙的膨脹在冷卻，此前應(yīng)該保持在比絕對(duì)零度高5開爾文。然而，他們的預(yù)測(cè)卻被湮沒在物理文獻(xiàn)中。15年后，其他幾位科學(xué)家開始思考熾熱的膨脹宇宙的起源，但沒人看過阿爾夫和赫爾曼的相關(guān)論文，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的通信并不像如今這么發(fā)達(dá)。

20世紀(jì)50年代和60年代早期，在大多數(shù)物理學(xué)家眼中，重建宇宙早期歷史的細(xì)節(jié)并不是一件非常嚴(yán)肅的科學(xué)活動(dòng)。但到了1965年，形勢(shì)發(fā)生了改變。阿爾夫和赫爾曼的宇宙輻射場(chǎng)被阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）偶然發(fā)現(xiàn)。這種輻射場(chǎng)表現(xiàn)為微波噪聲以相同頻率從太空的四面八方傳來。他倆是新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室的無線電工程師，當(dāng)時(shí)正負(fù)責(zé)校準(zhǔn)一條靈敏的無線電天線以跟蹤第一個(gè)“回聲號(hào)”（Echo）衛(wèi)星。

與此同時(shí)，在幾千米外的普林斯頓大學(xué)，由物理學(xué)家羅伯特·迪克（Robert Dicke）領(lǐng)導(dǎo)的小組重新獨(dú)立地計(jì)算出了阿爾夫和赫爾曼在很久以前得出的結(jié)果，并開始著手設(shè)計(jì)用于搜尋宇宙大爆炸遺留輻射的探測(cè)器。他們聽說貝爾實(shí)驗(yàn)室的接收器總是接收到無法解釋的微波噪聲，便很快認(rèn)定這就是他們正在尋找的大爆炸殘余輻射。如果該微波的源頭確實(shí)是熱輻射，則溫度為2.7開爾文，這與阿爾夫和赫爾曼的估值非常接近。這種熱輻射被稱為“宇宙微波背景輻射”（cosmic microwave background radiation）。

宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著宇宙大爆炸模型研究的正式開始。漸漸地，其他觀測(cè)結(jié)果進(jìn)一步揭示了宇宙微波背景輻射的特性。它在每個(gè)方向上的強(qiáng)度基本保持一致，上下浮動(dòng)不超過千分之一。大家在不同頻率上測(cè)量宇宙微波背景輻射的強(qiáng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度呈現(xiàn)出典型的隨頻率變化而變化的特征，而這正是純熱（pure heat）的特征。人們稱這種輻射為黑體輻射。可惜的是，地球大氣層中分子對(duì)輻射的吸收和發(fā)散，讓天文學(xué)家無法確認(rèn)輻射在整個(gè)光譜上是否均為熱輻射。

然而，學(xué)界仍然懷疑，宇宙微波背景輻射并非產(chǎn)生于宇宙大爆炸，而是源于大爆炸過后很久才發(fā)生的某個(gè)劇烈事件。而這些疑問只能通過觀測(cè)地球大氣層以外的輻射才能解答。1989年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)射的COBE衛(wèi)星取得了首個(gè)成就——從太空中測(cè)量到了宇宙微波背景輻射的完整輻射譜。這種輻射擁有自然界可見的最完美的黑體光譜，同時(shí)它也證明，宇宙曾經(jīng)的溫度比現(xiàn)今高千百攝氏度（見圖1-6）。因?yàn)橹挥性谶@樣極端的條件下，宇宙中的輻射才能以如此高的精確度符合黑體輻射的標(biāo)準(zhǔn)。

另一項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)同樣證明了宇宙微波背景輻射并非起源于宇宙近期的某個(gè)事件，該實(shí)驗(yàn)在執(zhí)行高空飛行任務(wù)的U2飛機(jī)上實(shí)施。U2飛機(jī)原本只用作戰(zhàn)略偵察機(jī)，體型小巧但擁有巨大的翼展，這些特性讓其成為非常穩(wěn)定的觀測(cè)平臺(tái)。這次實(shí)驗(yàn)與以往向下的觀察方向不同，科學(xué)家通過觀察天際發(fā)現(xiàn)，天空中的輻射強(qiáng)度在各個(gè)方向上有微小但系統(tǒng)性的變化，正如之前的預(yù)測(cè)所言。如果輻射在遙遠(yuǎn)的過去就已經(jīng)產(chǎn)生，就會(huì)出現(xiàn)這種變化。

如果宇宙微波背景輻射在宇宙早期就已經(jīng)出現(xiàn)，并且形成了一個(gè)均勻膨脹的海洋，那就意味著我們會(huì)穿過它。地球作為一個(gè)整體，繞著太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，而太陽繞著銀河系運(yùn)轉(zhuǎn)；同樣，銀河系繞著它的鄰居運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣的例子不勝枚舉。這些運(yùn)動(dòng)意味著我們正朝著某個(gè)方向穿過宇宙微波背景輻射（見圖1-7）。當(dāng)我們順著這個(gè)方向觀測(cè)時(shí)，輻射強(qiáng)度將達(dá)到最大值，而在反向180度的方向上，輻射強(qiáng)度值最低，并且在兩個(gè)極值之間根據(jù)角度的不同呈現(xiàn)出典型的余弦變化（見圖1-8）。這種現(xiàn)象就好比在暴風(fēng)雨中奔跑一樣，你的前胸最濕，而最干燥的部位是背部。雨就是我們談?wù)摰奈⒉ǎ鼘?duì)著我們運(yùn)動(dòng)的方向橫掃過來。

隨后，幾個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)同樣證實(shí)了后來被我們稱作“星空中偉大的余弦”（The Great Cosine in the Sky）的發(fā)現(xiàn)。相對(duì)于宇宙的微波海洋而言，我們和所居住的星系群在不斷移動(dòng)。因此，輻射不可能產(chǎn)生于星系的內(nèi)部，因?yàn)槿绻媸沁@樣的話，輻射會(huì)隨著我們的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，我們就將無法觀察到其強(qiáng)度的余弦變化。

我們正在穿越始于大爆炸的宇宙微波背景輻射是影響輻射強(qiáng)度變化的一個(gè)因素，但并非導(dǎo)致其強(qiáng)度在不同方向呈現(xiàn)微小變化的唯一因素。如果宇宙在不同方向上以略微不同的速度膨脹，那么輻射的強(qiáng)度將會(huì)在擴(kuò)張速度較快的方向上減弱（溫度變低）。不僅如此，在某些方向上，物質(zhì)的聚合會(huì)變多，而在另外一些方向上，物質(zhì)難以聚合。物質(zhì)密度在不同方向的區(qū)別同樣也會(huì)改變來自這些角度的輻射強(qiáng)度。尋找這些變化則成為COBE衛(wèi)星的使命。1992年，它們的發(fā)現(xiàn)震驚了全世界。

我們審視這些來自星空不同方向上的輻射強(qiáng)度值時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的驚人事實(shí)。宇宙在每個(gè)方向上都在以幾乎相同的速度膨脹，誤差不高于千分之一。我們稱這種膨脹特點(diǎn)為各向同性，也就是說，宇宙膨脹的速度在每個(gè)方向上都是一樣的。如果一個(gè)人可以從某個(gè)所謂的“宇宙展覽館”中隨機(jī)挑選可能出現(xiàn)的宇宙，那么能選出來的宇宙種類肯定不計(jì)其數(shù)，而且和當(dāng)前的宇宙也各不相同。有些宇宙可能在某些方向上的膨脹速度比較快，有的宇宙或許在高速旋轉(zhuǎn)，甚至有的宇宙在某些方向上收縮、在其他方向上膨脹。然而，我們的宇宙是如此特別：它似乎處于一種不可思議的有序狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，它的膨脹速度在各個(gè)方向上都保持著驚人的一致性。這就好比你發(fā)現(xiàn)孩子們的臥室都保持著非常整潔的狀態(tài)一樣，這種情況出現(xiàn)的可能性是極低的。這時(shí)候，你會(huì)思考是否有什么外部因素促使了這一變化。同樣，我們必須對(duì)宇宙膨脹呈現(xiàn)出的顯著的各向同性給出一個(gè)合理的解釋。

宇宙學(xué)家一直認(rèn)為，宇宙膨脹的各向同性是一個(gè)巨大的謎團(tuán)，必須對(duì)此做出解釋，而科學(xué)家所采取的方法闡明了這個(gè)學(xué)科的思維方式。第一種解釋認(rèn)為，宇宙在膨脹之初就具有各向同性，而現(xiàn)在的狀態(tài)只是它特殊起始狀態(tài)的體現(xiàn)。這便是所謂的“天行有常”。

然而，從實(shí)際角度出發(fā)，這種解釋并不是很有幫助。因?yàn)樗鼪]有解釋任何東西，它的作用就好比用牙仙哄小孩一般。當(dāng)然，這個(gè)解釋有可能是真的，但如果事實(shí)真是如此，那我們便希望能夠找到一些更深層次的“原理”，以重現(xiàn)宇宙初始階段各向同性膨脹時(shí)的狀態(tài)。這種“原理”也許可以在其他更適合的地方顯現(xiàn)。這種解釋的缺點(diǎn)是將闡釋宇宙目前狀態(tài)的希望完全寄托在（對(duì)我們而言）未知的（也許是不可知的）初始狀態(tài)上。

第二種解釋認(rèn)為，將目前的狀態(tài)看作宇宙中某些物理過程的結(jié)果，而這個(gè)過程還在繼續(xù)。因此，我們也許可以將宇宙的初始狀態(tài)放在一邊，無論它最初是多么不規(guī)則，但經(jīng)過數(shù)十億年的歲月洗禮，這些不規(guī)則的部分全被磨平，只留下了各向同性的膨脹狀態(tài)。這種解釋的優(yōu)點(diǎn)是引出了可能的研究主題，例如，宇宙的這種演化過程是否可以消除膨脹的非一致性？達(dá)到這種一致性需要花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間？到目前為止，這些過程是否能夠消除宇宙膨脹中所有的不規(guī)則情況，又或者只能消除其中的一小部分？

第二種解釋讓我們確信，無論宇宙以何種方式開始，在它的早期階段，都不可避免地出現(xiàn)了一些演化過程，確保宇宙在歷經(jīng)150億年的膨脹之后，剛好呈現(xiàn)出如今我們所觀察到的模樣。

盡管第二種解釋聽起來很有吸引力，但它也有缺點(diǎn)。如果我們成功地證明宇宙當(dāng)前狀態(tài)的由來與其初始狀態(tài)毫無關(guān)聯(lián)，那么我們對(duì)其結(jié)構(gòu)的觀察將對(duì)宇宙初始狀態(tài)的探索毫無幫助。