尘埃遮蔽了宇宙的起源

被问到人类造出的最酷的测量仪器是什么时，Keating 没有提自己参与的宇宙微波背景偏振仪，而是说了望远镜。多数人把它归功于伽利略，但他说，发明者其实是荷兰的 Hans Lippershey。伽利略所做的事几乎和从零到一一样激进：他把仪器的性能提高了十倍。

这段背景和玻璃本身一样有意思。活字印刷第一次给了欧洲一个固定的视力标准：印刷字母的高度是已知的。读不了古腾堡圣经的人突然发现自己的视力出了问题，威尼斯和荷兰的工匠则把两片玻璃叠在一起，让字看得更清楚。直到伽利略，才有人想到把同样的两片镜片举向天上那个明亮的东西。

望远镜的孪生兄弟是显微镜。同一个诀窍，一个向外看，一个向内看。向外看还有一个隐藏的特性：它是一台时间机器。光大约每纳秒前进 30 厘米，在显微镜下你感觉不到这一点。把同样的物理用在木星、月球，或者 250 万光年外的仙女座星系上，你看到的就是 Lucy 在塞伦盖蒂草原上行走时的世界。射电望远镜还能走得更远。如果天体充满了波束，焦点处的一个电阻就会与该天体达到相同的温度。你是在几亿公里之外给木星量体温。考古学做不到这一点。

Fridman 问开端发生了什么。Keating 说，最诚实的回答方式，是从今天往回推。往回推 138 亿年，你会落到一个具体的日子上。那一天，宇宙变成了一座聚变反应堆，把最轻的元素和同位素变成了稍重一些的元素。一瓶水里的氢，在很好的近似下，就是在最初那二十分钟里生成的。

他的玩笑很精确。元素周期表上最轻的那些元素，其聚变与生成所用的时间，比一集《生活大爆炸》还短。氦、锂及其同类平时不属于日常生活，除非你去参加生日派对，或者驾驶飞艇。更重的原子核，比如铁、碳、镍，需要另一种反应堆：超新星。不过，如果再往回推，越过最初的那三分钟，物理学几乎没有什么可说的。Steven Weinberg 的著作《最初三分钟》划出了一道边界：越过它，无知就接管了一切。

仍然有大多数在研究一线的宇宙学家相信，宇宙起源于一个奇点。Keating 指出，这个词只出现在两个地方：大爆炸和黑洞的核心，而这两处都无法观测。与其说奇点是一种物理，不如说它是数学外推撞上墙壁时留下的占位符。他读研究生时，几乎没人讨论替代方案；现在，这些替代方案已经不算边缘了。他开玩笑说，历史上第一种宇宙学本来就是循环的：公元前三千年的阿肯纳顿时期的埃及，如果放到今天，早就会有很高的 h 指数了。

暴胀是点燃炽热大爆炸的火花，Keating 说，这场炽热的大爆炸我们是理解的。暴胀描述的是更早的条件，与初始条件是两回事。他打的比方是一座落地钟。你走进一间屋子，看到一个摆锤在晃动，可以测出它的周期，以及空气阻力造成的阻尼，却说不出它是什么时候开始摆动的。解微分方程既需要初始条件，也需要边界条件。暴胀提供了后者，对前者却只字不提。

正是这个缺口，让替代方案重新变得严肃起来。Roger Penrose 的共形循环宇宙学把时间看作没有开端。20 世纪 60 年代流行过的准稳态宇宙模型，在 1965 年宇宙微波背景辐射被发现之后逐渐失势。爱因斯坦本人也曾相信宇宙是静态而永恒的，直到哈勃向他展示了宇宙在膨胀。目前最突出的挑战者，是弹跳型或循环型宇宙学，主要由普林斯顿大学的爱因斯坦讲席教授 Paul Steinhardt 和 Anna Ijjas 推动。

Steinhardt 的角色很特别。他与 MIT 的 Alan Guth，以及当时身在苏联的 Andrei Linde，一起被视为暴胀理论的三位元老，确切地说，是所谓“新暴胀”的奠基人。现在他称这个理论繁复、有害、危险而且险恶，不仅对宇宙学如此，对社会也一样。Guth 和 Linde 仍然认为，一个稳健的推论是多重宇宙：暴胀很难关掉，就像一枚固体火箭助推器，会不断催生新的宇宙。Keating 说，一个能预言一切的理论，什么也预言不了。他不会因为和 Steinhardt 是朋友，就否认对方的首创身份，也不会因此给替代方案额外的关注。一位创始人攻击自己的想法，他会认真对待。

参与构建暴胀理论的苏联宇宙学家，没有谷歌学术可用，只能等待党批准的期刊，其中一些人的护照上还盖着“Jew”的印章。Yakov Zeldovich 能给学生争取到出行证明，全靠他在原子弹计划中的地位。Fridman 指出，同一套体制也能把科学家捧成公众英雄。Keating 举的反例是 Fritz Haber：哈伯-博世法养活了地球上的大部分人口，但他的化学也制造出了氯气和齐克隆 B。Haber 的一些亲属死于奥斯威辛。他说，把科学置于人的尊严之上，这种做法已经有过先例。

他称自己是一个实践中的不可知论者：他做宗教信徒做的事，却不做无神论者做的事。他出生在长岛一个世俗的犹太家庭，一年只去两次犹太会堂。离婚之后，他的母亲嫁给了 Ray Keating，一位有九个兄弟姐妹的爱尔兰裔天主教徒；Brian 被这个家庭收养，接受了洗礼和坚信礼，还当过祭坛侍童，能把募捐篮里的钱翻一倍。十三岁时，他把这笔账算了一遍。下一步是当神父，而神父不能与女性交往。这笔账对不上。本该准备成人礼的那一年，他收到的却是一台望远镜。

他仍然建议家长买一台带支架、可以夹住手机的廉价折射望远镜。在曼哈顿也能看到伽利略看到过的那些月球环形山、土星环，以及木星的四颗卫星。把它们画下来。拉丁语 educare（教育）的意思是引出，与灌输相对。接下来就是学术界的饥饿游戏：加州大学圣迭戈分校的一次教职招聘，为一个职位吸引了 400 名申请者。他的父亲是数学家 James Ax，他曾离开过原来的研究，后来又从数论转向了量子力学的基础。Keating 选择了宇宙的根基。COBE 卫星刚刚探测到一种各向异性，霍金称之为“上帝的面容”。他想成为那个弄明白是什么让宇宙产生了这一信号的人。他开玩笑说，自己是个藏着身份的理论家，就像一个和乐队混在一起的鼓手。

宇宙的年龄是 138.72 亿年，精度约为百分之零点五。Keating 说，这相当于看着一个五十岁的人，能把他的年龄算到十二小时之内。二十五年前，这个范围还是 100 亿到 200 亿年，这很尴尬，因为有些恒星看起来已经有 120 亿岁，比它们的“父亲”（宇宙本身）还老。这个数字来自哈勃常数，它是单位距离上的速度：距离我们一百万秒差距的星系，以每秒约 72 公里的速度远离我们。把这个过程倒推，忽略附近十几个正在向我们坠来的星系，你就会得到一切彼此相接的最后时刻。

可观测宇宙比“宇宙年龄乘以光速”还要大，因为空间本身已经膨胀了 138 亿年，并把光子一起拖着走。来自宇宙最初的光，大约可以从三倍于这个年龄的距离抵达我们，也就是每个方向上约 450 亿光年，因此我们能看到的范围直径约为 900 亿光年。布鲁克林没有在膨胀，太阳系也没有在膨胀。在膨胀的，是记录这些光子的那本笔记本。

Keating 说，把瓶子拿到火箭外面抽空，它也不是空的。可观测宇宙中每立方厘米大约有 420 个光子，那是大爆炸核合成后残留下来的，此外还有暗物质粒子、零星的中微子，以及偶尔出现的质子。每立方毫米则有 69 个。他想知道马斯克是否知道这个数字，并说马斯克会喜欢它。这些光子就像底片，原初引力波会在上面留下偏振的印记。LIGO 无法停留在大爆炸那一刻，而宇宙中最古老的光可以。

BICEP（Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization，宇宙外星系背景偏振成像）的起点，是 Keating 并不引以为豪的一场父子较劲。他的父亲拿过许多奖，却从未得过诺贝尔奖；而菲尔兹奖只颁给四十岁以下的数学家。他想要一个能流传百代的发现。他在斯坦福做 Sarah Church 的博士后，她是一位新上任的助理教授，研究高红移星系，而他同时在酝酿另一个实验。他的朋友 Mark Kamionkowski 现在在约翰霍普金斯大学，他指出，暴胀的信号在天空中非常巨大。你不需要哈勃望远镜，也不需要 30 米口径的反射镜，一台不比人头大的折射望远镜就够了。

他是个很糟糕的员工。有一天，SETI 先驱 Jill Tarter 来斯坦福访问，他请 Church 帮忙引荐。Church 说不行，事实上你被解雇了。他说，这可能是他这辈子遇到的最好的事。她把他推荐给了她在加州理工学院时的导师 Andrew Lange，一位极有魅力、点子很多的人，他刚刚利用回旋镖（Boomerang）实验测定了宇宙在空间上是平坦的。把一块约一平方度的原初等离子体当作三角形的底，把到地球的距离当作另外两条边，三角形的内角和就是 180 度。整个天空约有 44000 平方度。分层等面积像素化（HEALPix）正是这个领域在 2000 年代初的数据分析中诞生的。Keating 认为 Lange 是下一个埃拉托斯特尼。Lange 还没说完工作机会，Keating 就答应了。

他们需要的是水汽尽可能少的地方，温度倒在其次。来自大爆炸的微波光子，其频率恰好落在水分子的共振区间。把一杯水放进微波炉，水会烧开，而干燥的杯子还能摸。智利的阿塔卡马沙漠，也就是 Keating 后来的西蒙斯天文台所在地，与南极，是地球上最干燥的两个地方。BICEP 被装进了阿蒙森-斯科特站的暗区实验室（Dark Sector Laboratory），探测器在真空腔里冷却到 0.1 到 0.2 开尔文，数万磅重的设备几乎无人值守地扫描天空。越冬人员十一月到达，次年十二月离开；玩笑说法是：7.5 万美元，就为了换你生命中一个漫长的夜晚。智齿和阑尾会先被切除。最近的医院在约 6400 公里之外。距离这里约 960 公里的俄罗斯东方站，曾有一位医生拍下自己切除阑尾的过程。

在演播室里，Keating 递给 Fridman 两块偏振片。把它们叠在一起旋转，光源每转一圈就会明暗交替两次。偏振就是电场的取向；竖直与负竖直是同一种状态，所以这种图样具有自旋为 2 的对称性，尽管光子的自旋是 1。接着，他把一块方解石晶体放在印着字的纸上，文字分裂成两个影像，这就是双折射，即两种折射率。转动上面的偏振片，两个影像就会互换位置。这就是整个光学原理。BICEP 把它搬到了微波波段，超导测辐射热计在接近海平面气压十亿分之一的环境中工作，用来寻找偏振图中一种叫作 B 模的旋度。

宇宙微波背景辐射本身是意外发现的。20 世纪 60 年代，贝尔实验室请射电天文学家来清理最早的通信卫星。Arno Penzias 和 Robert Wilson 怎么也去不掉一种从各个方向传来的嘶嘶声。此前，工程师 Edward Ohm 也测到过同样多出的三开尔文，却判定是自己的误差分析出了错。Penzias 和 Wilson 制作了一个四开尔文的校准源，用液氦冷却，并以每秒一次的节奏保持稳定，然后把已知与未知放在一起比较，就像天平只有两端靠近才能测准。他们测得的数值是 2.7265 开尔文。1978 年，他们获得了诺贝尔奖，这是诺贝尔奖首次授予宇宙学方向的成果。

射电天文学家习惯把信号写成温度，因为那正是他们测量的东西。Keating 喜欢这种亲近感：生命是一场控制熵的斗争，而在这里，你测量的是宇宙的温度。他们要找的 B 模信号，在几开尔文的背景上只有几纳开尔文，即十亿分之一的量级。Penzias 和 Wilson 测到的信号，亮了十亿倍。这个领域的仪器灵敏度大约每两年翻一番，比摩尔定律还快。圣克拉拉的芯片工厂都是洁净室，宇宙则到处是脏东西（schmutz）。

如果说 Penzias 和 Wilson 因残余热辐射获奖，Hulse 和 Taylor 因引力波造成的轨道变化获奖，那么看到大爆炸的初始条件，看上去就像一摞诺贝尔奖。BICEP2 把 98 个半导体探测器换成了 512 个超导过渡边缘传感器：超导体的电阻在极小的温度范围内降为零，这使它成了一支极其精密的温度计。2010 年 1 月，新的接收器装到了同一座南极支架上。同一个月，在伯克利，Lange 的博士导师 Paul Richards 告诉 Keating，Lange 自杀身亡了。Keating 已经失去了父亲。Lange 曾就婚姻、孩子和学术晋升给过他建议。“我以为我们很亲近。我什么都跟他说。我觉得他也什么都跟我说。现在他走了。”

合作者重新调整了领导层。Keating 仍是 BICEP1 的联合负责人，但不再是 BICEP2 的首席研究员或联合首席研究员。Lange 曾是唯一一个在保护他位置的人。Fridman 想用退伍老兵来打比方。Keating 更愿意用乐队作比：披头士因自我、署名和各自单飞而分裂。科学是一场赢不了的无限游戏，由许多有限游戏组成，比如一个终身教职的名额，或是三个诺贝尔奖的名字。大学的历史可以追溯到 1088 年的博洛尼亚，但没有人教过他如何管理团队，也没有人教过他如何安葬导师。他最初的念头，如今想来很羞愧：他自己获奖的机会，也跟着死了。《Losing the Nobel Prize》这个书名一语双关：他失去了那个奖，而其中有些东西本就该失去。

尘埃落定之后，瑞典皇家科学院请他为 2015 年的物理学奖提名（他次年也可能符合资格）。诺贝尔遗嘱中的规定，只有一条被完整保留：不能自荐。他把这称为“Keating 相关性”。诺贝尔写的是“一个人”；三人上限是后来打的补丁，它抹去了大型合作的名字。为 Keating 的书写序的 Barry Barish 承认，他能获奖，部分是因为另一个人去世了。2015 年 9 月 14 日探测到的两个约三十倍太阳质量的黑洞相撞，发生在 12 亿年前一个未知的星系中。如果这个信号早十五天到达，赶在提名截止之前，Barish 就不会出现在名单上，那时 Ron Drever 还活着。一群穿着礼服的无毛猿，在瑞典国王面前把一块金属奖牌递给另一群无毛猿，然后吃了驯鹿肉。

直到写这本书，Keating 才注意到 dust jacket（书的护封，字面意为“尘埃外套”）这个词有多讽刺。他承认，宇宙学家瞧不起天体物理学家。他们用的是爱因斯坦的理论，很少用玻尔兹曼的，又研究最宏大的图景，这恰恰会让人对明显的东西视而不见。恒星把氢聚变为氦，再一路聚变到铁。铁的聚变是吸热的：投入的能量比得到的多，热压力随之消失，恒星坍缩并爆炸。氦的名字来自太阳神 Helios，因为它最先是在太阳光谱中被观测到的。抛射物里有铁和镍。其中一些沉入了地核，一些到了地壳，还有一些被你的母亲吃下去，变成了血红蛋白。残留的尘埃颗粒被银河系的磁场磁化并排列起来，作用恰如偏振滤光片。它们能把非偏振光变成完全偏振的光，并带上类似 B 模的旋涡状图样。

2014 年 3 月 17 日，在哈佛天体物理中心，房间里坐着三四位诺贝尔奖得主，BICEP2 团队宣布他们看到了暴胀的余震。Keating 仍是成员，但已不再担任领导；在开场致谢之后，最先列出的两个名字，一个是他，一个属于加州大学圣迭戈分校。他没有被邀请参加新闻发布会。Max Tegmark 在推特上写道：“再见，宇宙；你好，多重宇宙。”团队的论文尚未通过同行评审，他们担心一位不道德的审稿人会抢先发表。Keating 说，确认偏误真是一剂猛药。之后与普朗克卫星数据的联合分析，把原初信号降到了零。论文的结论随后被收回。

他把这种模式称为“科学—媒体复合体”。爆炸性的结论登上头版，位于折叠线上方的醒目位置，出现在《纽约时报》《波士顿环球报》《圣迭戈联合论坛报》上。六到十二个月后的撤回声明，则出现在星期六版的 C17 版，夹在征婚启事之中。如果他有朝一日掌控了一大笔研究经费，那么为新闻发布会做预算的申请者，就得同时交上一笔等额的保证金，用于将来那次他们希望永远用不上的撤回。整个过山车本身就是科学。他认为，把下坡的部分藏起来，正是培养“爱因斯坦一出生就已经是爱因斯坦”这一神话的办法。

伽利略是 Keating 的化身，是他想接近的那种全能科学家的一个近似版本：艺术家、作家、诗人、哲学家，那个年代，医生与物理学家还是同一个词。他犯错的次数也几乎和他说对的一样多。他支持哥白尼，但所用的证据并不成立。他说，潮汐是海水因地球既公转又自转而晃动；实际上，它们源于月球引力的差异。他认为银河只是恒星，实际上它还包括气体、尘埃和星云。证明地球绕太阳运行，比证明地球是圆的难得多。恒星光行差，即由于地球以不可忽略的光速比例运动，恒星在天空中描出的微小椭圆，是在 18 世纪后期测量出来的。宇宙微波背景团队仍然要修正同一种多普勒偶极效应：朝着运动的方向看，这个三开尔文的“烤箱”显得更热；背对运动方向，则显得更冷。

Keating 正在录制 1632 年《关于两大世界体系的对话》的第一个有声书版本，正是这本书让伽利略遭到软禁。Carlo Rovelli 朗读 Salviati，他的名字意为“救星”，代表伽利略发言。Keating 朗读 Sagredo，那个聪明的中间人。一位同事 Lucio Piccirillo 朗读 Simplicio，那个照本宣科、复述教皇观点的人。Frank Wilczek 朗读爱因斯坦的序言，Jim Gates 朗读译者注，Fabiola Gianotti 朗读伽利略献给托斯卡纳大公的题词。把尘世最高权威的话，交给一个名叫 Simplicio（意为“傻瓜”）的角色来说，这在政治上并不高明。他想要一个有声版本，却找不到，于是决定为伽利略 457 岁生日（2022 年 2 月 15 日）做一个。

伽利略的另一本书是《阿萨耶》（The Assayer）。宫廷的鉴定师会把据称是金子的东西在试金石上摩擦。试金石本身没什么价值，却能鉴定出一笔财富的真假。Keating 的阿萨耶项目，就是把各种万物理论排成一排，让数据充当那块石头。这样的理论太多了；他开玩笑说，应该有人因为“没有提出任何理论”而获得诺贝尔奖。他最近见到的多是后测（retrodiction），较少见到真正的预言（prediction）：大型强子对撞机公布一个结果，弦论就突然与之相容；μ 子的磁矩出现反常，而第五种力似乎早就被预言过了。在祝融星（Vulcan）作为一颗未被看见的摄动天体的假设失败之后，爱因斯坦后测了水星的近日点进动，这与从天王星推出海王星所用的方法相同。后测是允许的，但不能永远只靠它。

Keating 点名了 Eric Weinstein 的几何统一理论、Garrett Lisi 的 E8 理论，以及 Stephen Wolfram 的物理学计划，认为学界还没有以最强的版本去对待这些想法。他无法判断它们在数学上是否优美，但他看得出来，它们没有得到认真的回应。Weinstein 在教职体系之外，研究带有额外时间维度的理论和他自己发明的一些对象，结果遭遇了夹杂着人身攻击的尖刻批评。Keating 也收到这类邮件：爱因斯坦错了，我数学很差，帮帮我，我们平分诺贝尔奖。Ray Dalio 的标准是：一个人在同一件事上成功三次，才算专家。Fridman 反驳说，在金融或文化评论领域的履历，并不能直接套用到物理学上。你仍然要说服那些与你一样痴迷的人。“只要你造出更好的捕鼠器，世界就会踏出一条路来找你”，这句话是假的。你仍然得把捕鼠器卖出去。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦就是一个警示。1864 年，他的统一理论依赖以太、涡旋、齿轮和行星机械。迈克尔逊和莫雷在大约二十年后终结了以太。若是嘲笑这些组成部分，就会把至今仍在支撑世界运转的方程一并扔掉。Keating 问，为什么 Juan Maldacena 能在反德西特空间里，借助五维虫洞进行计算——那是我们并不居住的宇宙，穿过的是我们并不知道存在的隧道——并让霍金在黑洞信息悖论上认了输，而一个局外人同样间接的论证却只能沦为笑柄？他没有答案。这个领域的废话探测器过于灵敏，挡掉了许多垃圾邮件，也挡掉了几封可能是对的信。

在他书中访谈的九位诺贝尔奖得主里，只有两位理论物理学家，即 Frank Wilczek 和 Sheldon Glashow，说自己没有冒名顶替综合征。Wilczek 的成果可以追溯到 20 世纪 70 年代初，而获奖则是在 2004 年。想象一下，有人告诉你三四十年后会中彩票，那么熬到那一天，本身就成了你的课题。Keating 的阿萨耶式直觉，恰好与等待相反：现在就去找低能量的检验。牛顿用棱镜把阳光分开，再把它重新合成，挡住橙色，证明颜色是合成的，这不需要对撞机。实验物理学家报出的任何成本，都要再乘以二，甚至乘以三。复杂机器每年的运行成本约为建造成本的 10%，因此十年下来，账单就翻了一倍。一台建造成本 300 亿美元的未来环形对撞机，运行之后就会变成 600 亿美元。然后再问一问，它值不值得。

在詹姆斯·韦伯太空望远镜这件事上，Keating 可以算是支持者，因为他不会与它争夺时间、经费或人才。哈勃超深场在伸直手臂时，小于指甲十分之一的一块天区里，就装下了约 4000 个星系，由此推断，整个宇宙大约有 5000 亿个星系的量级。韦伯则是单点故障：二十二块六边形镜面要在离地球约 160 万公里的地方展开，那距离约为地月距离的四倍，还有遮阳板和数据下传系统，而且没有备份。一旦失败，你损失的就不只是 97 亿美元和二十年的时间，还有公众对科学能完成艰难任务的信心。他会把数十亿美元花在两件事上：有保证的低垂果实，加上一次全力挥棒。他说，这一切都在围栏上做文章。

桌上放着一块月球陨石。阿波罗样本如果被私人持有，持有者会成为重罪犯；而这块陨石是从月球上被撞飞的，在地月系统中漂流，完好地落了下来，被切割，然后通过美国邮政寄到了这里。火星陨石也是这样流通的。如果火星能把石头送到地球，地球也能把石头送到火星；如果石头上带着微生物，泛种论（panspermia）就成了一种可以认真讨论的可能。它解释的是生命怎样迁移，至于生命怎样起源，它并不回答。即便到了邻近的星系，陨石的速度也意味着需要几亿年，而从细菌到巴赫的演化，没有那么多的时间。Keating 做了一个粗略估算：八道门槛——真核生物、氧气、多细胞、恐龙、鲸鱼，以及其余的一切——每一道的概率都是千分之一，于是总概率是 10 的负 24 次方。可观测宇宙中大约有 10 的 22 次方颗行星。他说，千分之一这个估计已经很宽松了，但仍谈不上乐观。Lee Cronin 会有不同看法，Keating 希望这场辩论带着善意进行下去。他认为，简单生命远比技术文明更有可能出现。这两者并不是同一种赌注。

他曾问过，我们发现生命的第二天会发生什么。他的回答是：什么也不会发生。在圣迭戈附近舀起一桶太平洋海水，你手里就已经有生命了；然后再看看那些污水，以及曾让海滩关闭的有毒泄漏。1996 年，克林顿宣布艾伦山（Allan Hills）陨石中可能存在微生物，这一场景后来在电影《超时空接触》中再次出现；之后又有人宣称在莫诺湖发现了砷生命。我们只是说了声“哦”，然后继续过日子。他担心，邻近星系的智慧生命会削弱他仍然坚持的唯一一项宗教式主张：每个人都拥有无限的价值。他不相信有一位坐在椅子上的留胡子老人。Sam Harris 有句话：你无法真正地快乐，只能不断地变得快乐。Keating 用熵的概念推演这句话：毁掉一个人生的方式无穷无尽，而让它变好的方式寥寥无几，所以应当把心力投在那些一旦失去就会毁掉你的东西上。亚里士多德说，父母爱孩子比孩子爱父母更深，因为人会爱自己为之付出的东西。以张量形式写出的麦克斯韦方程，搭乘在爱因斯坦的理论之上，对无毛猿来说不必是美的。也许这种美，就是光线透进来的缝隙。他不信上帝。他想知道，上帝是否信他。