從無不能生無。
——盧克萊修（Lucretius）
我假定我們的宇宙是在大約 1010 年前從無產生的……我提出一個謹慎的建議，我們的宇宙隻是有時發生的那些事件之一。
——愛德華·特賴恩（Edward Tryon）
宇宙是一頓最終的免費午餐。
——艾倫·古思（Alan Guth）
在玻爾·安德森（Poul Anderson）寫的一部經典科幻小說《τ零度》（Tau Zero）中，一艘叫做利奧諾拉·克裏斯廷（Leonora Christine）的星際飛船升空，使命是飛往附近的星星。它乘載有 50 人，當它駛往一個新的星係時，它達到的速度接近光速。更重要的是，這艘飛船用了狹義相對論原理，當它飛得更快時飛船裏麵的時間減慢。因此，從地球上看上去，飛往附近的星需要幾十年，但是對宇航員來說僅需飛行幾年。對一位在地球上用望遠鏡瞭望宇航員的觀察者看來，似乎飛船裏宇航員的時間凍結了，因此他們好像處在一幅暫停的動畫中。但是對飛船裏的宇航員來說，時間的進程照常。當這艘飛船減速登上一個新的世界時，他們發現他們僅在幾年中就駛過了 30光年。
這艘飛船的發動機是一個奇跡，它是一台衝壓式噴氣核聚變發動機，從深層空間提取氫，然後在這台發動機中燃燒產生無限的能量。它飛行得如此之快，以至宇航員甚至可以看到光線的多普勒偏移，在飛船前麵星星看上去是藍色的，而飛船後麵的星星看上去是紅色的。
然後災難發生了。離開地球大約10光年後，當它穿過一片星際塵雲時，飛船經受了動蕩，它的減速機構永久地失靈了。驚恐的宇航員發現他們被困在飛跑的星船上，速度越來越快，接近了光速。他們絕望地看到失去控製的飛船在大約幾分鍾的時間內飛過了整個星係。在一年之內，這艘飛船穿過半個銀河係。當它加速失去控製時，它在大約幾個月的時間飛速通過星係，這時地球已過了幾百萬年。很快，飛行的速度接近光速，τ零度顯現，他們看到了戲劇性的場麵，宇宙在他們的麵前開始變老。
最後，他們看到了宇宙的原始膨脹在逆轉，宇宙開始收縮，溫度開始急劇升高，他們認識到他們正走向大火海。宇航員們默默地祈禱，這時溫度像火箭一樣上升，星係開始熔合，在他們麵前形成一個宇宙的原始的原子。看上去被火葬已不可避免。
他們唯一的希望是宇宙物質將收縮到一個有限密度的有限區域，以巨大速度飛行的飛船也許能迅速地滑過這片區域。奇跡發生了，當他們飛過原始原子的時候，他們的屏蔽係統保護了他們。他們看到了一個新宇宙的誕生。當宇宙重新膨脹時，他們敬畏地看到新的星和星係在他們的眼前產生。他們修好了飛船，仔細地繪製航線，飛往一個足夠老的、由較重元素構成的、使生命有可能存在的星係。最終，他們在一顆能夠孕育生命的行星上著陸，在這個行星上開辟一塊殖民地，重新開始人類的生活。
這個故事寫在 1967 年，這時天文學家就宇宙的最終命運正展開激烈的爭論：宇宙死於大火海、大凍結、無限地振蕩、或永遠生活在穩定狀態。自那以後，爭論似乎解決了，出現了叫做膨脹的新理論。
膨脹的誕生
1979 年，艾倫·古思（Alan Guth）在他日記裏寫道：“壯觀的實現。”他認識到他可能偶然發現了宇宙學最偉大的思想之一，因此感到很高興。古思通過基本的觀察，對 50 年來的大爆炸理論做了首次重大的修改。他想：如果他假定在宇宙誕生的時候經曆了渦輪增壓式的比大多數物理學家所相信的要快得多的超級膨脹，他就能解決宇宙學的一些深奧的謎。他發現用這個超級膨脹就能夠毫不費力地解決許多深層的宇宙學問題。這是一個能夠變革宇宙學的思想。（最近的宇宙學數據，包括WMAP衛星的探測結果和他的預計是一致的。）它不僅是宇宙學理論，也是迄今為止最簡單和最可靠的理論。
這個理論的顯著特點是，如此簡單的思想能夠解決很多棘手的宇宙學問題。膨脹理論所巧妙地解決了的幾個問題之一是“平麵問題”。天文學數據已表明宇宙的曲率十分接近於零，事實上比標準大爆炸理論預計的要更接近於零。如果宇宙像一個迅速膨脹的氣球，在膨脹過程中變平，這樣問題就可以得到解釋。我們像一個螞蟻在氣球表麵行走，因為我們太小了看不到氣球的微小彎曲。膨脹使空間時間極大地伸展，使它看上去是平的。
古思的發現具有的曆史意義還在於，它將分析自然界發現的微小粒子的基本粒子物理學應用到天文學，應用到宇宙的整體研究，包括它的起源中。我們現在認識到沒有極小粒子的物理學，沒有量子理論和基本粒子物理學，宇宙的最深奧的秘密就不能揭示。
尋找統一
古思 1947 年生於新澤西州的新不倫瑞克（New Brunswick）。與愛因斯坦、伽莫夫或霍伊爾不同，沒有儀器也沒有契機推動他進入物理學世界。他的父母都不是從大學畢業的，對科學的興趣也不大。但是他自己總是著迷於數學和自然規律之間的關係。
20世紀60年代他在麻省理工學院學習，他認真地考慮選擇基本粒子物理作為他的專業。他特別著迷於物理學的新革命所產生的激動，想尋找所有基本力的統一。多年來，物理學的泰鬥一直在尋找統一的理論，能夠以最簡單的、最一致的方式解釋宇宙的複雜性。自古希臘以來，科學家在想我們今天看到的宇宙代表一個更大的、更簡單物體的碎片殘骸，我們的目標是揭示這個統一性。
經過2 000年對物質性質和能量的研究，物理學家確定了四種驅動宇宙的力。（科學家在試圖尋找是否有第五種力，到目前為止結果是否定的，或沒有結論。）
第一種力是重力，它將太陽聚攏在一起，並引導行星在太陽係的天體軌道上運動。如果重力突然關閉，天空的星星將爆炸，地球將解體，我們都會以每小時1 000英裏（1 609千米）的速度被拋到外層空間。
第二種力是電磁力，這個力點亮我們的城市，使我們的世界充滿電視機、電話、收音機、激光束和因特網。如果電磁力突然關閉，文明將立刻倒退一兩個世紀，回到過去的黑暗和寂寞之中。2003年的燈火管製使美國整個東北部癱瘓，就形象地說明了這一點。如果我們從微觀考察電磁力，我們將看到它實際上是由小粒子，或叫做“光子”的量子造成的。
第三種力是弱核力，它是形成放射性衰變的原因。因為這個弱的力不足以將原子核聚在一起而引起核子破裂或衰變。醫院的核醫學主要依靠核力，給我們身體內部和大腦的清晰圖像。弱力也使地球中心通過放射性材料加熱，產生巨大的火山噴發能。弱力的產生是由於電子和“中微子”的相互作用。（中微子是像鬼一樣的粒子，幾乎沒有質量，能通過萬億英裏的固體導線而不和任何物質發生相互作用。）這些電子和中微子通過交換，與其他叫做W玻色子和Z玻色子的粒子發生相互作用。
第四種力是強核力，它將原子核聚在一起。沒有核力，原子核將全部破裂，原子將崩潰。強核力是我們看到的充滿宇宙的100多種元素能夠存在的原因。由於有弱核力和強核力，星星才能按照愛因斯坦方程E=mc2發出光。沒有核力，整個宇宙將變得黑暗，地球的溫度將降低，海洋將凍結成冰。
這四種力的令人吃驚的特點是它們彼此全不相同，具有不同的強度和性質。例如，到目前為止，重力是四種力中最弱的力，比電磁力小 1036 倍。地球的重量為 60 萬億億噸，然而它的強大的重量和重力可以輕而易舉地被電磁力抵消。例如，你的梳子可以通過靜電將小紙片吸起，從而抵消整個地球的重力。此外，重力完全是吸引的。而電磁力可以是吸引的，也可以是排斥的，由粒子的電荷決定。
大爆炸理論的統一
物理學家麵臨的基本問題之一是為什麼宇宙是由四種截然不同的力支配的？為什麼這四種力看上去差這麼多，強度、相互作用和物理行為都不同？
愛因斯坦是第一位著手將這些力統一成單一的、綜合的理論的人，他從統一重力和電磁力開始。他沒有成功，因為他走在他那個時代太前麵了，有關強力知道得太少了，無法建立一個真正的統一的場論。但是愛因斯坦的前驅工作打開了物理學世界的視野，有可能建立一個“包容一切的理論”。
在20世紀50年代，統一場論的目標似乎完全沒有希望達到，特別是那時基本粒子物理處在一片混亂之中，想用原子對撞機破碎原子核找到物質的基本成分，結果從實驗中發現幾百個更多的粒子流。“基本粒子物理”從術語上就是矛盾的，成了一個宇宙的笑話。古希臘人想，隻要我們將物質破碎到它的基本的建築磚塊，事情就變得簡單了。相反的事情發生了：物理學家不得不盡力從希臘字母表中找出更多的字母來標誌這些粒子。美國原子物理學家J 1 羅伯特·奧本海默（J 1 Robert Oppenheimer）開玩笑說，諾貝爾物理學獎應當授予在那一年沒有發現新粒子的物理學家。諾貝爾獎獲得者史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）開始懷疑人類的智慧是不是能夠解開核力的秘密。
然而，在20世紀60年代早期，這個混亂的情景多少有了一些條理，那時加利福尼亞工學院的墨裏·蓋爾曼（Murray Gell 2 mann）和伽莫夫·茨威格（George Zweig）提出“誇克”的想法，誇克是構成質子和中子的成分。根據誇克理論，3個誇克構成1個質子或1個中子，1個誇克和反誇克構成1個介子（一個將核子聚攏在一起的粒子）。這僅僅解決了一部分問題（因為今天各種類型的誇克比比皆是），但是它確實將新的能量注入到曾經是隱匿的領域中。
1967年，物理學家史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）和阿卜杜什·薩拉姆（Abdus Salam）做出了驚人的突破，他們指出有可能將重力和電磁力統一。他們創造了一個新的理論，電子和中微子（叫做“輕子”）通過交換形成叫做W玻色子和Z玻色子的新粒子並和光子彼此發生相互作用。通過在完全相同的立足點上處理W玻色子和Z玻色子，他們創造了統一兩種力的理論。1979年，史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）、謝爾登·格拉索（Sheldon Glashow）和阿卜杜什·薩拉姆（Abdus Salam），因為他們的共同努力統一了四種力中的兩種，即電磁力和弱力，並洞察到強核力的存在，所以被授予諾貝爾獎。
在20世紀70年代，物理學家分析了從斯坦福線性加速中心（SLAC）的粒子加速器得出的數據。為了深入地探測質子的內部，物理學家用加速器將強大的電子束打到靶上。他們發現可以引進叫做“膠子”的新粒子來解釋將質子內部的誇克聚在一起的強大的核力。膠子是強核力的量子。將質子聚合在一起的約束力可以由在組成它的誇克之間交換膠子來解釋。於是得出一個叫做量子色動力學的強核力的新理論。
這樣，到了20世紀70年代中期，有可能將四種力中的三種力結合在一起（除去重力），得到一個“標準模式”：一個誇克、電子和中微子的理論，它們通過交換膠子、W玻色子和Z玻色子與光子彼此相互作用。這個理論是粒子物理幾十年艱苦的、漫長的研究所達到的頂峰。到目前，標準模式滿足所有的有關粒子物理的實驗數據，無一例外。
盡管標準模式是所有時代最成功的物理理論，但它看上去十分別扭。很難相信自然界在基礎的水平上是根據這個東拚西湊、修修補補的理論進行運作的。例如，理論中有 19 個任意的參數是人為放進去的，沒有任何意義和原因（即各種質量和相互作用強度不是理論確定的，而是不得不由實驗確定。理想地，一個真正統一的理論的這些常數應由理論本身確定，而不依賴於外部實驗）。
此外，基本粒子有 3 個精確的副本，叫做“代”。很難相信自然界在它最基本的水平上會包括亞原子粒子的3個精確副本。除這些粒子的質量外，這些“代”彼此互相複製。（例如，電子的副本包括μ介子，它的重量比電子重 200 倍，還有τ粒子，它比電子重 3 500 多倍。）最後，標準模式沒有提到重力，盡管重力是宇宙中最廣為人知的一種力。
這些是標準模式中包含的亞原子粒子，它是最成功的基本粒子理論。基本粒子是由構成質子、中子的“誇克”以及電子和中微子這些“輕子”和很多其他粒子組成的。注意該模型導致3個相同的亞原子粒子副本。因為標準模式不能說明重力（並且看上去太笨拙），理論物理學家認為它不是最終的理論。
因為標準模式雖然實驗很成功，但看上去人為因素太多了，因此物理學家試圖建立另一個理論，或叫做大統一理論（GUT），將誇克和輕子放在同一立足點上。它也把膠子、W玻色子和Z玻色子和光子放在同一級別上。（然而，因為重力仍然明顯地遺留在外，這可能不是“最後的理論”。我們將看到，融合其他的力被認為是非常困難的工作。）
統一化的程序又將一個新的設想引進宇宙學。這個思想簡單又優雅：在大爆炸時，所有四種基本力統一成單一的、一致的和神秘的“超力”。所有四種力有同樣的強度，是一個較大的、一致的、總體力的一部分。宇宙開始時處於盡善盡美的狀態。然而，當宇宙開始膨脹和迅速冷卻時，原始的超力開始“破裂”，不同的力一個一個地分解出去。
根據這個理論，宇宙在大爆炸後的冷卻與水的凍結相似。當水是液體形態時，它是十分均勻的和光滑的。然而，當它凍結時，在它的內部形成幾百萬個小冰晶。當液體完全凍結後，它原來的均勻性徹底消失了，成為含有裂紋、氣泡和結晶的冰。
換句話說，今天我們看到的宇宙是可怕地破裂了。它根本不是均勻的和對稱的，而是由犬牙交錯的山脈、火山、颶風、小行星和爆炸的星組成，沒有任何一致性，此外，四種基本力互相也沒有任何關係。但是，宇宙如此破裂的原因是因為它太老了、太冷了。
盡管宇宙是從完美統一的狀態開始的，今天它已經過了很多“相變”或狀態的變化，當它冷卻時，宇宙力一個一個地分裂出去。物理家的工作是向回尋找，重新構建宇宙原來開始的步驟，研究它是怎樣從完美的狀態變成我們今天看到的破碎的宇宙。
因此，關鍵是要恰當地理解宇宙開始時這些相變是怎樣發生的。物理學家將這些轉變叫做“自發的破壞”。不管是冰的融解、水的沸騰、雨雲的產生或大爆炸的冷卻，相變可以將完全不同相的物質聯係起來。（為了說明這些相變有多麼強大，藝術家出了一個謎：“你怎樣將500 000磅〔226 800千克〕的水懸在空中，且沒有可見的支撐？答案是：造一片雲。”）
虛假真空
一個力從其他的力中破裂開來的過程，可以與一個大壩的破裂相比。河水從山上流下來，因為水往能量低的方向，即海平麵的方向流動。最低的能量狀態叫做“真空”。然而，有一個不尋常的狀態叫做“虛假真空”。例如，一個大壩擋住河水，這個大壩看上去是穩定的，但它實際上承受著巨大的壓力。如果大壩出現一個小裂口，這個壓力可能突然使大壩崩潰，從虛假的真空（被大壩擋住的洪水）釋放出大量的能量，引起特大洪水流向真正的真空（海平麵）。如果聽任讓大壩自發地破壞，並突然轉變成真正的真空，整個村莊會被淹沒。
類似地，在大統一（GUT）理論中，宇宙原來是從虛假真空開始的，三種力統一成一種單一的力。然而，這個狀態是不穩定的，宇宙自發地破裂，從虛假真空向真正的真空轉變，從虛假真空統一的力向真正真空分裂的力轉變。
在古思開始分析GUT理論之前，這些情況已經知道了。但古思注意到某些其他人忽略的地方。在虛假真空狀態，宇宙按照德·西特爾（de Sitter）在 1917 年預計的以指數方式膨脹。虛假真空的能量是一個宇宙常數，它驅動宇宙以如此巨大的速率膨脹。古思問他自己一個非常重要的問題：這個指數方式的德·西特爾（de Sitter）膨脹能解決宇宙學的一些問題嗎？
單磁極子問題
很多GUT理論的一個預計是在創世之初有大量的“單磁極子”產生。一個單磁極子是一個單個的北極或南極。在自然界，這些磁極總是成對發現的。例如一塊磁鐵，你看到它的北極和南極總是綁在一起的。如果你用一個榔頭把這塊磁鐵敲成兩半，你發現的不是兩個單磁極子，而是兩塊較小的磁鐵，每一塊有它們自己的北極和南極。
然而問題是，經過幾個世紀的實驗，科學家沒有發現單磁極子的確實證據。因為以前沒有人看到過單磁極子，古思感到困惑，為什麼GUT理論會預計有這麼多的單磁極子存在呢。古思評論說：“單磁極子像獨角獸一樣一直使我們著迷，盡管還沒有確實看到它。”
然後，忽然靈機一動，所有零零碎碎的想法在一閃念間拚在了一起。古思認識到，如果宇宙開始時是處在虛假真空狀態，它可能以幾十年前德·西特爾（de Sitter）提出的指數方式膨脹。在這個虛假的真空狀態，宇宙突然膨脹的量可以是難以想象的大，因此稀釋了單磁極子的密度。如果科學家以前從未見過一個單磁極子，僅僅是因為單磁極子散布到了比以前所想象的要大得多的宇宙中。
對古思來說，這個發現是驚愕和快樂之源。這樣一個簡單的想法能夠在一瞬間解釋單磁極子問題。但古思認識到，這個預計有著超出他原來想象的宇宙意義。
平麵問題
古思認識到他的理論解決了另一個問題，即早些時候討論的“平麵問題”。標準的大爆炸描述不能解釋為什麼宇宙是非常平的問題。在20世紀70年代，人們相信描述宇宙物質密度的奧米伽值大約為01 1.而事實是，在大爆炸幾十億年後，這個數值仍然相當接近臨界密度11 0.這個問題令人困惑。隨著宇宙膨脹，奧米伽值（Omega）應當隨著時間改變。這個數值接近1 1 0，讓人感到不自在，因為它描述的是一個完全平麵的空間。