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作者：王爽 中山大学物理与天文学院研究员，科普作家 目前，最主流的解释宇宙如何起源的理论是暴胀理论，今天，我们就来讲讲那段发生于上个世纪70年代，关于“暴胀”的往事。（本文为宇宙起源系列之二，之一请戳这里） 不得志的粒子物理博后， 华丽变身宇宙学大佬 1977年，美国康奈尔大学物理系来了一个混得不太好的粒子物理学家。他没做出过什么有名的成果，再加上运气很背，出生的时候赶上了美国战后的婴儿潮，所以一直没能在一所研究型大学里找到助理教授的职位。无奈之下，他只好跑到康奈尔大学做他的第三期博士后。 这个不得志的博士后就是暴胀学派的创始人阿兰·古斯（Alan Harvey Guth）。 阿兰·古斯（Alan Harvey Guth）。图片来源：Betsy Devine｜Wikipedia 在康奈尔，古斯遇到了一个同病相怜的第三期博士后，他是一个华人，名叫戴自海（Henry Tye）。 戴自海。图片来源：Cornell.edu 戴自海以前也研究粒子物理，后来转行做了宇宙学。他游说古斯，说粒子物理中最重要的题目已经被别人做得差不多了，不如和他一起做宇宙学。虽然古斯完全没搭理他，但戴自海也不气馁，还是隔三岔五地来游说古斯，这一游说就是两年。 直到1979年，事情才有了转机。那年年初，著名粒子物理学家、诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）到访康奈尔大学，并在学校里进行了两场关于如何将粒子物理理论应用于宇宙学的演讲。古斯一看，连美国粒子物理学界的领袖、大名鼎鼎的温伯格都这么关心宇宙学，再加上戴自海隔三岔五的游说，古斯终于决定要放弃粒子物理，与戴自海一起转战宇宙学。 暴胀理论， 始于一个“八竿子打不着”的课题 古斯和戴自海一开始研究的是一个与宇宙起源八竿子也打不着的课题，叫磁单极子问题。听起来似乎很复杂，其实特别简单。你平时肯定见过磁铁吧？所有的磁铁都有一个共同的特征，即它一定同时具有南北两极。即使把一块磁铁从中间一切两半，新得到的两块磁铁也会自动地重新产生南极和北极。那可不可能存在一种只有南极或者只有北极的磁铁呢？理论上是可能的。像这种只有南极或北极的磁铁，就是磁单极子。 根据当时粒子物理最流行的大统一理论，磁单极子在宇宙中应该是无处不在的，但为什么在真实世界中却连一个也找不到呢？这就是在物理学界中赫赫有名的磁单极子问题，也是古斯和戴自海决心挑战的课题。经过研究他们发现，解决磁单极子问题的关键是一个被称为“假真空”的概念。这个概念说简单也简单，说复杂也复杂。 让我们先从你更熟悉一些的内容——真空谈起。 很多人认为，真空就是一片什么都没有的空间区域，但这种看法是错的，真空里其实是有能量的。这有点不好理解，不过它的确是一个事实，而且是一个已经被科学实验反复验证过的事实。它的深层原因涉及到量子场论，比较复杂，这里暂且略过。你只要知道真空有能量这个事实就足够了。 一旦知道真空也有能量，假真空就不难理解了。 想象一座延绵起伏的大山，高的地方是山峰，矮的地方是山谷。现在问题来了，如果在这座山上放一个小球，它在哪里可以静止不动呢？答案显而易见，当然是在山谷。现在我们把山的海拔高低当成是空间本身的能量大小。那么凡是能让小球静止不动的山谷，全都处于真空的状态。换句话说，真空就是一个能让置身其中的物体稳定存在的时空区域。就如果不同的山谷也会有海拔高低之分，即使是真空中的能量也会有差异。在所有的真空中，有一个能量最小的真空（对应于海拔最低的那个山谷）被称为“真真空”；而其他能量较大的真空（对应于海拔较高的那些山谷）则被称为“假真空”。换言之，假真空就是能量较高的真空。 戴自海率先意识到了一个最关键的问题：如果宇宙在诞生之初就处于一个假真空的环境里，它将会如何演化？但就在取得重大突破的前夕，戴自海却跑回中国参加了一个为期一个半月的学术会议。这是中国科学史上时机最差的学术会议，没有之一。 要知道，那是一个没有电子邮件的年代。戴自海一回中国，他与古斯的联系便完全中断了；等他重新回到康奈尔的时候，古斯已经离开康奈尔去了斯坦福，两人的合作也就此终止。 正是在两人分开后的这段时期，古斯做出了宇宙学历史上最重大的突破之一。他发现如果宇宙诞生在一个高能量的假真空环境里，它就会被假真空的能量推动而向外膨胀。这有点像烤箱里的面团，会由于受到烤箱的热量而膨胀成面包。 更关键的是，古斯发现这种情况下，宇宙的膨胀一定是指数式的膨胀。 没错，这正是前面说过的暴胀。 有了暴胀，磁单极子问题就变得很简单了。打个比方，如果将一把花瓣撒到一盆水中，你肯定能很轻易地从这盆水中把这些花瓣都找出来，那如果把这盆水变得和太平洋一样大，你还能在太平洋里把这些花瓣都找出来吗？显然就做不到了。找不到磁单极子也是同样的道理。 除了能解决磁单极子问题以外，古斯发现暴胀还能同时解决另外两个更加棘手的宇宙学难题：平坦性问题和视界问题。 是不是听起来有点不知所云？没关系，下面我们就通过打比方的方式来讲讲它们到底是什么。 平坦性问题和视界问题的通俗解释 我们日常生活中对平坦和弯曲的概念其实都局限在二维。比如说，桌子表面是平坦的，皮球表面是弯曲的，这两个表面都是二维的。由于我们是从三维世界看二维，所以可以很直观地判断这些二维物体到底是平坦还是弯曲。但如果换成是一只生活在二维空间的小蚂蚁，它该如何判断自己所处的空间到底是平坦还是弯曲呢？有一个简单的办法：在自己的空间内画一个三角形，然后测量此三角形的三个内角之和。如果内角之和等于180°，它的空间就是平坦的；如果内角之和大于180°，它的空间就被弯成了一个球的形状；而如果内角之和小于180°，它的空间就被弯成了一个马鞍的形状。 回到我们生活的三维空间，这个空间本身是平坦的还是弯曲的？由于不能从四维世界看三维，这个问题对我们这些三维生物来说就不是那么直观了，但它的本质完全没变，依然可以用画三角形的办法来判断。还真有人这么干过，那就是被称为“数学王子”的著名数学家高斯。高斯是世界上最早怀疑我们生活的三维空间可能并不平坦的人之一，为此他还专门跑到德国的深山里画过三角形。不过这事高斯是偷偷摸摸干的，因为他怕别人发现以后会嘲笑他是神经病。 言归正传。从理论上讲，宇宙既可能是平坦的，也可能是弯曲的。由于平坦的状态只有一种，而弯曲的状态有无数种，从概率的角度来说应该是处于弯曲状态的可能性要大得多。但实际的天文观测表明，我们的宇宙是平坦的。这就很奇怪了。为什么宇宙会恰恰处于那种可能性最小的平坦状态呢？这就是所谓的平坦性问题。 现在让我们来看看视界问题。视界问题是问，为什么宇宙会这么均匀，以致于到处看起来都一样？这听起来很玄奥，我们打个比方来解释。 假设有一群考生在同一间教室里参加了一场时间为两小时的考试，老师在批改卷子的时候发现所有人的答卷竟然完全相同，甚至连错误都一模一样。这该怎么解释呢？唯一的可能就是这些考生互相对了答案；或者说，他们彼此之间交流了信息。 图片来源：《天才枪手》官方剧照｜豆瓣 那如果现在有两群考生，其中一群人呆在地球，而另一群人呆在离地球4.3光年之遥的比邻星，他们也在同一时间参加了一场时间为两小时的考试。你猜怎么着？所有人的答卷竟然还是一模一样！这就很诡异了。答卷一模一样说明他们之间肯定交流了信息。但这两群考生相距4.3光年之遥，即使用速度最快的光也要花整整4.3年才能把答案给传过去。那他们是用什么办法，在短短两个小时的时间内就完成了信息的交流？ 这个问题可以推广到整个宇宙。目前的天文观测表明，在足够大的尺度上，宇宙中物质分布地特别均匀，以致于到处看起来都一模一样，这说明过去一定发生过信息的交流。但整个宇宙又这么大，即使是速度最快的光也不可能跑得完，那它们如何完成了信息的交流？换句话说，宇宙如何完成超光速的信息交流？这就是所谓的视界问题。 古斯提出的暴胀，它砸扁了这两个“钉子” 你看，无论是平坦性问题还是视界问题，都很让人费解吧？不过有了暴胀理论，这两大难题全都迎刃而解。 先说平坦性问题吧。为什么宇宙会如此平坦？因为无论它在创生之初是什么形状，暴胀都能把它给弄平。举例来说，如果给你一颗小玻璃球，你可以很快判断出它并不平坦。现在把这颗玻璃球变得和地球一样大，你还能很快判断出它并不平坦吗？事实上，我们每天生活在地球上，根本察觉不到大地其实是球形的。这意味着，半径越大的圆球，它的弯曲程度就越小。暴胀迅速放大了整个宇宙的尺寸，从而把宇宙创生之初的空间弯曲给抹平了。 视界问题也变得很简单了。暴胀的效果可以想象成是把一座两层高的小楼，在转瞬之间就变得和整个银河系一样大。所以前面提到的那两群考生其实原本就呆在同一间教室，只是后来暴胀使空间本身发生了极速的膨胀，从而让这两群考生一下就相距了4.3光年——但其实在一开始，他们就已经完成了信息的交流。 1981年，艾伦·古斯发表了一篇划时代的论文。这篇论文正式提出了暴胀的概念，让古斯在学术界一夜爆得大名。但耐人寻味的是，这篇论文主要在研究平坦性问题和视界问题，而对磁单极子问题只一带而过。古斯对此的解释是，磁单极子仅仅是大统一理论的一个预言；大统一理论本身就不见得对，磁单极子问题自然就不值得认真讨论了。这个解释本身当然无可厚非，但正是由于没怎么讨论磁单极子，戴自海就没能成为这篇论文的作者。 现在想来，如果戴自海当初没有回中国开会，或者当年能像现在这样方便地通过电邮或微信来交流，或许历史就会是另一个写法了吧。 一点番外，以及下集的预告 让我再讲一点关于古斯的趣事吧。一夜成名后的古斯很快就结束了颠沛流离的博士后生涯，成了麻省理工学院的一名正教授。在麻省理工学院，他很快又因生活邋遢而再度出名。 有一年，《波士顿环球报》组织评选最脏乱差的名人办公室，结果古斯的办公室以压倒性的优势获胜。此外，古斯还喜欢在听学术报告的时候睡觉。他往往会在报告结束众人鼓掌的时候醒来，然后向演讲者问几个问题。 由于能同时砸扁三枚钉子，暴胀理论取得了巨大的成功。但很快就有人发现，古斯的暴胀理论其实存在着一个致命的缺陷。 |
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