互动科普

爆胀模型的一些最新版本把宇宙描绘成一个自产生的分形，它生长出其它的爆胀宇宙。

如果我的同事和我是正确的，则我们就可立刻对我们的宇宙是在大爆炸中形成的一个单独火球的观点说一声“再见”。我们正在基于已有15年历史的、宇宙经历了一个爆胀阶段的见解来探索一种新的理论。这一理论主张，在爆胀阶段，宇宙在一秒的无限小部分按指数增大。在这一阶段结束之时，宇宙才根据大爆炸模型继续其本身的演化。当研究人员琢磨爆胀模型时，他们发现了某些惊人的后果。其中之一就是人们对宇宙的看法的根本变化。爆胀理论的一些最新版本断言，宇宙不是一个膨胀着的火球，而是—个巨大的正在生长的分形。它由许多能产生新球的爆胀球所组成，而这些新球又产生更多的球，就这样永远地持续下去。

宇宙学家们并不是任意地创造了这一相当奇特的宇宙观。若干研究人员——首先在俄罗斯，后来在美国——提出的爆胀假说是这一宇宙观建立的基础。我们之所以这样做是想解决旧的大爆炸观点遗留下的某些复杂情况。大爆炸理论的标准模型认为，宇宙是在距今约150亿年时由一个宇宙奇点——温度和密度均为无限高的一种状态——诞生的。当然，人们还不能真正从物理意义上把这些量说成是无限的。人们通常认为，通用的物理定律不适用于那个时候。这些定律之有效，仅仅是在宇宙的密度降到所谓的普朗克密度之下的时候，普朗克密度为每立方厘米大约1034克。

随着宇宙的膨胀，它就逐渐变冷。但原始宇宙火的残余仍然以微波背景辐射的形式围绕着我们。这种辐射表明，宇宙的温度已降到2.7开氏度。由贝尔实验室的Arno A. Penzias和Robert W. Wilson于1965年发现的微波背景辐射已成岁将大爆炸理论确立为宇宙学卓越理论的关键性证据。大爆炸理论还解释了宇宙中氢、氦和其它一些元素的丰度。

随着研究人员对大爆炸理论的研究，他们发现了一些复杂难解的问题。例如，与现代基本粒子理论相结合的标准大爆炸理论预言了带有磁荷的许多超重粒子——即只有一个磁极的实体——的存在。这些磁单极子应具有1016倍质子质量的典型质量，即约为0.00001毫克的质量。根据标准大爆炸理论，单极子在宇宙演化的很早时期就应出现，并且现在的磁单极子丰度应与质子的丰度一样。在此情况下，宇宙中物质的平均密度应比其现在值（约为每立方厘米10-29克）约大14个数量级。

上述难题以及其它一些难题迫使物理学家们更留心于考察作为标准宇宙学理论基础的各基本假定，而且我们也发现多数假定是非常可疑的。我将考察这些最困难之处中的六个。第一个也是最重要的一个难题就是是否发生过大爆炸的问题。人们可能会问，在大爆炸之前是什么呢？如果那时不存在时空，万物又是怎样从“无”产生的呢？是谁最先出现——宇宙还是决定宇宙演化的定律？解释这一初始奇点的问题——初始奇点究竟开始于何处、何时——仍然是现代宇宙学中最难对付的问题。

第二个麻烦之处是空间的丰度问题。广义相对论认为，空间可能是很弯曲的，其典型半径约为普朗克长度，即10-33厘米。然而我们看到，我们的宇宙在1028厘米（宇宙可观测部分的半径）的尺度上差不多是平直的。我们的这一观测结果同理论预期值相差60多个数量级。

在理论和观测值之间的类似差异还涉及到宇宙的大小。宇宙学研究表明，我们可观测的这部分宇宙至少含有1088个基本粒子。但是为什么宇宙这样大呢？如果人们考虑其典型初始大小为普朗克长度、典型初始密度为变朗克密度的一个宇宙，则采用标准大爆炸理论人们就可以计算出这样一个宇宙可能含有多少基本粒子。答案是非常出乎意料的：整个宇宙仅仅大到足以刚好容纳一个基本粒子，或者充其量是10个基本粒子。宇宙甚至不可能容纳下《科学美国人》的一位读者，因为一位读者是由大约1029个基本粒子所组成的，显然，这一理论的什么地方出了差错。

第四个问题涉及膨胀的同步性。大爆炸理论的标准型式设想宇宙的所有部分都是同时开始膨胀的。但是宇宙的所有不同部分如何能同时开始其膨胀呢？谁下的命令？第五个问题是关于宇宙中物质的分布。在很大的尺度上，物质以惊人的均一性向外扩散。在直径超过100亿光年的范围上，物质的分布偏离完全均一化的程度小于一万分之一。长期以来，谁也不知道，为什么宇宙如此地均匀。但是，那些不知道的人有时提出若干原理。作为标准宇宙学基础之一的就是“宇宙学原理”，它断言宇宙一定是均匀的。然而，这一假定没有多大的帮助，因为宇宙有着对均一性的重要偏离，这些偏离就是恒星、星系和其它的物质团聚。因此，我们必须解释宇宙为什么在大尺度上如此均一而同时又必须提出产生星系的某种机制。

最后一个问题就是我称之为的唯一性问题。阿尔伯特· 爱因斯坦抓住了这一问题的实质，他说：“真正引起我兴趣的是，在宇宙的形成中上帝有没有作选择。”的确，自然界物理常数的微小改变就能使宇宙以完全不同的方式展现出来，例如，许多流行的基本粒子理论认为时空最初的维数要比四维（三个空间维和一个时间维）多得多。为了使理论计算与我们生活于其中的物理世界相符合，这些模型主张所有额外的维已被紧致化了，即缩小到一个很小的尺寸因而被隐藏起来。但是人们可能会问为什么紧致化作用刚好停止在四维，而不是二维或五维。

此外，其它各维卷缩的方式也是重要的，因为它决定了自然界各常数的值和粒子的质量。在某些理论中，紧致化作用可以以几十亿个不同的方式产生。几年前，要问为什么时空只有四维，为什么引力常数如此之小，或者为什么质子几乎比电子要重2000倍等这些问题，似乎是没有意义的。现在基本粒子物理学的发展使得回答这些问题对于理解我们世界的结构来说是至为关键的了。

所有上述问题（以及我尚未提到的其它问题）都是极使人困惑的。这就是为什么在自复制爆胀宇宙论范围内能解决许多这类难题令人鼓舞的原因。

爆胀模型的基本特征来源于基本粒子物理。因此，我想带领我们到这一领域——特别是弱相互作用和电磁相互作用的统一理论——去作一次短暂的旅行。这两种力都是通过粒子发挥作用的。光子传递电磁力；W粒子和Z粒子则造成弱力。但光子是无质量的，而W粒子和Z粒子则是非常重的。尽管光子与W和Z粒子之间有着明显的差别，但物理学家为了统一弱相互作用和电磁相互作用还是引入了所谓的标量场。

虽然标量场并不是日常生活中的东西，但还是有一个熟悉的类似物。这就是静电位——电路中的电压就是一个例子。只有当静电位是不平衡的（例如在电池的两极之间）情况下或者电位随时间而变化的情况下，才会出现电场。如果整个宇宙有着相同的静电位，比如说其值为110伏，则任何人都不会注意到它；这一电位似乎仅仅是另一种真空态。同样，一个恒定的标量场看来是一种真空：我们不能看到它，即使我们被它所围绕。

这些标量场充满宇宙，并以影响基本粒子的性质来显示其存在。如果标量场同W粒子和Z粒子发生相互作用，则这些粒子就变重。那些同标量场不发生相互作用的粒子，如光子，则仍然是轻的。

因此，物理学家们为了描述基本粒子物理就从这样一种理论开始着手，在这种理论，所有粒子最初都是轻的，并且在弱相互作用和电磁相互作用之间不存在任何基本差别。这种基本差别仅在更晚的时候才出现。即在当宇宙膨胀并被各样的标量场所充满的时候才出现。使各种基本力分开的作用称为对称破缺。出现于宇宙中的这种标量场的特定值由其位能最小值的位置来决定。

标量场在宇宙学中如同在粒子物理学中一样也起着关键的作用。这些标量场提供了产生宇宙快速爆胀的机制。诚然，根据广义相对论，宇宙的爆胀速率大约正比于其密度的平方根。如果宇宙充满着普通物质，则随宇宙的膨胀其密度就会迅速减小。但由于爱因斯坦所确定的质能等效性，标量场的位能也对膨胀有影响。在某些情况下，位能的减小比普通物质密度的减小要慢得多。

位能的稳定性可导致宇宙产生一个极快速膨胀的阶段，即爆胀阶段。即使人们只考虑标量场理论的最简单的型式，也会出现爆胀的可能性。在此最简单型式中，在标量场为零之处位能达到其最小值。这样，标量场越大，位能也就越大。根据爱因斯坦的引力理论，此标量场的能量必定会使宇宙很快速地膨胀。当标量场达到其位能的最小值时，膨胀就减慢下来。

想象这一情况的一种办法就是描绘一个沿大碗壁滚动的球。碗底代表能量的最小值。球的位置相当于标量场的值。当然，描述膨胀宇宙中标量场运动的方程组较之描述空碗内球运动的方程组要更复杂一些。描述标量场运动的方程组中有一个相当于摩擦（即粘性）的附加项。这种摩擦类似于碗内盛有糖浆。这种液体的粘度取决于标量场的能量：球在碗内越高，液体就越稠。因此，如果标量场最初很大，则能量的下降将会极慢。

标量场内能量下降的缓慢性对于膨胀速率有着关键性的含义。下降如此之慢，以致随着宇宙的膨胀，标量场的位能仍几乎是恒定的。这一行为与普通物质的行为形成鲜明对照，在膨胀宇宙中普通物质的密度迅速减小。由于标量场的巨大能量之故，宇宙曾以比爆胀宇宙论出现之前所预言的要大得多的速度持续膨胀。在这一状况下，宇宙的大小呈指数增长。

这一自维持的、按指数律快速爆胀的阶段，其持续时间并不长，可能短至10-35秒。一旦标量场的能量衰减，粘度就接近于消失，爆胀也就随之结束。如同球到达碗底时一样，标量场当接近其位能的最小值时它也就开始振荡。当标量场振荡时，它就失去能量并将能量以基本粒子的形式释放。这些粒子彼此相互作用，最终到某一平衡温度时稳定下来。从这时开始，标准的大爆炸理论就可用来描述宇宙的演化了。

当人们计算了爆胀结束后宇宙的大小时，爆胀理论和旧的大爆炸宇宙论之间的主要区别就显而易见了。即使宇宙在爆胀开始之时小到10-33厘米，在爆胀了10-35秒之后，这一区域就达到了令人难以置信的大小。根据某些爆胀模型，以厘米为单位的这一宇宙大小可等于1012——即是1后面跟1012个0。所得数值取决于所用的爆胀模型，但是大多数模型中所得出的宇宙大小比可观测宇宙的大小（1024厘米）要大许多个数量级。

这一巨大的激增立即解决了旧的宇宙论的大多数难题。由于所有的非均一部分都扩大了1010倍，所以我们的宇宙看来就是平滑和均一的了。原始单极子和其它不希望有的“缺陷”的密度按指数律变稀。最近我们发现，单极子本身可以爆胀，因此能有效地将它们自身从可观测宇宙中推出。宇宙已变得如此之大，以致我们现在仅能看到其很微小的一部分。这就是为什么我们的这部分宇宙（即可观测宇宙——译注）看来是平直的，如同一个巨大充气气球表面的一个很小的区域一样。这就是为什么我们无需乎要求宇宙的所有部分都是同时开始膨胀的。一个有着10-33厘米的最小的可能尺寸的区域就绰有余裕地足以产生出我们现在所看到的一切了。

爆胀理论并不总是在概念上看来那样简单。试图得出宇宙有一个呈指数膨胀的阶段已有很长的历史。不幸的是，由于政治障碍，这一历史仅部分为美国读者所知。

爆胀理论的第一个现实模型是于1979年由莫斯科兰道理论物理研究所的Alexei A. Starobinsky提出的。Starobinsky模型在俄罗斯天体物理学家中引起了轰动，在两年期间内它都是苏联所有宇宙学会议上讨论的主题。但他的模型是相当复杂的（它基于量子引力中的反常现象的理论），并且对有关爆胀实际上可能怎样开始的问题谈得不多。

1981年，麻省理工学院的Alan H. Guth提出处于某一中间阶段的炽热宇宙可能呈指数膨胀。他的模型来自于将早期宇宙的演化解释成一系列相变的理论。这一理论是由David A. Kirzhnits和我于1972年在莫斯科列别捷夫物理研究所提出的，根据这一观点，随着宇宙的膨胀和冷却，它就凝聚成不同的形态。水蒸汽也经历这类相变。随着水蒸汽的变冷，它就凝结成水，如果再继续冷却，水又变成冰。

Guth的观点要求在宇宙处于不稳定的过冷状态时发生爆胀。在相变过程中通常会出现过冷：例如，在适当环境中水在摄氏零度之下仍为液体。当然，过冷的水最终会凝固。这一事件相当于爆胀时期结束之时。使用过冷现象来解决大爆炸理论的许多难题的想法是特别具有吸引力的。不幸的是，正如Guth本人所指出的那样，他的模型中的爆胀后的宇宙变得非常不均一。他在研究其模型达一年之久以后，终于在一篇与哥伦比亚大学的Erick J. Weinberg共同署名的文章中放弃了该模型。

1982年，我们介绍了所谓的新的爆胀宇宙摸型，宾夕法尼亚大学的Andreas Albrecht和Paul J. Steinhardt也于晚些时候发现了这种模型。这种模型摆脱了Guth模型所遇到的主要难题。但它仍是相当复杂的并且是不很现实的。

只是在一年之后，我才认识到在许多基本粒子理论中爆胀是一个自然出现的特征，这些理论中包括上面讨论过的最简单的标量场模型。这儿根本不需要量子引力效应、相变、过冷、乃至宇宙最初是炽热的标准假定。人们只要考虑早期宇宙中标量场的所有可能的种类和数值，然后查看是否有一种标量场能导致爆胀。未发生爆胀的地方仍然是很小的，而发生了爆胀的那些区域则按指数增大并在宇宙的总体积中占优势。由于早期宇宙中各标量场都可取任意值，因而我将这一模型称为“混沌爆胀”（Chaotic inflation）。

混沌爆胀在许多方面也是很简单的，以致很难理解为什么未能很快发现这一想法。我认为其原因纯粹是心理上的。大爆炸理论的辉煌成功使宇宙学家们着了迷。我们曾假定，整个宇宙是同时形成的，宇宙最初是炽热的，标量场一开始就处于接近其位能最小值的状态。一旦我们开始放松这些假定，我们立刻就会发现，爆胀并不是理论工作者为了解决他们所遇到的难题而引入的一个奇异现象。它是发生在一大类基本粒子理论中的一个一般状态。

宇宙的快速扩张能同时解决许多困难的宇宙学问题，这种情况或许看来太令人满意以致很难信以为真。的确，如果所有的非均一现象都因扩张而消除掉了，那么星系又是怎样形成的呢？答案是，爆胀在消除先前存在的非均一性的同时又产生了一些新的非均一性。

这些新的非均一性是由于量子效应而出现的。根据量子力学，真空空间并不是完全空的。真空充满着小的量子起伏。这些起伏可以看成是波，即是物理场内的波动。这些波具有所有可能的波长并且在所有方向上运动。我们不能检测出这些波，因为它们只是短暂地存在并且是很微小的。

在爆胀宇宙中，真空结构变得更为复杂。爆胀迅速地使波扩展。一旦这些波的波长变得足够大，则波的起伏就开始“感觉到”宇宙的弯曲。这时，由于标量场的粘度（回想一下描述含有摩擦项的标量场的方程组）这些波就停止了运动。

最先冻结的起伏是那些有着大波长的波。随着宇宙的继续膨胀，新的起伏又会被扩展，并且冻结在其它已冻结的波的顶部。在这一阶段，人们就不再能把这些波称为量子起伏。它们中的大多数有着非常大的波长。由于这些波既不运动也不消失，所以它们在某些区域增大了标量场的值，而在另一些区域又使标量场的值减小，因此形成了非均一性。标量场的这些扰动又引起宇宙的密度摄动，这些摄动对于以后星系的形成是至为关键的。

爆胀理论除能解释我们世界的许多特征外，还做出了若干重要的、可检测的预言。首先，爆胀预言宇宙应是极平直的。宇宙的丰度可根据实验加以证实，因为平直宇宙的密度与其膨胀速度存在简单的关系。迄今的观测数据与这一预言相符合。

另一个可检测的预言与爆胀期间产生的密度摄动有关。这些密度摄动能影响宇宙中物质的分布。此外，它们还伴随着引力波的产生。无论是密度摄动还是引力波都会在微波背景辐射中留下它们的烙印。它们使宇宙不同的地方的这种辐射的温度稍有不同。两年前由《宇宙背影探测器》（COBE）卫星所发现的正是这种不均一性，以后又为其它的若干实验所证实。

尽管COBE的观测结果与爆炸的预言相一致，但要宣称COBE已证实了，爆胀理论或许还为时过早。然而，由该卫星所得结果在其现行精度水平上可肯定推翻大多数爆胀模型的情况并未发生，这也是千真万确的。在目前，没有另外的理论能在解释为什么宇宙如此之均一的同时又能预言由COBE所发现的“空间中的波纹”。

不过，我们不应有成见。仍然存在着某些新的观测数据会同爆胀宇宙论相矛盾的可能性。例如，如果观测结果告诉我们，宇宙的密度与相当于平直宇宙的监界密度显著不同，则爆胀宇宙论就会面临着真正的挑战。如果出现这种情况，还是有可能解决这一难题，但相当复杂。

另一个复杂情况有着纯粹的理论上的原因。爆胀模型是以基本粒子理论为基础的，而该理论本身也不是完全确定的。该理论的某些模型（最引人注目的是超弦理论）并不自然而然地导致爆胀。由超弦模型得出爆胀，可能需要一些从根本上说是新的概念。我们肯定应继续其它可能的宇宙学理论。然而，许多理论学家还是认为，爆胀或者与之很相似的某种作用来说是绝对必需的。随着粒子物理论的快速演变，爆胀理论本身也在变化。新的爆胀模型清单中包括持续爆胀、自然爆胀、混合爆胀，等等。每个模型都具有可通过观测或实验来加以检验的独一无二的特征。不过大多数模型还是基于混沌爆胀的概念。

下面我开始接触本文的最有趣的部分，接触永久存在的自复制爆胀宇宙的理论。这一理论相当全面，而且看来特别有前途，并且在混沌爆胀模型的情况下导致了最有戏剧性的后果。

正如我已经谈到的那样，人们可以把爆胀宇宙内标量场的量子起伏看成是波。这些波最初在所有可能的方向上运动，然后互相叠加地冻结起来。每一个冻结的波稍微增大了宇宙某些部分的标量场，同时又减小了另一些部分的标量场。

现在我们来看看宇宙中由这些新的冻结波使标量场持续增大的地方。这些区域是极罕见的，但是它们的确仍然存在，而且它们可能是极重要的。宇宙中这些罕见的、标量场突增到相当高的区城就会以不断增大的速度开始按指数律膨胀。标量场突增得越高，宇宙的膨胀就越快。很快这些罕见的区域就有着比其它区域要大得多的体积。

根据这一理论可以得出，如果宇宙至少含有一个足够大的爆胀区，则它就会不停顿地产生一些新的爆胀区。每个特定点的爆胀可以迅速结束，但许多其它的地方仍将继续膨胀。所有这些区城的总体积将无止境地增大。实质上，一个爆胀宇宙会生长出另一些爆胀泡，而这些爆胀泡又会产生另一些爆胀泡。

这一我称之为永久爆胀的过程作为一种连锁反应会持续进行下去，产生出宇宙的一个似分形模式。在此情况下，总的来说宇宙是永生的。宇宙的每一特定部分可来自过去某处的一个奇点，并且它可能在将来的某一奇点处结束。但是，对整个宇宙的深化来说，却没有终点。

就最开始来说，情况却不那么确定。存在着如下可能性，即宇宙的所有部分都是同时形成于一个初始的大爆炸奇点。然而，这一假定的必要性已不再是那么明显了。此外，在我们的“宇宙树”上，爆胀泡的总数随着时间的推移是呈指数律增长的。因此，大多数爆胀泡（包括我们自己的这部分宇宙在内）都会长得远离宇宙树的主干。尽管从实用观点来看，这一模型使初始大爆炸的存在与否几乎不相干了，但人们是可以把每一爆胀泡的形成时刻看成是一个新的“大爆炸”。从这一观点看来，爆胀已不再如我们在15年前认为的那样是大爆炸理论的一部分。相反，大爆炸却是爆胀模型的一部分。

在考虑宇宙的自复制过程时，人们不可避免地会进行类比，无论这些类比是多么表面上的。人们可能想知道，这一过程是否类似于发生在我们所有人身上的亊情呢？一些时候前，我们出生了。最终，我们会死亡，我们的思想、感觉和记忆中的整个世界都会消失。但是有人生活在我们出生之前，也有人生活在我们死后，而且人类作为一个整体，如果他们足够聪明的话，会长久生存下去的。

爆胀理论表明，宇宙也可能会发生类似的过程。根据如下认识，人们可以得出某种乐观的看法——即使我们的文明死亡了，在宇宙的其它一些地方也会有生命一次又一次地出现，而且是以所有可能的生命形式出现。

情况是否会变得更为稀奇古怪呢？答案是肯定的。到此为止，我们考虑的是只有一个标量场的最简单的爆胀模型，它仅有一个位能的最小值。同时，一些基本粒子的现实模型则提出许多种的标量场供考虑。例如，在弱，强和电磁相互作用的统一理论中，至少还有另外两种标量场。这些标量场的位能可以有若干不同的最小值。这一条件意味着，该理论可有一些不同的，相应于基本相互作用之间不同的对称破缺类型的“真空态”，其结果也就是相应于不同低能物理定律的“真空态”。在极髙能量下粒子的相互作用与对称破缺无关。

标量场的这些复杂情况意味着，宇宙在爆胀之后可变成区分为一些按指数律增大的区域，这些区域有着不同的低能物理定律。请注意，这种分区即使在整个宇宙最初处于仅具有一个特定位能最小值的同一状态时也会发生。的确，大的量子起伏会引起标量场从它们的最小值跃增。也就是这些起伏会从球所在的碗中摇晃出一些球进入另外的碗内。每一个碗有着与之相适应的、可供采用的粒子相互作用定律。在某些爆炸模型中，量子起伏如此之强烈，甚至空间和时间的维数也会发生改变。

如果这类模型是正确的，则仅仅靠物理学就能对宇宙中我们分布情况的所有特性做出完整的解释。同一个物理理论可以得出宇宙的若干个有着不同的特性的大块区域。根据这类模型，我们发现：我们自己之所以位于具有我们所知的各物理定律的一个四维区域内，这并不是由于具有不同维数和其它特性的区域不可能存在或不大可能存在，而仅仅是由于象我们这样的生命形态在其它区域内不可能存在。

这是否意味着，要了解宇宙中我们这部分区域的所有特性。除了物理学知识外还需要深入研究我们本身的性质，或许甚至还包括我们的意识的性质呢？这一结论肯定是爆胀宇宙学最新发展所得出的一个最出乎意料的结论。

爆胀理论演变出了一个完全新的宇宙模型，它显然不同于老的大爆炸理论，甚至也显然不同于爆胀模型最初的那些版本。在这一新模型中，宇宙看来既是混沌的又是均一的，既是膨胀的又是定常的。我们的宇宙之家在增大、起伏，并且以所有可能的形式不断地复制其自身，好像为了适应它能够供养的所有可能的生命类型而在调整着它自己。

我们希望，这一新理论的某些部分在未来的好几年内能与我们并驾齐驱。其它许多部分将不得不作大幅度修改，以符合新的观测数据和经常在改变的基本粒子理论。然而，宇宙学过去5年间的发展，看来已不可逆转地改变了我们对我们宇宙的结构和命运的认识，以及对我们宇宙中我们自己所在的地方的认识。

【肖仲洋/译 郭凯声/校】