互动科普

不断有证据证实宇宙比传统的暴胀理论所推测的物质更少，因而膨胀速度更快。但是这些观测结果需要有一个更为准确的理论模式来加以解释。

尽管宇宙是以一门困难学科而著称，但是在大多数场合解释整个宇宙比弄懂一个单细胞动物更为容易在最大的宇宙尺度上，也就是那些恒星、星系甚至星系团都是一些斑点的情况下，物质都是均匀分散开的而且物质只受一个力的控制，那就是目I力。两大基本观测结果——大尺度的均匀化及引力占主导地位——构成大爆炸理论的基础，据此可知我们的宇宙在过去120亿年中一直在不停地膨胀之中尽管其基础很简单，但是这一理论仍然非常成功地解释了星系的相互退行速度、轻元素的相对数量、太空中模糊的微波闪烁及天文结构一般演化过程。宇宙似乎对其细节完全不敏感。遗憾的是对生物学家来说，同样的原理也无法运用于哪怕是最简单的生物。

然而在大爆炸理论中仍然存在着某些先天的矛盾之处。二十年前宇宙学家通过引入粒子物理学的概念解决了这些麻烦——最终产生了“暴胀”理论。但是现在这一理论本身也正面临危机，这是因为最新的观测结果在宇宙物质的平均密度上背离了这一理论的预言。宇宙学家们现在意识到宇宙并不象他们想象的那样简单。要么他们必须假定物质或能量存在一种奇特的形式，要么他们必须在暴胀理论中加上更复杂的理解。本文将集中进行第二种方式的选择。

严格地说，大爆炸理论并没有描述宇宙的诞生，更不用说它的生长和成熟了。按照这一理论，初期的宇宙是一口非常炽热致密的辐射大锅。它的一部分，比萝卜更小的一块最终演化为今天可观测到的宇宙。(宇宙还有其它一些部分，或许其范围无穷大，以至我们无法看到，那是因为其光线迄今还未到达地球)一个膨胀宇宙的观点可能会引起混乱：即使是阿尔伯特，爱因斯坦最初也是带着怀疑的眼光来看待它的当宇宙膨胀时，任何两个独立天体间的距离将会增大。由于遥远星系间的空间自行扩大，它们将会分开就象葡萄干在一个胀大的面包内分开一样有关均匀宇宙膨胀的一个自然后果就是哈勃定律，即星系离开地球(或宇宙中的其它任一点)运动的速度与其距离成正比。并不是宇宙中所有的天体都遵循这一定律，因为相互间的吸引力是抵抗空间膨胀的。例如，太阳和地球并不会运动分开但是这一定律在最大尺度上是适用的在大爆炸的最简单模型中，膨胀总是几乎相同的速度发生。

开始时的矛盾

当年轻的宇宙膨胀时，它会冷却变薄然后逐步变得复杂某些辐射变成常见的基本粒子和简单的原子核经过大约30万年，温度下降到3000℃，冷却到足以使电子和质子结合生成氲原子。这时宇宙开始变得透明，释放出著名的宇宙微波背景辐射这种辐射非常平滑，表明早期宇宙不同区域物质的密度仅有十万分之一的变率。这种变化尽管很小，但是细微的积聚最终都会形成星系和星系团(见P James E Peebles，David N Schramm，Edwin L Turner和Richard G Kron所著”宇宙的演化”一文：(科学)杂志1995年第2期)。

尽管标准的大爆炸理论取得了成功，但是它仍然无法解答几个深奥的问题。首先，为什么宇宙会这样均匀太空中两个相对的区域总体上看都是一样的，而它们实际上相隔达240亿光年光仅仅只运行了120亿年，因此这两个区域仍能彼此看到。对于在这两个区域之间流动并使其密度和温度均匀的区域物质热量或光来说，时问决不够(劈圈4)。从某种程度上说宇宙的均匀性一定早于膨胀，但是大爆炸理论并不能解释这是怎样形成的。相反，为什么早期的宇宙又会有密度变化呢？幸运的是，它发生了：如果没有这些细微的变化，今天的宇宙仍然是均匀的密度——每立方米几个原子——那么不管是银河系还是地球都不会存在。

最后，为什么宇宙膨胀的速度正好使宇宙中所有物质的引力合力抵消呢？对于完全平衡的任何显著偏离都会随着时间的推移而增大。如果膨胀的速度太大，今天的宇宙将几乎不会在有物质存在。如果引力太强，宇宙就会在大收缩中坍缩，而你也不会读到这篇文章了。

宇宙学家用变量n来表示这个问题，n是引力能与动能(也就是指太空膨胀时物质运动的能量)之比该变量与宇宙中物质的密度成正比——密度较高意味着引力较强，也就是指n较大。如果n等于l，那它的值保持恒定：否则它就在自增强进程中迅速降低或增大直到动能或引力能占优势经过数十亿年后，n实际上将会为0或无穷大。由于宇宙的最近的密度既不为0也不是无穷大(很幸运)，n的初始值肯定正好是l或几乎接近于l(误差小于l0分之一)。为什么？大爆炸理论除了沉默之外不能作出任何解释.

这些缺陷并不会使该理论无效——它还是能够解释数十亿年的宇宙历史一一但是这些缺陷确实表明该理论并不完整。为了填补这一空白，在本世纪八十年代初宇宙学家Aian H Guth，Katsuhiko Sato、Andrei D Linde、Andreas Abbrecht和Paul J Steinhardt提出了暴胀理论。(见Alan H Guth和Paul J Steinhardt所著“暴胀宇宙”一文：《科学》1984年第9期)

解决这些矛盾的代价就是使大爆炸理论更复杂暴胀理论假定幼年时期的宇宙经历了一段非常快的膨胀(因此有暴胀之名)。与平常的大爆炸理论的膨胀随时间减缓不同的是，暴胀理论中的膨胀随时间增强它可以使任何两个独立的天体在瞬间分开——最终甚至比光还快这种运动并没有违反相对论，这种理论认为有限质量的物体在空间中的运动速度不会超过光速。事实上，物体仍然是与空间保持相对状态的最小值暴胀场的值是空间本身的膨胀速度超过光速。早期宇宙如此之快的膨胀可以解释今天宇宙的均匀性所有可以看见的宇宙的各部分曾经都是靠得很近的，这样它们才能达到正常的密度和温度。在暴胀期间，这种均匀宇宙的各部分散开脱离接触；只是到后来暴胀结束之后，光才有时间赶上较慢的大爆炸膨胀。如果在更广阔的宇宙中有任何不均匀的地方，那它迟早会看得到。

野外观测

为了产生这种快速的膨胀，暴胀理论在宇宙学中引入了一个来自于粒子物理学的新要素：“暴胀”场。在现代物理学中，基本粒子，例如中子和电子都是用量子场来表示，这种场与常见的电场磁场和引力场相似。一种场不过是空间和时间的一种函数，场的振荡被解释成粒子场是力传播的原因。

暴胀场提供了一个导致空间扩张的“反引力”与给定值暴胀场相伴的是某～势能很象一个球滚下山坡暴胀场试图使球滚向其潜在的底部(见图1)但是宇宙膨胀产生了阻碍其下降的被称为宇宙摩擦力的力只要摩擦力占优势，暴胀场就差不多固定下来了其值几乎是恒定的，这样反引力在强度上才会战胜引力一一从而相邻物体间的距离才能以更快的速度增大最终暴胀场变弱并将其剩余的能量转化为辐射。然后宇宙的膨胀就以标准大爆炸模型的速度继续下去。

宇宙学家用宇宙形状来考虑这一过程根据爱囡斯坦的广义相对论，引力是一种几何效应：物质和能量使空间和时间的构造弯曲，歪曲了物体运动的路径。宇宙的全面膨胀本身也是一种空间和时间的弯曲，它是受n控制的(见图3)如果n比l大，宇宙就是正弯曲，就象桔子的表皮一样，只不过是在三维立体空间中(是一个球面，即“封闭的”几何体)如果n小于1，字宙就是负弯曲，就象一块炸土豆片(是一个双曲面，即“开放的”几何体)如果它等于1，字宙就是平坦的，象一个薄煎饼(常见的欧几里得几何体)。

暴胀使可观测的宇宙变平，不管宇宙的初始形状是什么，这种快速的膨胀都会使其胀得很大并使其中大部分区域无法看见。在很小的可见部分可能是平坦的，就象地球表面的一小部分看上去也是平坦的一样因此暴胀使可观测的n值趋近于1。同时，物质和辐射密度的初始的不规则性都变平滑。

因而在标准暴胀理论中宇宙的平坦性与均匀性是联系在一起的对于象今天这样均匀的宇宙来说，该理论认为，当n等于1且误差小于十万分之一时，宇宙应该是非常平坦的，任何与此精确平坦性的偏离都根本不可能被天文学家观测到因此，在过去二十年的大多数时间内观测到的平坦性都被认为是该理论的坚定预见。

这样就有一个问题。现在关于星系团和遥远超新星的大量天文观测结果表明，引力很弱，无法与膨胀相抗衡如果是这样的话，物质密度就肯定会小于预期值一一n大约等于0.3。也就是说，宇宙可能是弯曲的，并且是开放的。可以有三种方式来懈释这一结果第一种就是暴胀理论完全是错误的。但是如果宇宙学家放弃暴胀理论，那么用该理论懈决得很好的可怕矛盾就会重新出现，并需要一种新的理论来加以解决。就目前所知还没有这样的理论。

第二种解释就是从遥远超新星观测得到的加速膨胀中鼓起勇气(见本期Graig J Hogan、Robet P Kirsllner和Nicholas B Sunzeff所著“用超新星测量时空”一文)。这种膨胀暗示着有一个以“宇宙常数”形式存在的额外能量。这种额外的能量扮演了一种古怪的物质使空间弯曲，其作用与普通物质引起的弯曲一样。其综合效应将使空间变得平坦，在此情况下暴胀理论不会有值得担心的地方(见本期Lawrence M Krauss所著“宇宙反重力”一文)。但是这种宇宙常数的推断受困于尘埃的不确定性和经历超新星爆发的恒星的特性因此宇宙学家们必须保持其选择和自由性(可以这么说)。

气泡宇宙

第三种方式是直接面对观测结果并询问一个平坦的宇宙是否真的不可避免地是由暴胀引起的这种方法涉及到更早期的该理论的另一个扩充，具有某些新的复杂性。这条路线最初是由哈佛大学的Sydny R Coleman和Frank de Luccia及普林斯顿大学的J Richard GottⅢ于二十世纪八十个代初提出的这些想法忽视了十儿年，最近才由本文作者之～(Bucher)和现在剑桥大学工作的Neil G. Turok以及在石溪纽约州立大学工作的Alfred S Goldhaber、大阪大学的Misao Sasaki和Tkahirc)Tanaka及东京大学的KazuhiroYamamoto重新发展起来。Linde和他的合作者们已经提出了关于这些想法的某些具体的模型和范围。

如果暴胀场具有一个不同的势能函数，那么暴胀将会使空间以精确而台理的方式弯曲——让宇宙稍微有些弯曲而不是完全平坦。尤其是假设势能函数有两个谷一一虚假的(局部的)最小值与真实的(全部的)最小值(见图1)当暴胀场向下滚动时，宇宙膨胀变得均匀。但是以后暴胀场就达到虚假的最小值。物理学家称这种状态为“虚拟真空”而宇宙中的任何物质和辐射都几乎会被暴胀场的能量所取代。随后量子力学固有的振荡就会使暴胀场发生抖动并最终使其脱离虚假最小值——就象摇动一个弹球机会使球弹出一样。

这种被称作虚拟真空衰变的脱离过程不会同时发生在每一个地方，而是首先发生在某些随机的位置然后蔓延开来。这一过程与煮开水相类似。水被加热到沸点时并不会使每一处的水都同时变成水蒸汽。首先，由于原于的随机运动，使气泡蔓延到液体中一一就象肥皂在水中起泡一样。较小的气泡由于表面张力的作用而破碎。但是在较大的气泡中，水蒸汽与过沸水之间的能量差会克服表面张力的作用：这些气泡就会在水中以声速膨胀。

在虚拟真空衰变的过程中，量子起伏起着随机原子运动的作用，使真实真空的气泡成核表面张力又使大多数这些气泡破碎，但是有一些气泡终于长大从而使量子效应显得不那么重要由于没有任何阻碍，这些汽泡的半径就会光速持续增大当一个气泡的外壁在空间通过某一点时，该点的暴胀场就会被震出虚假晟小值处并重新开始其下降过程。随后气泡内部的空间又会以标准暴胀理论的方式暴胀。这个气泡的内部相当于我们的‘字宙暴胀场脱离其虚假最小值的那一时刻相当于较老理论中的大爆炸对于与成核中心距离不同的点来说，大爆炸发生在不同的时间。这种不一致似乎很奇怪至少可以这样说。但是对暴胀场仔细观察后可以发现接下来的精形暴胀可以当作一个精密时钟：暴胀场在某一给定点的值表示大爆炸在该点发生后所经历的时间。由于时间在大爆炸发生时的滞后因此暴胀值并不是在任何地方都相同：它在气泡壁处最高并且朝中心逐渐降低从数学上说，暴胀在弯曲面上是恒定的(见图2)。

暴胀值并不抽象，它决定了气泡内部宇宙的基本性质——即是其平均密度和宇宙背景辐射的温度（今天是绝对零度之上2.7℃）。在一个双曲面上，密度、温度和经历时间都是恒定的。这些面就是观测者在气泡内部感觉到的恒定“时间”。它与在气泡外部经历的时间是不一样的象时间这样的基本概念在内部和外部不同怎么可能呢？基于在爱固斯坦相对论之前对空间和时间的理解，这样的事情似乎确实是不可能的。但是在相对论中，时空之间的区别很模糊。观测者称作“空间”和“时间”的东西很大程度上是为了方便，不确切的说，时间便实施无变化的方向，而在气泡内部的变化则由暴胀所控制。

壳内反弹

按照相对论的观点，宇宙有四维一一三维空间一维时间。一旦时间被确定剩余的三个方向肯定是空间方向，在它们的方向中时间是恒定的因此，气泡字宙从里面看似乎是双曲面对我们来说，在空间旅行实际上是沿一条双曲线运动。时间朝后看是向气泡壁看。一般来说，我们可以看到气泡外面，但是实际上在大爆炸之前早期密实而晦暗的宇宙是看不见的。

时空的这种合并使一个完全呈双曲面的宇宙(其体积是无限的)在其内部符合一个正在膨胀的气泡(其随时间而增大的体积总是有限的)在气泡外看其内部空间实际上是一个时空的混合。由于外部的时问是无限的因此内部的空问也是无限的。

气泡宇宙的这种似乎很奇怪的概念由于其强调n要等于l因而是不符合暴胀理论的。尽管气泡形成了双曲线但是气泡并未说明它们的精确尺度。而尺度是由膨胀势确定的，它与n的值一样随时间改变最初，气泡内的n值等于零。在暴胀过程中，其值增大，接近于l。因此双曲线从急剧弯曲处开始逐渐变平。暴胀势决定了变平的速度和持续时间。最终气泡内的暴胀在n很接近于l但又比l稍小的位置达到平衡时中止。然后n开始降低如果气泡内的暴胀持续时间正好合适(达到百分之几)那么现在n的值就将达到观测值。

乍一看这个过程可能很奇怪，但是其主要结论却很简单：宇宙的均匀性和几何形状并不需要有联系。它们可能产生于不同的暴胀阶段：均匀性产生于气泡成核之前的暴胀；几何形状产生于气泡内的暴胀。由于这两种性质并不会互相交叉因而均匀性的需要并不确定暴胀的持续时间，暴胀只需要持续到足以使双曲线得到所需的平坦度为止实际上，这一有系统的讲述是直接源于大爆炸理论。标准的暴胀观点讲述在传统的大爆炸膨胀之前发生的事而新的观点，也就是开放暴胀的理论，在标准暴胀之前加入了另一相阶段。讲述更早时期的另一个理论需要懈释宇宙的原始形成过程(见本文后面框内的文字)。

在气泡宇宙中生活是一件非常有趣的事(如果不考虑科幻小说情节中的一些可能性的话)例如，一个外面的观察者可以很安全地穿过气泡从外部进入内部但是一旦进入内部，观察者(就象我们一样)就永远不可能离开要离开的话需要运动速度超过光速。另一层含意在于我们的宇宙仅仅是无限多的气泡中的一个、这些气泡处于众多永远在膨胀的虚假真空的泡沫海洋中。如果两个气泡相撞会怎样？它们的相撞可能会造成宇宙的一部分发生爆炸，使靠近相撞点的气泡内部所有一切都遭到破坏幸运的是，由于气泡的成核过程是一种非常少见的情形，因此这种灾难并不大可能即使发生一次灾难气泡的实体部分也不会受到影响对在气泡内部但又处于安全距离处的观察者来说，这种情形就象是在太空中的一个炽热区域一样。

确定证据

怎样来证实这一理论呢？解释宇宙为什么是均匀的确是一件好事情。但是要证实一个理论需要有一些定量的预言与观测结果进行比较l994年两个完善这一理论的小组与普林斯顿大学的Bharat V. Ratra和P. James E. Peebes一起对开放暴胀的特有效应进行了计算。

新旧两种暴胀概念都会基于量子效应作出确定的预测，而这些效应又会使空间不同的点经历稍有不同的暴胀过程。当暴胀结束时，某些能量会脱离暴胀场成为一般的辐射一一这些辐射是随后进行的大爆炸膨胀的燃料由于暴胀持续时间在各个地方有所不同，因此残余的能量与辐射密度也有所不同。

宇宙背景辐射为这些起伏波动提供了一次快照机会。在开放暴胀过程中，它不仅受到那些产生于气泡外部同时波及到内部的振荡的影响。其它的起伏是由气泡的不完整成核过程引起的。这些形式应该在最大范围内引起我们的最足够的重视。实际上，它们使我们能看到在我们的气泡宇宙之外的世界。另外，本文作者之一(Spergel)和哥伦比亚大学的Marc Kamionkowski以及东京大学的Naoshi Sugiyama共同意识到开放暴胀可能具有另一种纯几何的效应。

在最近的精确度水平上，观测结果还不可能区分两种暴胀理论之间的差异。真实的结果将会在几年后由国家航空航天局计划发射的微波各向异性控测器(MAI)上得到。欧洲一种更先进的同类仪器Planck计划将于2007年发射升空这。些卫星将进行的观测工作与差不多十年前在宇宙微波背景探测器(COBE)卫星上进行的工作相似但其分辨率要高得多它们可以指出哪个理论——要么是宇宙恒定暴胀理论要么是开放暴胀理论——是正确的或者它会指出两种理论都不适合，这样研究人员将会开始寻找某些有关极早期宇宙演化的新的假说。