互动科普

如果宇宙暴胀理论遭到失败，取而代之的理论是什么呢?

虽然然宇宙暴胀理论看起来似乎战无不胜，但宇宙学家们对其它一些理论仍然保持着一定的兴趣。例如，稳态理论(steady state theory，在20世纪60年代以前一直被视为大爆炸的主要对立理论)由于少数鼓吹者的努力而始终顽强地坚持着。所谓“大爆炸前理论”(pre—bigbang theory，在弦理论的推动下对暴胀进行修改而得到的一种理论)也吸引了一些人。但是最有希望、最能引起人们兴趣的对立理论大概要算光速可变理论(varying—speed-of—light theory，VSL)，它是我和我的同事们在过去几年的时间里发展起来的。这些持不同意见的理论使宇宙学变得更加丰富多彩，即使它们没有起其它任何作用。它们也反映了一种令人烦恼不已的怀疑情绪：暴胀理论及其衍生理论所煽起的狂热是否掩盖了某种严重的错误?

主流宇宙学理论(如暴胀理论)以一个关键性的假设为基础，这个假设就是光速以及其它基本物理常数永远保持同数值(毕竟它们被称为常数)。这个假设迫使宇宙学家们采纳了暴胀理论及其所有稀奇古怪的推论。而且实验也果真证明这些推定的常数并没有出现明显的老化。但是研究人员仅仅考察了过去10亿年左右的时期内这些常数的数值。根据这一点就认定它们在整个宁宙寿命期间都保持不变——这实在是有点过分的外推。实际上，在大爆炸宇宙中，这些假设为常数的数值是否会像宇宙的温度和密度那样，随着时间的推移而逐渐变化呢?

理论家们发现，某些常数可能比其它常数更容易放弃其恒定不变的地位。例如，引力常数G与电子的电荷e的不变性就常常受到理论上的诘难，但这并没有激起物理学界的公愤，也没有掀起轩然大波。事实上，从狄拉克30年代进行的关于常数可变的开创性研究，到不久前才问世的弦理论，把引力常数G从不变性的宅座上拉下来的尝试始终是非常时髦的事情。然而光速c的情况则不同，它可是触犯不得的、其理由很明显：光速C的不变性以及光速作为宇宙速度极限的地位是相对论的基石。而相对论的魅力是如此之大，以致光速的不变性现在已经纳入了物理学家们可以使用的所有数学工具中。“光速可变”甚至不能拿来赌咒发誓；物理学的辞典里根本就不存在这个词。

但宇宙学家可能该扩充一下他们的词汇了。暴胀理论的核心存在一个问题，即大爆炸宇宙学所谓的视距问题(horizon problem)该问题起源于一个简单的事实：在大爆炸之后的任一给定时刻，光只能穿越一段有限的距离，因而任何相互作用也是如此。比如，在宇宙诞生后一年时，光只能穿越大约一光年的距离。因此宇宙被分割为一些视距，它们代表了彼此看不见的区域。

 宇宙的这种“近视”特性令宇宙学家们感到格外恼火。它使宇宙学家无法对早期宇宙为何如此均匀之类的疑难问题给出物理解释(也就足以物理相互作用为基础的解释)。在标准大爆炸理论的框架内，宇宙的均一性只能通过微调初始条件的方法来解决。实质上也就是只能依靠玄学。

暴胀巧妙地避开了这个问题。暴胀理论的核心见解是，在一个不断膨胀的宇宙中，光波经过一段时间后到其起点的距离大于它实际走过的距离。其原因在于宇宙的膨胀使光已经走过的距离不断被拉长。我们可以用驾车在公路上行驶来作个比喻。假定驾驶员开着汽车以每小时60公里的速度行驶1小时，那么他走过的距离就是60公里但如果这段时间里公路本身也变长了，那么1小时后驾驶员到其起点的距离就不止60公里。暴胀理论假定，早期宇宙膨胀得极为迅速，因此光穿越的距离异常之大。这样，那些本来似乎彼此完全分开的区域就能够互相通信．从而达到共同的温度与密度。当暴胀结束以后，这些区域就开始脱离接触。

不需花费多少脑筋就能够意识到，如果早期宇宙中光的速度比它现今的速度快，那么就可以达到完全相同的结果快速运动的光可以把奉来互相隔离的区域联系在一起，然后这些区域的状态就可以趋于均匀。随着光速的变慢，这些区域便开始脱离接触。

正是这一初步的想法引导我与加利福尼亚大学戴维斯分校的Andreas Albrecht以及剑桥大学的John Barrow共同提出了VSL理论。与一般人的看法相反，我们提出这一理论的动机绝不是想激怒暴胀理论的支持者。(事实上，Albrecht本人就是暴胀理论的奠基人之一)我们只是觉得，如果有一个对立的理论来衬托（不论这个理论是多么粗糙)，那么暴胀理论的成功与不足之处将更清楚地凸显出来。

当然，VSL理论要求重新考虑物理学的基础及语言，由于这一原因，该理论可以有多种不同的表述方式。我们最初提出的表述方式是未经深思熟虑的．完全违背了相对论，不过，它也有自己的优点：除开解决了平坦性问题之外，它还解决了宇宙学中的其它许多疑难问题。例如，我们的理论解释了今天的宇宙中的宇宙常数值(此值非常微小但不为零)。其理由在于宇宙常数所代表的真率能量密度与光速c有极大关系。c的值下降一个合适的程度，便可以使本来十分突出的真空能量降低到无足轻重的水平而在标准理论中。真空能量密度是不可能减小的。

 但我们的表述只是一种可能性。此外．为了克服VSL理论与相对论的矛盾，目前正在进行大量的研究工作多伦多大学的John Moffat(随后还有剑桥大学的lan T Drummond)率先提出的一些更慎重的VSL表述方式比较容易为相对论理论家们所接受。毕竟现在看来光速的变与不变对相对论来说已不是那么要命的问题了，因为该理论可以建立在其它假设的基础上。某些研究人员指出，如果宇宙像弦理论所认为的那样是存在于高维空间中的一个三维膜．那么我们这个宇宙中光的表现速度就可以变化．而真正基本的光速则保持不变。

大自然究竟是选择了暴胀还是选择把光速变来变击，只能通过实验来判定。目前VSL理论远不及暴胀理论成熟，还没有对宇宙微波背景辐射作出严格的预测。另一方面，某些实验显示，所谓的精细结构常数可能并非恒定不变。可变的光速将有助于解释这些发现这些观测结果是否经得起更严格的考察尚须拭目以待。与此同时，VSL依然是一项重大的理论挑战。它与暴胀理论的显著区别在于它更深地触及了物理学的根基。目前VSL还远不是主流理论，它只不过是我们对无人光顾的荒野作一次探险而已。

视距问题

当宇宙只有1岁时，它分成了若干个彼此隔离的区域这些区域被半径1光年的“视距”(蓝色球)分开。现在视距的半径约为150亿光年(红色球)，因此它容纳了无数个这样的区域。

怪就怪在尽管这些区域开始时是相互隔离的但现在它们看起来却几乎一模一样：暴胀理论的极为成功之处就是解释了这种神秘莫测的均一性。

拓宽视距

暴胀理论并不是解决视距问题的唯一出路或许早期宇宙的条件允许光的传播速度超过它现今的速度比如说比现今的速度快10亿倍以上 光的速度越大，宇宙中的那些孤立区域也就越大(蓝色球) 当光速降低到其现今的速度。视距也随之而收缩（红色球）。这样我们现在能够看到的只是那些原始区域中的一个的某一部分。因此宇宙为何看起来如此均匀也就不再是一个难解之谜了。