互动科普

宇宙诞生后瞬间经历了一次超光速的迅猛膨胀，这就是“宇宙暴胀”。本文在第三部分中进行了相应介绍。此外，Newton杂志采访了提出这个理论的阿兰·古斯博士，请他来为读者介绍有关暴胀理论的发展和宇宙开端的故事。

图1.阿兰·古斯（Alan Harvey Guth）

美国麻省理工学院维克多·韦斯考普夫讲席教授，玛格丽特·麦克维卡客座研究员。1947年生于美国新泽西州。在麻省理工学院获博士学位，理论物理学家。

“大爆炸”与“暴胀”有何不同？

大爆炸理论比暴胀理论要早得多，它的起源可以追溯到20世纪20年代弗里德曼的研究。在大爆炸理论中，宇宙是从非常小的、近乎为零的体积内含有的无穷大密度的“奇点”开始的。通过这一理论，人们开始明白，随着宇宙的膨胀，物质是如何冷却的，最终又是如何形成恒星、星系等天体的。

暴胀理论是大爆炸理论的改进。主要是因为大爆炸理论不能解决 “宇宙膨胀是如何开始的”之类的问题，这在暴胀理论中得到了处理。过去的大爆炸理论只能推测宇宙膨胀是从诞生的瞬间开始的。

在膨胀这一点上，暴胀从理论上提出了“需要特殊的物质产生相互排斥的力来抵抗（通常是相互吸引的）引力”。根据近代物理学，显示出这种类型的（未知）物质可以存在。另外，使用该理论会比原来的大爆炸理论给出更多关于（宇宙早期）全部物质的预言。

图2. 从“点”开始的宇宙

宇宙诞生后，随着时间的推移，宇宙膨胀速度会快速增加，瞬间迅速膨胀（暴胀）。暴胀结束后，宇宙呈高温、高密度状态，进入大爆炸宇宙阶段。

为了能够解答一个粒子问题而钻进了宇宙学领域

研究宇宙学的机缘来自于研究磁单极子。1978年前后，朋友亨利·泰伊正醉心于磁单极子的研究，我是受了他的影响。

由于磁单极子非常重（要制造出来需要极高的能量），使用粒子加速器也无法制造出来。但是在早期宇宙中，超高能的粒子可以被自由地产生出来，因此就可能回答“磁单极子是否存在，它有什么样的属性”等，这是（有关早期宇宙的）大爆炸理论发展中不得不考虑的问题。

毋庸置疑，对早期宇宙的检验是非常难的，亨利和我（1979年5月左右）开始钻研宇宙学。我们翻遍了宇宙理论也没有找到相关的答案，所以为了搞清楚不得不进行学习，就这样钻进了宇宙学研究领域，最后走到了暴胀理论。

佐藤胜彦博士的重要贡献

日本的宇宙学研究者佐藤胜彦博士在宇宙学，特别是暴胀领域做出了重要的贡献，是最早提出过冷却造成指数膨胀的原因的人之一。

我与他有过一点交流。实际上主要是与他的合作者进行交流。1980年的春天，他的合作者在斯坦福直线加速器访问期间，我们进行过简单的交流，在那时我知道了佐藤博士也在进行同样的研究，当然也促使我尽早完成我的研究。

佐藤博士早期的论文与我的论文的一个不同之处在于，我的文章中点出了“暴胀是如何解决平坦性疑难与视界疑难的”。而同期的佐藤博士的论文中，这一点并没有写出来。

包含“科维理奖”※（由于提出暴胀理论，古斯博士获得该奖，而佐藤博士没有得奖）在内，奖给谁本身就是个问题，要想体现发展中的全部贡献的话只能给多人授奖。让暴胀理论发展到今天这样的规模，做出贡献的物理学家有很多，当然佐藤博士也有非常重要的贡献。

我们是“永久暴胀”中的一部分

关于暴胀是如何开始的基本上都不清楚，只有一些推测。暴胀的关键点在于，一旦开始就会以指数形式膨胀，因此在它之前的任何现象都会被抹平。当然我们也很想知道暴胀以前发生的事情，但这非常困难。

在种种推测中我最为看好的是“我们是永久暴胀的一部分”这个提法。也就是说，大爆炸并非是时空里唯一的，在永久暴胀的过程中，会出现无数个大爆炸，而我们看到的只是其中的一个而已。

宇宙的这些问题以及永久暴胀是如何开始的等还都是尚未解决的问题。对于这些问题，2003年，我和亚历山大·维兰金还有阿文德·博尔德（Arvind Bold）发现存在一定的规律，这就是永久暴胀的过去不会是永久的。可以确认的是，永久暴胀不会让时间可永久回溯，一定存在一个开始。关于那个开端，现在主要有两个模型。

图3.永恒暴胀

本图为永久暴胀模型，即“暴胀并没有在宇宙的所有地方结束”。也就是说，我们的宇宙只是无数的发生大爆炸宇宙中的一个。古斯博士介绍说：“一旦暴胀开始就不会完全结束，而是会随机地生出一些‘口袋宇宙’，而且会不断地生出无穷多个口袋宇宙来。”

有关开端的两个模型

第一个就是开始于“无”。小的宇宙诞生之后，暴胀使它变大，变成一个巨大的宇宙。这肯定是一个可以实现的模型。虽然在论文中详细地讨论了很多要点，但是我们并没有办法检测所有的细节。

我比较倾向于另一种可能性，肖恩·卡洛尔（Sean Carroll）在与他的学生完成的论文中提出，宇宙永远存在，既没有开始也没有结束。它的代价是时间轴上的过去和未来，也就是“时间箭头”，会变得无法清楚地定义。

在我们的常识中，时间箭头是由熵的变化、有序性/无序性的变化来决定的。比如宇宙会从有序的状态向无序的状态变化，也就是从低熵移动到高熵的状态。

但是在这个模型里，时间轴的中间部分的熵比其他部分的都要小。也就是说，从这个区域出发的话，沿着时间轴往未来走，是时间箭头的方向，熵会增加。另一方面，从同一个区域向时间的反向（过去）走，熵也会增加。所以时间箭头的反向，也就是“时间轴的负半边”也可以看成是未来。在与两边相比熵都更小的区域里，时间并不会向我们所熟悉的方式前进。

难道暴胀理论的实验验证是可行的？

早在1980年暴胀理论刚提出的时候，像现在这样的实验检验是完全不可想象的，不知道要多久才能等到检验的那一天。

当时是宇宙背景辐射发现才15年左右的时候，它的性质基本上还不清楚。也正是因为如此，天文学家从1992年开始仔细测量宇宙背景辐射的时候（相当于暴胀理论的实验检验），是令人震惊的。从那以后，精度不断地提升，从我的角度来说，真的非常惊人。

我在读高中的时候就想从事物理学方面的工作，在大学时真的选择了这一行，当时想成为一个理论物理学家。一开始也不是做宇宙学，而是做基本粒子物理。渐渐地从这个基础上转到了宇宙学的方向上。

对我而言，科学是一门有着至高乐趣的学问。我强烈建议那些对科学有好奇心的读者能够一直葆有这个好奇心。

（本文发表于《科学世界》2016年第11期）