一口氣解決三個宇宙學難題，暴脹理論名動天下｜王爽專欄

　　2017-11-16 10:36宇宙

　　作者：王爽 中山大學物理與天文學院研究員，科普作家

　　編輯：婉珺

　　目前，最主流的解釋宇宙如何起源的理論是暴脹理論，今天，我們就來講講那段發生於上個世紀70年代，關於「暴脹」的往事。

　　不得志的粒子物理博后，

　　華麗變身宇宙學大佬

　　1977年，美國康奈爾大學物理系來了一個混得不太好的粒子物理學家。他沒做出過什麼有名的成果，再加上運氣很背，出生的時候趕上了美國戰後的嬰兒潮，所以一直沒能在一所研究型大學里找到助理教授的職位。無奈之下，他只好跑到康奈爾大學做他的第三期博士后。

　　這個不得志的博士后就是暴脹學派的創始人阿蘭·古斯（Alan Harvey Guth）。

　　

　　阿蘭·古斯（Alan Harvey Guth）。圖片來源：Betsy Devine｜Wikipedia

　　在康奈爾，古斯遇到了一個同病相憐的第三期博士后，他是一個華人，名叫戴自海（Henry Tye）。

　　

　　戴自海。圖片來源：Cornell.edu

　　戴自海以前也研究粒子物理，後來轉行做了宇宙學。他遊說古斯，說粒子物理中最重要的題目已經被別人做得差不多了，不如和他一起做宇宙學。雖然古斯完全沒搭理他，但戴自海也不氣餒，還是隔三岔五地來遊說古斯，這一遊說就是兩年。

　　直到1979年，事情才有了轉機。那年年初，著名粒子物理學家、諾貝爾物理學獎得主史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）到訪康奈爾大學，並在學校里進行了兩場關於如何將粒子物理理論應用於宇宙學的演講。古斯一看，連美國粒子物理學界的領袖、大名鼎鼎的溫伯格都這麼關心宇宙學，再加上戴自海隔三岔五的遊說，古斯終於決定要放棄粒子物理，與戴自海一起轉戰宇宙學。

　　暴脹理論，

　　始於一個「八竿子打不著」的課題

　　古斯和戴自海一開始研究的是一個與宇宙起源八竿子也打不著的課題，叫磁單極子問題。聽起來似乎很複雜，其實特別簡單。你平時肯定見過磁鐵吧？所有的磁鐵都有一個共同的特徵，即它一定同時具有南北兩極。即使把一塊磁鐵從中間一切兩半，新得到的兩塊磁鐵也會自動地重新產生南極和北極。那可不可能存在一種只有南極或者只有北極的磁鐵呢？理論上是可能的。像這種只有南極或北極的磁鐵，就是磁單極子。

　　根據當時粒子物理最流行的大統一理論，磁單極子在宇宙中應該是無處不在的，但為什麼在真實世界中卻連一個也找不到呢？這就是在物理學界中赫赫有名的磁單極子問題，也是古斯和戴自海決心挑戰的課題。經過研究他們發現，解決磁單極子問題的關鍵是一個被稱為「假真空」的概念。這個概念說簡單也簡單，說複雜也複雜。

　　讓我們先從你更熟悉一些的內容——真空談起。

　　很多人認為，真空就是一片什麼都沒有的空間區域，但這種看法是錯的，真空里其實是有能量的。這有點不好理解，不過它的確是一個事實，而且是一個已經被科學實驗反覆驗證過的事實。它的深層原因涉及到量子場論，比較複雜，這裡暫且略過。你只要知道真空有能量這個事實就足夠了。

　　一旦知道真空也有能量，假真空就不難理解了。

　　想象一座延綿起伏的大山，高的地方是山峰，矮的地方是山谷。現在問題來了，如果在這座山上放一個小球，它在哪裡可以靜止不動呢？答案顯而易見，當然是在山谷。現在我們把山的海拔高低當成是空間本身的能量大小。那麼凡是能讓小球靜止不動的山谷，全都處於真空的狀態。換句話說，真空就是一個能讓置身其中的物體穩定存在的時空區域。就如果不同的山谷也會有海拔高低之分，即使是真空中的能量也會有差異。在所有的真空中，有一個能量最小的真空（對應於海拔最低的那個山谷）被稱為「真真空」；而其他能量較大的真空（對應於海拔較高的那些山谷）則被稱為「假真空」。換言之，假真空就是能量較高的真空。

　　

　　戴自海率先意識到了一個最關鍵的問題：如果宇宙在誕生之初就處於一個假真空的環境里，它將會如何演化？但就在取得重大突破的前夕，戴自海卻跑回中國參加了一個為期一個半月的學術會議。這是中國科學史上時機最差的學術會議，沒有之一。

　　要知道，那是一個沒有電子郵件的年代。戴自海一回中國，他與古斯的聯繫便完全中斷了；等他重新回到康奈爾的時候，古斯已經離開康奈爾去了斯坦福，兩人的合作也就此終止。

　　正是在兩人分開后的這段時期，古斯做出了宇宙學歷史上最重大的突破之一。他發現如果宇宙誕生在一個高能量的假真空環境里，它就會被假真空的能量推動而向外膨脹。這有點像烤箱里的麵糰，會由於受到烤箱的熱量而膨脹成麵包。

　　

　　更關鍵的是，古斯發現這種情況下，宇宙的膨脹一定是指數式的膨脹。

　　沒錯，這正是前面說過的暴脹。

　　有了暴脹，磁單極子問題就變得很簡單了。打個比方，如果將一把花瓣撒到一盆水中，你肯定能很輕易地從這盆水中把這些花瓣都找出來，那如果把這盆水變得和太平洋一樣大，你還能在太平洋里把這些花瓣都找出來嗎？顯然就做不到了。找不到磁單極子也是同樣的道理。

　　除了能解決磁單極子問題以外，古斯發現暴脹還能同時解決另外兩個更加棘手的宇宙學難題：平坦性問題和視界問題。

　　是不是聽起來有點不知所云？沒關係，下面我們就通過打比方的方式來講講它們到底是什麼。

　　平坦性問題和視界問題的通俗解釋

　　我們日常生活中對平坦和彎曲的概念其實都局限在二維。比如說，桌子表面是平坦的，皮球表面是彎曲的，這兩個表面都是二維的。由於我們是從三維世界看二維，所以可以很直觀地判斷這些二維物體到底是平坦還是彎曲。但如果換成是一隻生活在二維空間的小螞蟻，它該如何判斷自己所處的空間到底是平坦還是彎曲呢？有一個簡單的辦法：在自己的空間內畫一個三角形，然後測量此三角形的三個內角之和。如果內角之和等於180°，它的空間就是平坦的；如果內角之和大於180°，它的空間就被彎成了一個球的形狀；而如果內角之和小於180°，它的空間就被彎成了一個馬鞍的形狀。

　　回到我們生活的三維空間，這個空間本身是平坦的還是彎曲的？由於不能從四維世界看三維，這個問題對我們這些三維生物來說就不是那麼直觀了，但它的本質完全沒變，依然可以用畫三角形的辦法來判斷。還真有人這麼干過，那就是被稱為「數學王子」的著名數學家高斯。高斯是世界上最早懷疑我們生活的三維空間可能並不平坦的人之一，為此他還專門跑到德國的深山裡畫過三角形。不過這事高斯是偷偷摸摸乾的，因為他怕別人發現以後會嘲笑他是神經病。

　　言歸正傳。從理論上講，宇宙既可能是平坦的，也可能是彎曲的。由於平坦的狀態只有一種，而彎曲的狀態有無數種，從概率的角度來說應該是處於彎曲狀態的可能性要大得多。但實際的天文觀測表明，我們的宇宙是平坦的。這就很奇怪了。為什麼宇宙會恰恰處於那種可能性最小的平坦狀態呢？這就是所謂的平坦性問題。

　　現在讓我們來看看視界問題。視界問題是問，為什麼宇宙會這麼均勻，以致於到處看起來都一樣？這聽起來很玄奧，我們打個比方來解釋。

　　假設有一群考生在同一間教室里參加了一場時間為兩小時的考試，老師在批改卷子的時候發現所有人的答卷竟然完全相同，甚至連錯誤都一模一樣。這該怎麼解釋呢？唯一的可能就是這些考生互相對了答案；或者說，他們彼此之間交流了信息。

　　

　　圖片來源：《天才槍手》官方劇照｜豆瓣

　　那如果現在有兩群考生，其中一群人呆在地球，而另一群人呆在離地球4.3光年之遙的比鄰星，他們也在同一時間參加了一場時間為兩小時的考試。你猜怎麼著？所有人的答卷竟然還是一模一樣！這就很詭異了。答卷一模一樣說明他們之間肯定交流了信息。但這兩群考生相距4.3光年之遙，即使用速度最快的光也要花整整4.3年才能把答案給傳過去。那他們是用什麼辦法，在短短兩個小時的時間內就完成了信息的交流？

　　這個問題可以推廣到整個宇宙。目前的天文觀測表明，在足夠大的尺度上，宇宙中物質分佈地特別均勻，以致於到處看起來都一模一樣，這說明過去一定發生過信息的交流。但整個宇宙又這麼大，即使是速度最快的光也不可能跑得完，那它們如何完成了信息的交流？換句話說，宇宙如何完成超光速的信息交流？這就是所謂的視界問題。

　　古斯提出的暴脹，它砸扁了這兩個「釘子」

　　你看，無論是平坦性問題還是視界問題，都很讓人費解吧？不過有了暴脹理論，這兩大難題全都迎刃而解。

　　先說平坦性問題吧。為什麼宇宙會如此平坦？因為無論它在創生之初是什麼形狀，暴脹都能把它給弄平。舉例來說，如果給你一顆小玻璃球，你可以很快判斷出它並不平坦。現在把這顆玻璃球變得和地球一樣大，你還能很快判斷出它並不平坦嗎？事實上，我們每天生活在地球上，根本察覺不到大地其實是球形的。這意味著，半徑越大的圓球，它的彎曲程度就越小。暴脹迅速放大了整個宇宙的尺寸，從而把宇宙創生之初的空間彎曲給抹平了。

　　視界問題也變得很簡單了。暴脹的效果可以想象成是把一座兩層高的小樓，在轉瞬之間就變得和整個銀河系一樣大。所以前面提到的那兩群考生其實原本就呆在同一間教室，只是後來暴脹使空間本身發生了極速的膨脹，從而讓這兩群考生一下就相距了4.3光年——但其實在一開始，他們就已經完成了信息的交流。

　　1981年，艾倫·古斯發表了一篇劃時代的論文。這篇論文正式提出了暴脹的概念，讓古斯在學術界一夜爆得大名。但耐人尋味的是，這篇論文主要在研究平坦性問題和視界問題，而對磁單極子問題只一帶而過。古斯對此的解釋是，磁單極子僅僅是大統一理論的一個預言；大統一理論本身就不見得對，磁單極子問題自然就不值得認真討論了。這個解釋本身當然無可厚非，但正是由於沒怎麼討論磁單極子，戴自海就沒能成為這篇論文的作者。

　　現在想來，如果戴自海當初沒有回中國開會，或者當年能像現在這樣方便地通過電郵或微信來交流，或許歷史就會是另一個寫法了吧。

　　一點番外，以及下集的預告

　　讓我再講一點關於古斯的趣事吧。一夜成名后的古斯很快就結束了顛沛流離的博士後生涯，成了麻省理工學院的一名正教授。在麻省理工學院，他很快又因生活邋遢而再度出名。

　　有一年，《波士頓環球報》組織評選最髒亂差的名人辦公室，結果古斯的辦公室以壓倒性的優勢獲勝。此外，古斯還喜歡在聽學術報告的時候睡覺。他往往會在報告結束眾人鼓掌的時候醒來，然後向演講者問幾個問題。

　　

　　由於能同時砸扁三枚釘子，暴脹理論取得了巨大的成功。但很快就有人發現，古斯的暴脹理論其實存在著一個致命的缺陷。

　　下一次，我們就來聊聊這個缺陷到底是什麼。

　　作者名片

　　

　　排版：曉嵐