宇宙能发生大爆炸，竟然是因为它没用过“移形换影”？

作者：王爽 中山大学物理与天文学院研究员，科普作家

编辑：婉珺

前段时间，霍金在中文网络世界里又刷了一回屏。有新闻报道称，霍金发出最新警告，告诫人类不能随便去月球背面，因为那里已经被外星人占领了。就在网友纷纷嘲笑霍金老糊涂之际，这个消息被证明是条假新闻，霍金也实实在在地当了一回背锅侠。不过你也不用太为霍金鸣不平，这不是他第一次背锅，可能也不是做后一次。最严重的那次，他甚至还差点被人告上法院。

霍金“背锅”往事

1981年，宇宙学家艾伦·古斯发表论文正式提出了宇宙起源的暴胀的概念，这让他在学术界爆红。同年，霍金到莫斯科参加一个关于宇宙起源的国际会议。毫无疑问，暴胀理论成了这次会议最大的热点。与会期间霍金遇到了一个对此有独到见解的苏联物理学家，他就是暴胀学派的二号人物安德烈·林德（Andrei Linde）。

安德烈·林德。图片来源：Wikipedia

林德当时是苏联列别捷夫物理研究所一名职位不高的研究人员。不久前，他敏锐地发现古斯理论中存在着一个致命缺陷，并想出了一个非常巧妙的解决办法，这个办法被称为慢滚暴胀。

对一般人而言，要是能做出这么重大的成果，肯定会守口如瓶，并以最快的速度把它写成论文发表。但林德抗拒不了在大名鼎鼎的霍金面前吹嘘自己的诱惑。于是趁着那次会议，就把自己的研究成果向霍金和盘托出了，他的想法也确实让霍金对他刮目相看。

离开苏联以后，霍金又跑到美国去访问，其中一站是宾夕法尼亚大学。按照霍金的说法，他在宾夕法尼亚大学做了一场演讲，其中提到了林德慢滚暴胀的思想。当时在场的听众中有一位宾夕法尼亚大学的助理教授保罗·斯泰恩哈特（Paul J. Steinhardt）。

保罗·斯泰恩哈特。图片来源：Sleepy Geek

此后不久，保罗·斯泰恩哈特和他的学生安德里亚斯·亚布勒希特（Andreas Albrecht）一起发表了一篇论文；他们提出了一种不同于林德的物理机制，也能实现慢滚暴胀。由于这篇论文和林德论文的正式发表时间仅相差两个月，人们普遍把这三人视为慢滚暴胀的共同提出者。

安德里亚斯·亚布勒希特。图片来源：ucdavis.edu

尽管没对暴胀理论做出什么实质性的贡献，霍金还是把他的这两次访问经历写进了他的超级畅销书《时间简史》里。然而让霍金万万没想到的是，这竟然给他招来了大麻烦。

林德是一个有名的狠角色。斯泰恩哈特和亚布勒希特的论文让他勃然大怒。他愤怒地指责这两个人剽窃了自己“慢滚暴胀”的思想，从而盗取了本该只属于他一个人的荣光。霍金在《时间简史》里说他曾在宾夕法尼亚大学讲过林德的思想，这正好为林德攻击那两人提供了口实。

不过斯泰恩哈特也绝不是软柿子。他公开了霍金当年在宾夕法尼亚大学演讲的录像，以此证明霍金没在宾大讲过林德的思想。不止如此，他还直接威胁霍金，要么把他的不实言论从《时间简史》里删掉，要么就等着上法院。

据霍金说，他曾与斯泰恩哈特私下会面并且交流了林德的思想，但苦于拿不出证据，最后还是不得不服软，把自己去宾夕法尼亚大学访问的经历从第二版的《时间简史》里删掉了。林德与斯泰恩哈特之间的战争，就这么把“打酱油”的霍金给拖下了水。

霍金的故事到这里就结束了，但你可能还是对让他们争得面红耳赤的“慢滚暴胀”一头雾水。艾伦·古斯提出的暴胀理论有什么缺陷？林德等人提出的慢滚暴胀又是如何解决它的呢？

艾伦·古斯理论的致命缺陷

在之前的文章中我们谈到过，真空中并非什么都没有，它是有能量的，与其说它“空”，不如说它是一个能让置身其中的物质稳定存在的时空区域。

我们可以把空间中能量的高低想象成一座延绵起伏的大山，每一个山谷都可以被称为真空——它能让放置其中的皮球静止，不会滚动。但这些山谷中只有最低的那个才是真真空，其他的都是假真空。换言之，假真空就是能量较高的真空。

左边的真真空和右边的假真空

在创生之初，宇宙就处于一个具有高能量的假真空环境，这些能量推动空间做指数式膨胀，也就是暴胀。但宇宙要从暴胀状态顺利地演化到我们今天看到的样子，却不是一件容易的事，它必须要同时满足两个条件。

第一个条件是，它要能及时地从假真空的环境逃到真真空的环境，从而让暴胀结束。做一个比喻，你可以把假真空当成是给宇宙吃的兴奋剂。在不考虑体育道德的情况下，运动员要是偶尔吃一点兴奋剂，能够大幅度地提高运动成绩；但他要是每天都把兴奋剂当饭吃，肯定就活不久了。类似地，宇宙要是在假真空环境下呆一段时间，就能靠暴胀过程解决一系列的宇宙学难题；但要是在假真空环境下呆得太久，肯定会被暴胀扯得七零八落。

第二个条件是，它要能在逃离假真空环境的过程中获得能量，从而为宇宙大爆炸点火。这是因为暴胀本身只是一个起点，之后还必须发生一次大爆炸，才能让宇宙逐渐变成今天的样子。很明显，要想引发大爆炸就需要大量的能量。换句话说，要是不能在逃离假真空的过程中获得能量，宇宙大爆炸就不会有发生的可能。

按照古斯的理论，刚刚创生的宇宙就好比是一个处于假真空山谷中的皮球，山谷的周围都是比它更高的山坡，这个皮球要怎么才能从这个山谷中跑出去呢？古斯发现，它可以通过“量子遂穿”的方式逃离。很多书上都把量子隧穿解释成由于量子力学效应而开启的一条穿山隧道。为了让大家更明白，我们再来做一个类比。著名的魔幻小说《哈利·波特》里有很多神奇的咒语，其中一个叫“幻影移形”。只要一挥魔杖并念出这个咒语，你就能立刻从原先呆的地方消失，然后凭空出现在另一个地方。量子遂穿也能达到类似的效果。通过这样的“移形幻影”，原本诞生在假真空山谷中的皮球，就能直接幻影移形到真真空山谷了。

但问题在于，宇宙要是通过量子隧穿的方式逃离假真空，就无法获得任何能量了。在现实中，一个皮球要是从山顶上滚下来，速度会越来越快，并在山脚下达到最大的速度。这是由于皮球在山顶的重力势能转化为了它在山脚下的动能，或者更简单地说，皮球在滚下山的过程中获得了能量。但如果皮球用幻影移形的咒语到了山下，那它下山后也还是静止的。也就是说，皮球用量子遂穿的方式下山，就无法再获得能量。

这个皮球就是刚刚诞生的宇宙。宇宙要是通过量子遂穿的方式从假真空状态转变为真真空状态，同样也无法获得任何能量，从而没法为大爆炸点火。所以按古斯的理论，宇宙大爆炸根本就不可能发生。这就是古斯理论的致命缺陷。尽管古斯本人也意识到了这个问题，并且想了些办法来进行补救，但却全都以失败告终。

就在这时，林德等人站了出来，提出了一个特别简单的办法来解决大爆炸点不着火的问题：既然宇宙从假真空的山上量子遂穿下来是无法获得能量的，那让它正常“滚下来”不就好了吗？

慢滚暴胀理论

不同于古斯所说的“山谷假真空”，在林德等人的新理论中，假真空是一个位于山顶上的平台；很明显，皮球在山顶平台上也能保持静止，所以这个平台同样符合真空的定义。由于平台边缘是比它更低的山坡，皮球就可以从假真空平台上正常地滚下来，而不需要在依靠什么量子遂穿。所以，如果宇宙在诞生之初就位于一个高能量的假真空平台上，那它就能从平台边缘正常地滚落到真真空的山谷，从而自然而然地获得为大爆炸点火的能量。

再做一个类比吧。想象一座山顶呈平台状的活火山。山顶有岩浆滚滚而出，岩浆的能量就相当于假真空自身的能量。而山顶与山底之间存在着一定的高度差，这个高度差就相当于假真空与真真空之间的能量差。

所以说，宇宙呆在假真空山顶时，才会发生暴胀；宇宙从假真空山顶上滚下来的过程，叫再加热；而宇宙掉进真真空山谷之后，才会发生大爆炸。

让宇宙从假真空平台上慢慢滚下来的暴胀，就是所谓的慢滚暴胀。慢滚暴涨的提出补齐了暴涨理论的最后一块短板，从而让暴涨理论成了宇宙起源山脉上新的珠穆朗玛峰。

其实在暴胀学派的历史上，还有一件特别诡异，同时也特别好玩的事。

手握宝藏而不自知

想象有一座极端错综复杂的地下迷宫，只要能走通它就可以找到堆满金银的地下宝藏。一个叫艾伦·古斯的探险家，在经历了千辛万苦后终于走通了迷宫，并且发现了藏在地下洞穴中的巨大宝藏。听到风声的各路探险家纷纷赶来，涌进了这个有宝藏的洞穴。当众人的火把照亮整个藏宝洞穴全貌的时候，却惊愕地发现有人比古斯更早就来过这里。那个人并没有穿越地下迷宫，而是从地面上的一个山洞里意外地掉了进来；但是由于没带火把一团漆黑，这个人根本不知道自己发现了一个巨大的宝藏，只是摸黑拿了点纪念品就走了。此人就是后来成为暴胀学派三号人物的阿列克谢·斯塔罗宾斯基（Alexei Starobinsky）。

从左至右：阿列克谢·斯塔罗宾斯基，林德和古斯。

之所以说斯塔罗宾斯基没有穿越地下迷宫，是因为他一开始根本就没有研究宇宙学，他真正研究的是引力理论。

科学家是一个比较特殊的职业，他的竞争对手并非仅限于和他处于同一时代的人。如果把科研比作登山，要想真正名动天下，就必须比所有的前辈都爬得更高。从这个意义上讲，引力理论无疑是整个学术界中最难出人头地的行当。因为要想在这一行千古留名，你就必须翻越两座高耸入云的大山，其中一座叫牛顿，另一座叫爱因斯坦。

当然，绝大多数的物理学家并没有超越牛顿和爱因斯坦的雄心。比起公然挑战爱因斯坦的广义相对论（也就是爱因斯坦的引力理论），大多数人都选择为它做一些查漏补缺的工作。这种工作有点像是为Windows系统打补丁的程序员。最大的区别在于，程序员为Windows系统打的补丁基本上都是有用的，而物理学家为广义相对论打的补丁差不多全是没用的。

斯塔罗宾斯基就是这么一个给广义相对论打补丁的程序员，同时也是一个非常罕见的打了有用补丁的技术大拿。1979年，他对广义相对论做了一点小小的修改，然后弄出了一个自己的引力模型。

这里多说一句，科学理论与科学模型是不同的。打个比方，理论就像是一种特定的商品（如智能手机），而模型就像是这种商品之下的某个具体的品牌（如苹果手机）。所以暴胀认为宇宙创生之初发生了指数式膨胀，这是一个理论。而关于暴胀的具体细节，有成百上千种不同的观点，它们全都是暴胀模型。

当斯塔罗宾斯基用自己的引力模型去研究早期宇宙的时候，惊愕地发现在这个模型的框架下，整个宇宙都会发生指数式的急剧膨胀。当然，这其实就是暴胀。也就是说，早在古斯提出暴胀概念的两年前，斯塔罗宾斯基就已经提出了世界上第一个暴胀模型。

但问题是，斯塔罗宾斯基当时根本没意识到宇宙的指数式膨胀特别有用，能解决一系列的宇宙学难题；正好相反，他觉得这充分说明自己的引力模型存在很大的缺陷，因而不值得再去深入探讨。写完第一篇论文以后，斯塔罗宾斯基就转向了其他课题的研究，并把自己提出的模型扔进了故纸堆。

直到古斯提出暴胀的概念以后，斯塔罗宾斯基的暴胀模型才得以重见天日。人们把它捡回来重新研究。你猜结果如何？越研究，越能发现这个模型的神奇：它天生就是慢滚暴胀模型，根本不存在为宇宙大爆炸点火的问题；更夸张的是，在目前数以百计的慢滚暴胀模型中，斯塔罗宾斯基的暴胀模型竟然是与天文观测吻合得最好的。比如我们说在暴胀结束以后，宇宙会变得和一个棒球一样大，这是怎么知道的呢？就是用斯塔罗宾斯基的暴胀模型算出来的。尽管斯塔罗宾斯基不知道他发现了一个宝藏，但他摸黑拿走的，竟然是整个宝藏堆里最值钱的皇冠！

误打误撞提出了最佳暴胀模型的斯塔罗宾斯基现在已经成了暴胀学派的三号人物。不过，他之所以能得到这样的地位，是因为原来的三号人物反了水，此人就是我们的老熟人斯泰恩哈特。

斯泰恩哈特为什么要背叛暴胀学派呢？下一次，咱们就来讲讲其中的缘由。

作者名片

排版：晓岚

题图来源：123rf.com.cn正版图库

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第二则：天才少年，倒霉青年，彪悍中年，逗比终生——钱德拉塞卡

第三则：由“三体问题”开启的卡西尼之路。对，就是你知道的那个三体

第四则：重磅！三个探测器同时探到引力波！为什么“三”如此重要？

第五则：【2017年诺奖】如果他还在世，今天的诺奖有他的一份

第六则：多亏了陨石，困扰学术界近100年的超级难题终于得到了解决

第七则：一场诺奖级的大战：大爆炸竟然不是宇宙的真正起源？

第八则：一口气解决三个宇宙学难题，暴胀理论名动天下

第九则：失聪、低薪、终身未婚、无人知晓，但她开启了现代宇宙学之门

第十则：科学界的宫斗史: 面对一生宿敌，牛顿如何应对？

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