令人生畏的暴涨

我们已经从古代计时讲到现代计时，再讲到时间的箭头。所谓时间简史，其实就是整个宇宙的历史。

在《给孩子讲宇宙》中，我给大家讲了宇宙大爆炸的理论，在这一讲中，我不重复宇宙大爆炸理论的细节，但为了讲好在上一讲中提到的宇宙暴涨，也必须简要地回顾一下宇宙大爆炸。

当我们抬头看天的时候，天上除了太阳和月亮之外，夜晚还有璀璨的星空，我们看到的，除了一些太阳系中的行星，更多的是恒星。这些恒星其实和太阳一样，都是一刻不停在燃烧的巨大天体。自从伽利略发明了望远镜之后，天文学家还发现，有一些看上去像恒星的天体，经过望远镜的放大，其实是和银河系一样的星系，这些星系里头含有上千亿颗恒星。

20世纪20年代，哈勃通过使用当时最大的望远镜做出了一个惊人的发现，原来，这些星系几乎没有例外地离我们越来越远，也就是说，它们以很高的速度向外面跑去。跑的速度有多大呢？最近更加精确的测量告诉我们，一个距离我们300万光年的星系，它向外跑的速度达到了每秒68千米。在哈勃之后，科学家用爱因斯坦的广义相对论得到了我们宇宙的历史图景：整个宇宙就像一个巨大的面包不停地膨胀，而上千亿个星系就像镶嵌在这个巨大面包中的葡萄干，相互之间的距离随着面包的膨胀越来越远。

如果我们将整个宇宙倒推回去，这个宇宙起源于大约137亿年前的一场大爆炸。为什么说是大爆炸呢？因为那个时候，还没有恒星，更没有星系，只有炙热的基本粒子气体，这个气体温度很高很高，膨胀的速度很大很大。温度高到什么程度？在大爆炸发生后的1秒钟，整个气体的温度高达100亿开尔文，大约是太阳中心温度的1000倍。随着宇宙继续膨胀，气体慢慢冷却，然后，一些恒星才开始形成。恒星形成之后，星系才开始形成。当然这么说有点太简化了，其实，有些恒星形成得比较早，有些恒星形成得比较晚。

阿兰·古斯

聪明的小朋友现在可能会问了，那么，宇宙为什么会发生大爆炸？大爆炸中的粒子气体又是怎么来的呢？这正是20世纪70年代末，一位不修边幅的物理学博士后思考的问题，这个人叫阿兰·古斯。

古斯其实并不是研究宇宙的，而是研究基本粒子的。可以说，他小时候也是一位神童，17岁高中毕业后就考上了麻省理工学院的一种特别班，进入这种特别班的人，可以在5年内同时拿到学士和硕士学位。就这样，1969年，那年他22岁，就同时拿到了物理学学士和硕士学位。又过了3年，也就是1972年，他拿到了物理学博士学位。可是，尽管他在粒子物理的研究上很成功，却连续做了9年博士后，都没能找到助理教授位置。我为什么说助理教授，而不提其他教授职位呢？因为在美国，研究物理的人在拿到博士学位之后，通常要做一任到两任博士后，再到处申请助理教授职位。再然后，一般是辛辛苦苦做了5年研究之后才能拿到副教授职位，在美国，副教授基本上就是永久职位了。

为什么古斯物理学研究做得很好，却在9年中不得不做临时工一样的博士后呢？这和他的出生年代有关。他出生于1947年，第二次世界大战刚结束两年，那几年，美国出生了很多婴儿，称作婴儿潮。从1946年到1964年，在这十几年间美国大约有7600万孩子出生。等这些人长大了，因为人太多，工作就不好找。古斯正是婴儿潮早几年出生的，就很难找到正式教职了，往往几十个博士后中只有一个人能找到教职。这一代人，被称为失去的一代学者。

到了1979年，古斯已经在两所大学做过博士后，正在第三所大学也就是康奈尔大学做博士后，好像并不在乎能不能找到助理教授位置，因为他比较呆萌，觉得能有口饭吃就很好了，不影响他做研究就行。也该他时来运转，就在一年前，有个大名鼎鼎的宇宙学家来到康奈尔做学术演讲，这个人叫罗伯特·狄基。

为什么说狄基大名鼎鼎呢？因为他做出了很多重要发现和发明。比如说，他发明了狄基辐射计，这是一种雷达。这种雷达在1964年被两位物理学家用来探测到了宇宙中无所不在的微波辐射，而这种微波辐射正是宇宙大爆炸遗留下来的，叫宇宙微波背景辐射。有趣的是，当那两位物理学家探测到宇宙微波背景辐射时，狄基本人和他的助手们正打算寻找它。可是偏偏被另外两位物理学家发现了，而这两个幸运的人是偶然发现的，因为他们那时并不懂宇宙学。

1978年，62岁的狄基来到康奈尔演讲。在这个演讲中，他给他的听众解释了宇宙大爆炸学说中存在的一个问题，而古斯正是听众中的一员。

这是一个什么问题呢？要弄明白这个问题，我们得从宇宙中的星系分布讲起。尽管宇宙看上去一点也不均匀，比方说，在太阳系中，绝大多数的物质都在太阳里，其次还有一些行星、小行星和彗星，大部分的空间是空的，什么也没有。所以，太阳系看起来，就物质分布而言，很不均匀。同样，我们用望远镜看看银河系，除了恒星和分子云之外，空间也大多数是空的。比银河系更大的空间呢？除了星系之外，也多数是真空。所以，在几百万光年甚至上千万光年范围内，宇宙中的物质分布是不均匀的。

如果我们用更大的尺度来看宇宙呢？要知道，我们能够看到的宇宙，大到差不多有900亿光年，在这个巨大的尺度上，宇宙看上去是什么样子的呢？原来，宇宙在这么大的尺度上物质分布基本上是均匀的，其实，在2亿光年以上，宇宙看上去就是均匀的了。

打个比方，我们坐船在大海上航行，如果有风的话，大海会很不平静，海面上波浪起伏一点也不均匀。如果我们坐飞机在很高很高的高空向下看呢？基本上就看不到大海的波浪了，只看到平滑如镜的海面。也就是说，在大尺度上，大海的海面是均匀的。

除了物质在宇宙的大范围上分布是均匀的，宇宙微波背景辐射也是均匀的。其实，宇宙微波背景辐射的分布比物质分布更加均匀。道理很简单，因为微波顾名思义就是电磁波，也就是光，我们知道光是由光子组成的，而光子根本没有质量，不会像物质一样形成一团一团的结构。

在那个演讲中，狄基还说了，其实越是在早期宇宙就越均匀。这个问题很深刻，因为在大爆炸刚刚发生的时候，宇宙更有可能像小孩随手撒的东西，会很不均匀。演讲做完了，狄基甩甩手走了，古斯却为这个问题苦苦思索了很长时间。

最终，他得到了解答，解决的方案其实非常简单。想象有一块薄薄的橡皮——就是气球材料的那种橡皮，开始的时候，这块橡皮皱巴巴的，也就是说一点也不均匀。现在，假设有机器拉住橡皮的四周同时向外拉开，将这块橡皮拉得比开始的时候大很多很多，原来皱巴巴的样子不见了，被拉大的橡皮看上去平平坦坦。古斯后来想到的解决方案和拉伸橡皮非常类似，可是，为什么这么简单的方案他却花了差不多一年时间才想到？

尽管这种办法简单粗暴，可是，有什么东西能够使得宇宙被猛烈地拉伸？这就不得不提到1979年年初，也就是狄基在访问康奈尔大学的大半年后，另一位著名物理学家访问康奈尔大学的事。这位物理学家就是在当年晚些时候获得诺贝尔物理学奖的温伯格，温伯格在康奈尔的演讲涉及一种叫作大统一的理论。

先简单说一下什么叫大统一。我们知道，很多物理现象，开始的时候表面上看上去完全不一样，比如说电和磁以及光，完全是三种现象。后来，经过物理学家的长期研究，不同的现象就会统一起来，麦克斯韦将电和磁以及光统一成一个完整的电磁理论。同样，温伯格等人在20世纪60年代将一种叫弱相互作用的原子核中发生的现象和电磁现象统一了起来，这种新的统一叫作弱电统一理论，这是温伯格和另外两位物理学家在1979年获得了诺贝尔奖的原因。

但是，1979年年初温伯格在康奈尔大学演讲中谈到的大统一理论的野心更大，这个理论试图将除了万有引力之外的所有物理学现象都统一起来。但遗憾的是，直到今天，这种大统一理论还没有得到实验证据的支持。

当时，古斯除了思考宇宙的起源，其实也在研究大统一理论。温伯格在演讲中提到，如果大统一理论是正确的，那么，经过认真的计算，我们就可以解释宇宙早期为什么粒子比反粒子多出那么一点点。那么，什么是反粒子呢？我们平常看到的物质，都是由分子原子构成的，分子原子又是由基本粒子如电子等构成的。早在20世纪20年代末，狄拉克就预言了，每一种基本粒子都有对应的反粒子，例如，电子的反粒子就是正电子。当然啦，这个预言后来被很多实验证实了。可是，反粒子通常很少很少，物理学家可以在粒子加速器里制造出反粒子，但在宇宙中，基本上所有天体都是粒子构成的。不过，如果我们追溯到宇宙早期，当宇宙温度很高很高的时候，应该存在很多反粒子，而粒子的数量只比反粒子多出那么一点点。

为什么粒子的数量比反粒子的数量多出一点点呢？这是一个困扰物理学家很多年的问题，因为啊，根据基本粒子理论，反粒子的表现就和粒子一样，如果宇宙是公正的，反粒子的数目就该和粒子的数目一样多。但是，假如反粒子的数目和粒子的数目一样多，宇宙在大爆炸发生后的1秒钟，所有粒子和反粒子就会互相寻找到对方变成光子了，也就是说，现在我们这个宇宙会只存在光，不存在任何其他天体。

在温伯格的康奈尔大学的演讲中，温伯格告诉大家，只要大统一理论是正确的，那么，反粒子的表现确实和粒子的表现有点不一样，那么，精确的计算就能解释粒子和反粒子不对称的问题。当然啦，因为大统一理论至今没有实验证据，温伯格那时的想法到底对不对，我们现在还不知道。

可是，温伯格的演讲给听众之一古斯带来了启发。因为，在大统一理论里面存在着一种真空能量，这种真空能量很大很大。古斯就想了，终于找到我想要的东西了，假如宇宙在充满粒子气体之前是这种真空状态，那么，这么大的真空能量不正好可以使得宇宙在极短极短的时间内被拉伸很多很多倍吗？

古斯因自己的想法激动得睡不好觉，第二天，他将自己的想法告诉康奈尔大学的助理教授戴自海，他说，大统一理论可以给宇宙带来一个巨大的膨胀，这种膨胀就叫暴涨吧。戴自海被古斯说服了，而且，戴自海在讨论中还告诉古斯，其实这个暴涨图像还可以解决他们过去讨论过的另一个问题。

关于这另一个问题，古斯也思考了很久。要说明这个问题，我拿一锅水来做比方。任何小朋友都可以在自家厨房做这个实验，或者为了安全起见，让家长做这个实验。将一锅水放在煤气炉上，打开煤气烧这锅水，你会看到，起初，是锅底出现小气泡。这些小气泡的出现是因为锅底的温度最高，率先达到100摄氏度。大家知道，这是水变成水蒸气的温度。但是，水不是一下子都变成水蒸气的，而是通过先形成小气泡的方式。

随着温度继续升高，水里面会出现更多气泡，直到整锅水都达到100摄氏度，那么，水中所有地方都会出现气泡。你会问，这和宇宙有什么关系？关系很大。在类似大统一理论中，宇宙在早期的时候，也就是远远早于1秒钟的时候，情况很像一锅水，只是，那时的宇宙中存在的不是水，而是大统一理论中的一种特殊的场，这种场可以采取两种状态，一种我们用液态水来比喻，另一种用气态水来比喻。

因此，极早期宇宙很像这锅水，但是，这锅水又不会全部变成气态，更有可能的是，宇宙会成为很多很多气泡挤在一起。

聪明的小朋友很快发现，如果是这样，那就坏了，因为很多气泡挤在一起，会造成宇宙极度不均匀，比方说，气泡壁的能量密度就比气泡大很多。这就是古斯和戴自海讨论过的问题。

但是，古斯的暴涨论一下子解决了这个问题：不错，宇宙确实是不均匀的，但是，现在我们能够看到的宇宙，在暴涨结束后，都含在一个气泡里面，其他的气泡我们根本看不见。换句话说，其他气泡可以被看成其他的宇宙，对我们看到的宇宙基本没有影响。

古斯在获得暴涨这个超级想法后，并没有马上发表，而是去斯坦福大学待了一年。1980年，他在斯坦福的一次学术演讲中第一次公布了这个想法。巧合的是，温伯格也在场。演讲结束后，温伯格显得非常生气，古斯胆战心惊，觉得这个大人物也许不认可他的想法。其实，温伯格通常只会在一种情况下生气，就是看到别人抢先想到了一个重要的物理学观点。

那时，我们中国改革开放，戴自海教授就回到了上海看望他的奶奶。就这样，他错过了和古斯一同发表第一篇论文的机会。1980年8月，古斯独自一人向美国的一家学术刊物投了一篇稿子，论文的标题是：“暴涨宇宙：对平坦性问题和视界问题的一种可能解决方案”。

什么是视界问题？就是我们前面提到过的均匀性问题，“视界问题”不过是物理学家的一种学术说法。那么，什么是平坦性问题呢？这个问题也容易解释，比方说，在一个风平浪静的大海上，假如空气也特别干净，你会发现，你能够看到的远方并不是特别远，最远的海面形成一个圆，这个圆的半径只有5000米左右。事实上，我们常说的地平线或海平线就是这个圆。这个圆之内的海面当然是地球这个球面的一个极小的表面，原则上不是平的，是微微向上凸起的。但由于这个圆的半径只是地球半径的千分之一不到，因此看上去基本是平的。假如一个动物的身高只有我们的十分之一，对它来说，远方的海平线更近，只有500米。在500米范围内，海面就更加平坦了，原因是地球的半径相对500米显得更大。我们可以将假想的动物想得越来越小，那么它看到的海面就越来越平。

还是那位狄基，在1978年的康奈尔演讲中提到了平坦性问题。他说，根据宇宙的现状，我反推到宇宙早期，越是早期，宇宙就越发显得平坦，这是为什么呢？

暴涨论很好地解决了这个问题，这是因为，在暴涨结束的时候，宇宙已经被拉大了100亿亿亿倍，即使开始的时候宇宙是个很弯曲的空间，拉大这么多倍后也被拉平了。

我们如何理解这100亿亿亿倍呢？可以这样想：地球到太阳的距离是1.5亿千米，而一个质子的大小是一千万亿分之一米，将一个质子拉大到地球到太阳之间这么大的空间，大约就是放大了100亿亿亿倍，这是一个何等暴烈的放大。

我们可以再问一下，如果将我们现在这个直径大约有900亿光年的宇宙回推到暴涨结束的时候，它有多大呢？其实，答案和驱动暴涨的真空能大小有关。一个比较普遍被接受的看法是这样的，暴涨结束后，我们的宇宙在那时可能只有一个篮球那么大。现在你想象一下，将质子放大100亿亿亿倍我们得到的是地球到太阳之间这么大的空间，那么，我们的篮球应该是从一个更小的微观宇宙来的。但是，不论那个微观宇宙到底是什么样子，已经不重要了，所有细节都被暴烈的暴涨给抹杀了。

关于暴涨的故事，我们迎来了一个喜剧性的结尾。1981年，古斯的暴涨理论得到物理学家的普遍承认，他很快在他就读的母校麻省理工学院获得了一个副教授职位，而且是终身的。古斯是为数不多的失去的一代学者中的幸运儿。

古斯后来一直没有离开过麻省理工学院。2005年，古斯的同事提名他去竞争《波士顿环球报》的最脏乱办公室奖，他得到了，这个奖每次只奖给一个人，可见他的办公室乱到什么程度。顺便提一下，2013年，就是这家《波士顿环球报》被纽约时报公司卖了，这个事件曾经被当成传统媒体衰败的案例来宣传。

成名多年后，一家出版社邀请古斯写一本科普书。他在西方的理论物理学界和宇宙学界名气确实很大，出版社很看好他的书。这件事我在1993年，最晚1994年就听说了。故事还说，出版商预付了他100万美元稿费，他将这笔钱用来在麻省剑桥买了一个大房子，却迟迟不动手写书。到了我离开罗德岛两年后，也就是1998年，他的书才终于出版，书名为《暴涨宇宙——追寻宇宙起源的新理论》。我不知道这本书卖得好不好，出版商有没有将预付稿费赚回来。反正，这本书现在在美国亚马逊的排名可不高，只有23万多名。相比之下，霍金的《时间简史》是142名，霍金的书还早出了10年。

在这里我给大家做一个预言，那就是，古斯迟早会获得诺贝尔物理学奖。并且，不得不提一个很令人遗憾的事实——最早和古斯讨论暴涨的华人物理学家戴自海教授尽管后来和古斯一同写了一篇论文，但因为访问亲戚，错过了和古斯一同提出暴涨论的机会。

另外，很有可能还有两个人会和古斯分享诺贝尔奖，这两位都是俄国人，一位叫斯塔罗宾斯基，另一位叫林德。这是什么原因呢？先说林德，他在古斯之后第一个提出了现在最流行的暴涨版本，这个版本要比古斯的版本优越得多。至于斯塔罗宾斯基，其实他比古斯更早地提出暴涨理论，只是，当时他并不知道暴涨理论可以解决我们前面说的宇宙均匀性问题和宇宙平坦性问题。

那么，好奇的小朋友现在可能会问了，既然某种真空能量在宇宙非常早期的时候推动了宇宙进行剧烈的暴涨，那么，宇宙暴涨为什么没有持续进行下去？为什么我们的宇宙今天不再暴涨了？当然，如果宇宙一直在暴涨，它会变得非常非常大，远远大于今天的900亿光年，同时，宇宙中也不可能出现美丽的恒星和星系，因为任何像恒星这样的东西早就被持续不停的暴涨拉得粉碎，其实，它们根本就没有机会形成。

科学家并不十分清楚暴涨是怎么结束的，但有一点非常清楚，在远远小于1秒钟的时间里，暴涨就结束了。为什么暴涨会结束呢？因为推动暴涨的真空能在将宇宙从一个极其微观的状态拉伸到篮球大小之后，就因为某种原因几乎完全变成了粒子气体。在真空能变成粒子气体的过程中，能量是守恒不变的，但是，当能量完全被粒子气体携带时，宇宙的暴涨立刻放慢了下来。要知道，暴涨过程尽管非常短，但空间中没有粒子，只有真空能，我们可以说那时宇宙的状态非常简单，这就是我们在上一讲中说到的，暴涨过程中宇宙的熵非常小，接近零。当真空能转变成粒子气体之后，宇宙的熵立刻变得很大，因为宇宙虽然只有篮球大小，但温度远远高于100亿开尔文。我们在上一讲中说到过，温度越高，混乱度就越高，熵就越大。

但是，我们也知道，随着宇宙的膨胀，粒子气体的温度会降低。你可能会问，温度降低熵不就降低了吗，这不是和热力学第二定律矛盾吗？其实没有矛盾，温度降低了，但宇宙的体积却变大了，宇宙的总熵并没有降低。

在谈暴涨论的一个非常重要的推论之前，我们重复一下暴涨论解决的两个重要问题。第一个问题是，早期的宇宙中粒子气体为什么非常均匀？第二个问题是，早期的空间为什么看上去很平？这都是因为暴涨，暴涨将任何发生在暴涨之前的粒子稀释掉了，而后来的粒子气体来自真空能的转变；同时，暴涨将任何空间的弯曲也给拉直了。

那么，既然在暴涨结束之后，粒子气体完全是均匀的，那么，后来的恒星和星系怎么可能形成呢？这是一个非常重要的问题，而这个问题的答案恰恰就是暴涨论的一个推论！

天文学家经过计算，如果我们希望在宇宙大爆炸发生的上亿年后，恒星就会出现，那么，宇宙中就必须存在物质的不均匀性。一个微小的不均匀，就会慢慢形成恒星以及星系。这是为什么呢？很简单，想象一下，假如粒子气体在一个区域要浓一点，那么，在万有引力作用之下，这个区域就会出现更多的粒子气体，因为粒子气体稀薄的地方万有引力小，所以这些区域的粒子气体会被粒子气体浓的地方吸引过去。

显然，任何不均匀性都不是无缘无故发生的，向前推，一直推到暴涨结束的时候，刚刚产生的粒子气体就得有点不均匀。科学家经过计算发现，最初的不均匀不需要特别大，只要有十万分之一的不均匀就可以了。

那么，这个十万分之一的不均匀性是怎么产生的呢？我们前面不是说过，任何不均匀性都会被暴涨稀释掉吗？现在，量子力学要发挥很大的作用了。

不论你有没有读过我的《给孩子讲量子力学》，我现在都帮你解释一下量子力学里面的一个重要原理，就是不确定性原理。不确定性原理告诉我们，任何物体，不论大小，都有不确定性。比如说电子，它的位置不是完全确定的。当然，物体越大，不确定性就越小。我们扔一个石头，看起来它有个确定的轨道，这是因为石头比较重，也就是质量比较大，其实，如果我们要求轨道特别精确，它就没有那么确定了。电子的质量比较小，所以根本就不存在轨道，任何时候电子的位置都是不确定的。

石头的轨迹

可能接下来你就知道我要说什么了，在暴涨过程中，其实真空的能量也是不确定的。被你猜中了，的确，在暴涨过程中，能量会时大时小。但我们还有一个问题需要解决，这种时大时小的能量不确定性是量子的，它不像我们平时看到的不均匀性，是固定的，不会时大时小。

同样，暴涨解决了这个问题。打个比方，我们有一杯水，当我晃动这杯水的时候，它的水面就会出现水波是吧。但是，正因为它是水波，在一个特定的地方，水面时高时低，而不是固定的，这很像暴涨时真空能量的不确定性。现在，我们怎么才能让杯子里的水面在一个地方固定下来，也就是说，一个地方水面高不再改变，另外一个地方水面低也不再改变？

解决这个问题的方法非常简单，比如说下面的这个水面，左边水面低一点，我想保持这个情况，我就迅速地插入一张不透水的板，将水隔开来，那么，左边的水面就比右边的水面低了。

宇宙暴涨是如何固定能量的大小的？就是因为空间被迅速地拉大，因为空间拉大的速度超过了光速，能量高一点的地方的能量就不会传递到能量低一点的地方了。科学家经过认真的计算，得出结论，能量的涨落在暴涨结束时可以达到十万分之一。

了解相对论的小朋友可能会奇怪了，不是说世界上最大的速度是光速吗，怎么空间拉大的速度会超过光速？这和爱因斯坦的狭义相对论并不矛盾，因为空间本身并不传递信息，它的膨胀速度可以超过光速。

暴涨理论正好提供了能量微小的不均匀性，这种不均匀性恰好是恒星和星系形成所需要的，这是我相信古斯和林德等人迟早会获得诺贝尔奖的原因。

接下来我给大家讲一个有趣的故事。2017年2月，普林斯顿大学教授保罗·斯泰恩哈特和另外两位物理学家——普林斯顿大学的安娜·利贾斯、哈佛大学的亚伯拉罕·勒布一起，在《科学美国人》杂志上发表了题为《宇宙暴涨理论面临挑战》的文章，对暴涨理论发起了空前的挑战。他们声称，暴涨论没有任何物理学证据。表面上看，这是因为斯泰恩哈特发明了一个与暴涨论竞争的理论，叫火劫理论，斯泰恩哈特希望通过彻底贬低暴涨论来抬高火劫论的身价。

其实事情没有这么简单，要知道，斯泰恩哈特也是暴涨理论的创始人之一，和古斯、林德一起，以“宇宙暴涨模型”分享了理论和数学物理领域的最高荣誉——2002年的狄拉克奖。当然，在和古斯以及林德得到狄拉克奖之后，似乎大家慢慢地将斯泰恩哈特排除出暴涨论的创始群体了，而将斯塔罗宾斯基拉了进来。

斯泰恩哈特当然不甘心，因此企图推翻暴涨论，说最近的天文学证据更支持火劫论。这一下惹火了很多科学家，包括林德和霍金。他们联合了其他31位科学家在《科学美国人》上发表了一封公开信，驳斥了斯泰恩哈特等三人。我是站在林德等人一边的，因为，尽管火劫论也能解释暴涨论解释的一切，但是，暴涨论看上去更加简单。

当然，这个故事其实有前传。霍金曾经在《时间简史》中暗示过斯泰恩哈特早期对暴涨论的贡献来自他的一次演讲，而霍金恰恰在那次演讲中提到了林德对暴涨论的贡献。