三十年前，当时在斯坦福直线加速器中心苦苦挣扎的物理学博士后艾伦·H·古斯在一系列研讨会上将“暴胀”引入了宇宙学词汇。该术语指的是在宇宙大爆炸后的最初瞬间可能发生的一段短暂的超加速膨胀。其中一个研讨会在哈佛大学举行，当时我自己也是那里的博士后。我立刻被这个想法迷住了，从那以后几乎每天都在思考它。许多在天体物理学、引力物理学和粒子物理学领域工作的同事也同样全神贯注。时至今日，宇宙暴胀理论的发展和检验仍然是最活跃和最成功的科学研究领域之一。
它的存在理由是为了填补原始大爆炸理论中的一个空白。大爆炸的基本思想是，宇宙自大约137亿年前开始以来一直在缓慢膨胀和冷却。这个膨胀和冷却过程解释了今天所见的宇宙的许多详细特征，但有一个问题：宇宙必须以某些特性开始。例如，它必须极其均匀，物质和能量的分布只有极其微小的变化。此外，宇宙必须是几何平坦的，这意味着空间结构的弯曲和扭曲不会弯曲光线和运动物体的路径。
但是，为什么原始宇宙应该如此均匀和平坦呢？先验地看，这些起始条件似乎不太可能。这就是古斯思想的切入点。他认为，即使宇宙最初处于完全混乱的状态——能量分布高度不均匀且形状扭曲——一次壮观的增长爆发也会使能量扩散开来，直到均匀分散，并拉直空间中的任何弯曲和扭曲。当暴胀时期结束时，宇宙本应以原始大爆炸理论中更温和的速度继续膨胀，但现在具备了恒星和星系演化到我们今天所见状态的恰当条件。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
这个想法非常引人注目，以至于包括我在内的宇宙学家经常将其描述为学生、记者和公众的既定事实。然而，自从古斯提出暴胀理论以来的30年里，发生了一些奇怪的事情。随着支持暴胀的证据越来越有力，反对暴胀的证据也变得越来越有力。这两种情况并不为人所熟知：支持暴胀的证据为广泛的物理学家、天体物理学家和科学爱好者所熟悉。令人惊讶的是，除了我们这些一直在默默努力应对挑战的小团体之外，似乎很少有人关注反对暴胀的证据。大多数天体物理学家都在忙于测试教科书暴胀理论的预测，而没有担心这些更深层次的问题，希望这些问题最终能够得到解决。不幸的是，这些问题抵制了我们迄今为止所做的最大努力。
作为曾经为暴胀理论[参见艾伦·H·古斯和保罗·J·斯坦哈特合著的“暴胀宇宙”；《大众科学》，1984年5月]和竞争理论做出贡献的人，我感到很矛盾，我感觉我的许多同事也不确定如何看待反对暴胀的证据。为了戏剧化我们所处的奇怪困境，我将对暴胀宇宙学进行审判，提出两种极端的观点。首先，我将充当热情的“支持”倡导者，陈述该理论最强大的优势，然后，同样热情地充当“反对”倡导者，陈述最严重的未解决问题。
支持暴胀的理由
暴胀理论是如此广为人知，以至于支持它的理由可以简明扼要。为了充分理解其优势，还需要更多细节。暴胀依赖于一种称为暴胀能量的特殊成分，它与引力结合，可以驱动宇宙在短暂的瞬间膨胀惊人的程度。暴胀能量必须非常密集，并且其密度在暴胀时期必须保持几乎恒定。它最不寻常的特性是它的引力必须是排斥而不是吸引。排斥力是导致空间如此快速膨胀的原因。
古斯的想法之所以具有吸引力，是因为理论家们已经确定了许多可能的这种能量来源。最主要的例子是一种假设的磁场亲属，称为标量场，在暴胀的特定情况下，它被称为“暴胀子”场。现在在日内瓦附近欧洲核子研究中心的强子对撞机中寻找的著名希格斯粒子就来自另一个标量场。
与所有场一样，暴胀子在空间中的每个点都具有一定的强度，这决定了它对自己和其他场施加的力。在暴胀阶段，其强度在各处几乎恒定。根据场的强度，它具有一定的能量——物理学家称之为势能。强度和能量之间的关系可以用图表上的曲线表示。对于暴胀子，宇宙学家假设曲线看起来像穿过山谷和缓坡高原的横截面[见前页的方框]。如果场以对应于高原上某一点的强度开始，它将逐渐失去强度和能量，就像从斜坡上滑下来一样。事实上，这些方程类似于球沿着与势能曲线形状相同的山坡滚下的方程。
暴胀子的势能可以导致宇宙以加速的速度膨胀。在这个过程中，它可以平滑和展平宇宙，前提是场在高原上停留足够长的时间（大约10–30秒），以便沿每个方向将宇宙拉伸1025倍或更多。当场到达高原末端并冲下山坡到达下面的能量谷时，暴胀结束。此时，势能转化为更熟悉的能量形式——即，今天充满宇宙的暗物质、热普通物质和辐射。宇宙进入一个适度的、减速膨胀的时期，在此期间，物质聚结成宇宙结构。
暴胀平滑宇宙，就像拉伸橡胶片平滑其皱纹一样，但它并非完美地做到这一点。由于量子效应，仍然存在小的irregularities。量子物理定律规定，像暴胀子这样的场在空间中并非处处具有完全相同的强度，而是会经历随机波动。这些波动导致暴胀在空间的不同区域在略微不同的时间结束，从而将它们加热到略微不同的温度。这些空间变化是最终将成长为恒星和星系的种子。暴胀理论的一个预测是，这些变化几乎是尺度不变的。也就是说，它们不依赖于区域的大小；它们在所有尺度上都以相同的量级发生。
支持暴胀的理由可以用三条格言来概括。首先，暴胀是不可避免的。自古斯提出以来，理论物理学的发展只会加强这样一种假设，即早期宇宙包含可能驱动暴胀的场。在统一物理理论（如弦理论）中，出现了数百个这样的场。在混沌的原始宇宙中，肯定会有一些空间区域满足其中一个场发生暴胀的条件。
其次，暴胀解释了为什么今天的宇宙如此均匀和平坦。没有人知道宇宙从大爆炸中出现时是多么均匀或平坦，但有了暴胀，就没有必要知道，因为加速膨胀时期将其拉伸成了正确的形状。
第三，也可能是最令人信服的是，暴胀理论具有强大的预测能力。例如，对宇宙微波背景辐射和星系分布的大量观测证实，早期宇宙中能量的空间变化几乎是尺度不变的。
反对暴胀的理由
理论失败的第一个迹象通常是观测和预测之间的小差异。情况并非如此：数据与1980年代早期提出的暴胀预测非常吻合。相反，反对暴胀的理由挑战了该理论的逻辑基础。该理论真的像宣传的那样有效吗？1980年代早期做出的预测仍然是我们今天理解的暴胀模型的预测吗？有一种论点认为，这两个问题的答案都是否定的。
第一条格言认为暴胀是不可避免的。但如果是这样，那么就有一个令人尴尬的必然结果：坏的暴胀比好的暴胀更可能发生。“坏的暴胀”意味着一段加速膨胀时期，其结果与我们观察到的情况相冲突。例如，温度变化可能太大。好与坏之间的区别取决于势能曲线的精确形状，这由一个数值参数控制，原则上该参数可以取任何值。只有极窄的值范围才能产生观测到的温度变化。在典型的暴胀模型中，该值必须接近10–15——即，小数点后15位为零。一个不太精细调整的选择，例如小数点后只有12位或10位或8位为零，将产生坏的暴胀：相同程度的加速膨胀（或更大），但温度变化很大，与观测结果不符。
如果坏的暴胀与生命不相容，我们可以忽略它。在这种情况下，即使原则上可能出现如此大的温度变化，我们也永远无法观察到它们。这种推理被称为人择原理。然而，它不适用于这里。更大的温度变化将导致更多的恒星和星系——如果有什么不同的话，宇宙将比现在更适合居住。
不仅坏的暴胀比好的暴胀更可能发生，而且没有暴胀比两者都更可能发生。牛津大学物理学家罗杰·彭罗斯在1980年代首次提出了这一观点。他应用了热力学原理，类似于用于描述气体中原子和分子构型的原理，来计算暴胀子场和引力场可能的起始构型。其中一些构型导致暴胀，进而导致物质的近乎均匀、平坦的分布和几何平坦的形状。其他构型直接导致均匀、平坦的宇宙——没有暴胀。这两组构型都很罕见，因此总体而言，获得平坦宇宙的可能性不大。然而，彭罗斯令人震惊的结论是，不通过暴胀获得平坦宇宙比通过暴胀获得平坦宇宙的可能性要大得多——可能性相差10的古戈尔（10100）次方！
永恒暴胀的危险
另一种方法得出类似的结论，即使用已建立的物理定律，从宇宙当前的条件向后推断宇宙的历史。这种外推不是唯一的：鉴于今天平均平坦和光滑的条件，之前可能发生过许多不同的事件序列。2008年，剑桥大学的加里·W·吉本斯和加拿大安大略省 Perimeter 理论物理研究所的尼尔·图罗克表明，绝大多数外推都具有微不足道的暴胀量。这个结论与彭罗斯的结论一致。两者似乎都违反直觉，因为平坦而光滑的宇宙不太可能，而暴胀是获得所需平滑和展平的强大机制。然而，这种优势似乎完全被启动暴胀的条件如此不可能的事实所抵消。当考虑到所有因素时，宇宙更可能在没有暴胀的情况下达到其当前条件，而不是通过暴胀达到其当前条件。
许多物理学家和天体物理学家发现，与一个更有说服力的支持暴胀的论点相比，这些理论论点缺乏说服力：即，1980年代早期制定的预测与今天可获得的宏伟的宇宙学观测结果之间的一致性。匹配的实验胜过任何理论论证。但这个故事的奇怪之处在于，1980年代早期的预测是基于对暴胀实际工作原理的幼稚理解——事实证明这种理解是完全错误的。
观点的转变始于认识到暴胀是永恒的：一旦开始，它就永远不会结束[参见安德烈·林德的“自我复制的暴胀宇宙”；《大众科学》，1994年11月]。暴胀的自我永续性是量子物理学与加速膨胀相结合的直接结果。回想一下，量子波动可以稍微延迟暴胀结束的时间。在这些波动很小的区域，它们的影响也很小。然而，波动是无法控制的随机的。在空间的某些区域，它们将很大，导致相当大的延迟。
这种拖延的无赖区域非常罕见，因此您可能会认为忽略它们是安全的。您不能，因为它们正在膨胀。它们继续增长，并在瞬间，使按时结束暴胀的良好区域相形见绌。结果是，膨胀空间的海洋包围着一个充满热物质和辐射的小岛。更重要的是，无赖区域会产生新的无赖区域，以及新的物质岛——每个岛都是一个独立的宇宙。这个过程无限期地持续下去，创造出无限数量的岛屿，这些岛屿被越来越多的膨胀空间包围。如果您没有对这幅图景感到不安，请不要担心——您不应该感到不安。令人不安的消息还在后面。
这些岛屿并非都相同。量子物理学的内在随机性确保了有些岛屿高度不均匀或强烈扭曲。它们的不均匀性听起来像是前面描述的坏的暴胀问题，但原因不同。坏的暴胀发生是因为控制势能曲线形状的参数可能太大。这里的非均匀性可能是永恒暴胀和随机量子波动的结果，无论参数值如何。
为了在数量上精确，上面的“有些”一词应替换为“无限数量的”。在永恒暴胀的宇宙中，无限数量的岛屿将具有类似于我们观察到的那些特性，但无限数量的岛屿将不具有。暴胀的真正结果最好由古斯总结：“在永恒暴胀的宇宙中，任何可能发生的事情都会发生；事实上，它会发生无数次。”
那么，我们的宇宙是例外还是规则？在无限的岛屿集合中，很难说清。作为一个类比，假设您有一个装有已知有限数量的四分之一美元和一美分的麻袋。如果您伸手进去随机挑选一枚硬币，您可以对您最有可能选择哪枚硬币做出可靠的预测。但是，如果麻袋包含无限数量的四分之一美元和一美分，则您无法做到这一点。为了尝试评估概率，您将硬币分类成堆。您首先将一枚四分之一美元放入堆中，然后是一美分，然后是第二枚四分之一美元，然后是第二枚一美分，依此类推。此过程给您的印象是每种面额的数量相等。但是，然后您尝试不同的系统，首先堆放10枚四分之一美元，然后是一美分，然后是10枚四分之一美元，然后再是一美分，依此类推。现在您给人的印象是每美分有10枚四分之一美元。
哪种计算硬币的方法是正确的？答案是都不是。对于无限的硬币集合，有无数种排序方式可以产生无限范围的概率。因此，没有合法的方法来判断哪枚硬币更可能。按照同样的推理，也没有办法判断在永恒暴胀的宇宙中哪种岛屿更可能。
现在您应该感到不安了。如果任何可能发生的事情都会发生无数次，那么说暴胀做出某些预测——例如，宇宙是均匀的或具有尺度不变的波动——这意味着什么？如果该理论没有做出可检验的预测，宇宙学家如何声称该理论与观测结果一致，就像他们经常做的那样？
我们失败的衡量标准
理论家们并非没有意识到这个问题，但他们相信他们可以解决这个问题，并恢复1980年代早期天真的暴胀图景，正是这个图景吸引了他们加入这个理论。尽管许多人已经为此问题挣扎了25年，但尚未提出合理的解决方案，但许多人仍然抱有希望。
有些人建议尝试构建非永恒的暴胀理论，以将无限的宇宙扼杀在萌芽状态。但是，永恒性是暴胀加上量子物理学的自然结果。为了避免永恒性，宇宙必须以非常特殊的初始状态开始，并且具有特殊形式的暴胀能量，以便暴胀在量子波动有机会重新点燃它之前在空间中的所有地方结束。但是，在这种情况下，观察到的结果敏感地取决于初始状态是什么。这违背了暴胀的全部目的：无论事先存在什么条件，都要解释结果。
另一种策略假设像我们可观测宇宙这样的岛屿是暴胀最可能的结果。这种方法的支持者施加了一种所谓的度量，一种用于权衡哪种岛屿最可能的特定规则——类似于声明我们在从麻袋中取出硬币时必须每五美分取三枚四分之一美元。度量的概念，一种临时的补充，公开承认暴胀理论本身并不能解释或预测任何事物。
更糟糕的是，理论家们已经提出了许多同样合理的度量，这些度量导致了不同的结论。一个例子是体积度量，它表示岛屿应按其大小进行加权。乍一看，这种选择很有道理。暴胀背后的直观想法是，它通过创建具有这些特性的大体积空间来解释我们观察到的均匀性和平坦性。不幸的是，体积度量失败了。原因是它偏爱拖延。考虑两种区域：像我们这样的岛屿和其他稍后形成的岛屿，在更多的暴胀之后形成。凭借指数增长的力量，后者的区域将占据更大的总体积。因此，比我们年轻的区域要普遍得多。按照这个度量，我们甚至不太可能存在。
度量爱好者采取了一种反复试验的方法，他们发明和测试度量，直到他们希望其中一个产生所需的答案：我们的宇宙极有可能。假设他们有一天成功了。然后他们将需要另一个原则来证明使用该度量而不是其他度量的合理性，还需要另一个原则来选择该原则，依此类推。
另一种替代方法是援引人择原理。度量概念认为我们生活在一个典型的岛屿中，而人择原理假设我们生活在一个非常非典型的岛屿中，该岛屿仅具有支持生命所需的最低条件。这种说法是，更典型的岛屿中的条件与星系或恒星或我们所知的生命的某些先决条件不相容。即使典型的岛屿比像我们这样的岛屿占据更多的空间，也可以忽略它们，因为我们只对人类可能居住的区域感兴趣。
不幸的是，对于这个想法来说，我们宇宙中的条件并非最低限度——宇宙比支持生命所需更平坦、更光滑、尺度不变性更精确。更典型的岛屿，例如比我们年轻的岛屿，几乎同样适宜居住，但数量却多得多。
让拖延者付出代价
鉴于这些论点，经常被引用的宇宙学数据已经验证了暴胀理论的核心预测的说法，充其量是具有误导性的。可以说的是，数据已经证实了1983年之前我们理解的天真暴胀理论的预测，但这个理论不是今天理解的暴胀宇宙学。天真理论假设暴胀导致由经典物理定律控制的可预测结果。事实是，量子物理学支配着暴胀，任何可能发生的事情都会发生。如果暴胀理论没有做出确定的预测，那么它的意义何在？
根本问题是拖延不会带来任何惩罚——相反，它会得到积极的回报。延迟结束暴胀的无赖区域继续以加速的速度增长，因此它们总是会接管一切。在理想情况下，任何无赖区域的膨胀速度都会较慢——或者，更好的是，会收缩。宇宙的绝大部分将由按时结束平滑阶段的良好区域组成，而我们观察到的宇宙将是完全正常的。
我的同事和我提出的暴胀宇宙学的替代方案，称为循环理论，就具有这种性质。根据这个图景，大爆炸不是空间和时间的开始[参见加布里埃莱·韦内齐亚诺的“时间开始的神话”；《大众科学》，2004年5月]，而是一个从先前的收缩阶段到新的膨胀阶段的“反弹”，伴随着物质和辐射的产生。该理论是循环的，因为在万亿年后，膨胀会演变成收缩，并再次反弹到膨胀。关键点是，宇宙的平滑发生在爆炸之前，发生在收缩时期。任何拖延的无赖区域都会继续收缩，而表现良好的区域会按时反弹并开始膨胀，因此无赖区域仍然相对较小且可以忽略不计。
收缩期间的平滑具有可观察到的结果。在任何平滑阶段，无论是在暴胀理论还是在循环理论中，量子波动都会在时空中产生小的、传播的随机扭曲，称为引力波，这些引力波会在微波背景辐射上留下独特的印记。波的振幅与能量密度成正比。暴胀发生在宇宙极其稠密时，而循环模型中的等效过程发生在宇宙几乎空无一物时，因此预测的印记将截然不同。当然，循环理论相对较新，可能存在自身的问题，但它说明存在可能的替代方案，这些方案可能不会遭受永恒暴胀的不可控制的失控。我们的初步工作表明，循环模型也避免了前面描述的其他问题。
可以肯定的是，我将支持和反对暴胀的理由作为两个极端呈现出来，没有交叉询问或细微差别的机会。在1月份在普林斯顿理论科学中心举行的讨论这些问题的会议上，许多主要理论家认为，暴胀的问题仅仅是成长的烦恼，不应动摇我们对基本思想的信心。其他人（包括我）认为，这些问题触及了该理论的核心，它需要进行重大修复或必须被取代。
最终，结果将由数据决定。即将到来的微波背景辐射观测将是具有启发性的。寻找引力波印记的实验已经在山顶、高空 balloons 和卫星上进行，结果应该会在未来两到三年内出现。探测到引力波印记将支持暴胀；未能探测到引力波印记将是一个重大挫折。为了使暴胀在结果为空的情况下仍然有意义，宇宙学家将需要假设暴胀子场具有非常奇特的势，其形状恰到好处，可以抑制引力波，这似乎是人为的。许多研究人员将倾向于替代方案，例如循环宇宙理论，该理论自然地预测了无法观测到的微小引力波信号。结果将是我们探索宇宙如何形成现在这样以及未来会发生什么的关键时刻。