早在1981年，当时还是斯坦福直线加速器中心一位苦苦挣扎的物理学博士后研究员艾伦·H·古思在一系列研讨会上将“暴胀”引入了宇宙学词汇。这个术语指的是宇宙大爆炸后最初瞬间可能发生的一段极速膨胀。其中一次研讨会在哈佛大学举行，当时我自己也是那里的博士后研究员。我被这个想法深深吸引，从那时起几乎每天都在思考它。许多从事天体物理学、引力物理学和粒子物理学的同事也同样对此着迷。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。
其存在的理由是为了填补原始大爆炸理论中的一个空白。大爆炸理论的基本思想是，宇宙自大约138亿年前诞生以来一直在缓慢膨胀和冷却。这个过程解释了今天宇宙的许多细节特征，但有一个问题：宇宙必须以某些属性开始。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，宇宙必须在几何上是平坦的，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。
但为什么原始宇宙应该如此均匀和平坦呢？先验地看，这些初始条件似乎不太可能。这就是古思的想法的切入点。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，形状扭曲——一次壮观的爆发式增长也会将能量扩散开来，直到均匀分布，并拉直空间中的任何弯曲和扭曲。当这段暴胀时期结束时，宇宙将继续以原始大爆炸理论中较为温和的速度膨胀，但现在已经具备了恒星和星系演化到我们今天所见状态的合适条件。
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这个想法如此引人入胜，以至于包括我在内的宇宙学家经常将其描述为一个既定事实。然而，自从古思提出暴胀理论以来，一些奇特的事情发生了。随着支持暴胀的证据越来越有力，反对的证据也随之增强。这两种情况并不为人所熟知：支持暴胀的证据为广大物理学家、天体物理学家和科学爱好者所熟悉。然而，除了我们一小群一直在默默努力应对挑战的人之外，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式的暴胀理论的预测，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，这些问题至今仍然没有得到我们最好的努力解决。
作为一位既为暴胀理论做出贡献[参见艾伦·H·古思和保罗·J·斯坦哈特合著的《暴胀宇宙》，《大众科学》，1984年5月]，又为竞争理论做出贡献的人，我感到很矛盾，并且我感觉到我的许多同事也不确定如何看待反对的证据。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，呈现两种极端的观点。首先，我将充当“赞成”方的热烈倡导者，陈述该理论最强大的优势，然后，同样热情地，充当“反对”方的倡导者，陈述最严重的未解决问题。
支持暴胀的理由
暴胀理论如此广为人知，以至于支持它的理由可以简明扼要。要充分理解其优势，还需要更多细节。暴胀依赖于一种特殊的成分，称为暴胀能量，它与引力相结合，可以在短暂的瞬间驱动宇宙膨胀到惊人的程度。暴胀能量必须极其稠密，并且其密度在暴胀时期必须保持近乎恒定。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。
古思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，在暴胀的情况下，它被称为“暴胀子”场。目前在欧洲核子研究中心大型强子对撞机上研究的希格斯粒子就来自另一个标量场。
像所有场一样，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，其中蕴含着一定的能量——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，宇宙学家认为曲线看起来像穿过山谷和缓坡高原的横截面。如果场的初始强度对应于高原上的某个点，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，这些方程与球沿着形状与势能曲线相同的山坡滚下的方程相似。
如果暴胀子的势能在高原上停留足够长的时间（大约10−30秒），使宇宙沿每个方向膨胀1025倍或更多，那么它就可以使宇宙变得平滑和平坦。当场离开高原并冲下山谷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——即暗物质、热普通物质和辐射——宇宙进入温和的、减速膨胀时期。
−30 秒）以沿每个方向将宇宙拉伸 1025 倍或更多。当场离开高原并冲下山坡到达下方的能量谷时，暴胀结束。此时，势能转化为更熟悉的能量形式——即暗物质、热普通物质和辐射——宇宙进入温和的、减速膨胀时期。
暴胀使宇宙变得平滑，就像拉伸橡胶片可以消除褶皱一样，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，而是会经历随机涨落。这些涨落导致暴胀在空间的不同区域以略微不同的时间结束，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个格言来概括。首先，暴胀是不可避免的。理论物理学的最新进展只是加强了早期宇宙包含驱动暴胀场的假设。统一理论（如弦理论）中出现了数百个这样的场。在混沌的原始宇宙中，肯定会存在一些空间区域，其中一个场满足暴胀的条件。
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诞生时有多么均匀或平坦，但有了暴胀，就无需知道了，因为加速膨胀时期将其拉伸成了正确的形状。
第三，也是可能最令人信服的是，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
一个理论正在失败的首要迹象通常是观测和预测之间存在微小的差异。但这里的情况并非如此：数据与1980年代早期提出的暴胀预测完全一致。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所理解的暴胀模型的预测吗？有一种观点认为，这两个问题的答案都是否定的。
第一个格言认为暴胀是不可避免的。但如果是这样，就有一个尴尬的必然结果：坏的暴胀比好的暴胀更有可能发生。“坏的”暴胀指的是一段加速膨胀时期，其结果与我们所看到的情况相冲突。例如，温度变化可能太大。好与坏的区别取决于势能曲线的形状，而势能曲线的形状由一个数值参数控制，原则上该参数可以取任何值。只有非常狭窄的值范围才能产生观测到的温度变化。在典型情况下，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，例如小数点后仅12位或10位为零，将产生坏的暴胀，温度变化很大，与观测结果不符。
−15——即小数点后 15 位为零。一个不太精细调整的选择，例如小数点后仅 12 位或 10 位为零，将产生坏的暴胀，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，但它并不适用于这里。更大的温度变化将导致更多的恒星和星系——宇宙将比现在更宜居。
不仅坏的暴胀比好的暴胀更有可能发生，而且没有暴胀比两者都更有可能发生。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的原理，来计算暴胀子场和引力场可能的初始构型。其中一些构型导致暴胀，进而导致近乎均匀、平坦的宇宙。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，在没有暴胀的情况下获得平坦宇宙比有暴胀的情况下获得平坦宇宙的可能性要大得多——可能性差距为 10 的 googol 次方（10100）！
100) 次方！
永恒暴胀的风险
另一种方法是使用已建立的物理定律，从宇宙当前的条件向后推断其历史。这种外推并非唯一的：鉴于今天宇宙的平均平坦和光滑条件，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·G·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出现，而暴胀是获得所需平滑和平坦的强大机制。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。当考虑所有因素时，宇宙在没有暴胀的情况下达到当前条件比有暴胀的情况下更有可能。
许多研究人员发现，与更有说服力的支持暴胀的理由相比，这些论点令人难以置信：即1980年代早期制定的预测与今天可用的宇宙学观测结果之间的一致性。确凿的证据胜过任何理论论证。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——这种图景已被证明是完全错误的。
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]。暴胀的自我延续性质是量子物理学与加速膨胀相结合的直接结果。回想一下，量子涨落会延迟暴胀结束的时间。在这些涨落很小的区域，它们的影响也很小。然而，涨落是随机的。在某些空间区域，它们会很大，导致显著的延迟。
这种拖延的流氓区域极其罕见，因此您可能会认为忽略它们是安全的。您不能忽略它们，因为它们正在暴胀。它们继续增长，并在瞬间，使按时结束暴胀的良好行为区域相形见绌。结果是，充满热物质和辐射的小岛周围环绕着一片暴胀空间海洋。更重要的是，流氓区域产生新的流氓区域，以及新的物质岛屿——每个岛屿都是一个独立的宇宙。这个过程无限期地持续下去，创造出无数个岛屿，周围环绕着越来越多的暴胀空间。如果您没有被这幅图景所困扰，请不要担心——您不应该被困扰。令人不安的消息还在后面。
这些岛屿并非都相同。量子物理学固有的随机性确保其中一些岛屿高度不均匀或严重扭曲。它们的不均匀性听起来像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。在这里，无论参数值如何，不均匀性都可能由永恒暴胀和随机量子涨落引起。
为了在数量上精确，上面的“一些”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与我们观察到的岛屿相似的属性，但无限数量的岛屿将不具有这些属性。暴胀的真正结果最好用古思的话来概括：“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 25 美分硬币和 1 美分硬币的袋子。如果您伸手进去随机挑选一枚硬币，您可以对最有可能选择哪种硬币做出明确的预测。但是，如果袋子里装有无限数量的 25 美分硬币和 1 美分硬币，您就无法做出预测。为了尝试评估概率，您将硬币分类成堆。您首先将一枚 25 美分硬币放入堆中，然后是一枚 1 美分硬币，然后是第二枚 25 美分硬币，然后是第二枚 1 美分硬币，依此类推。此过程给您留下的印象是，每种面额的硬币数量相等。但是，然后您尝试另一种系统，首先堆叠 10 枚 25 美分硬币，然后是一枚 1 美分硬币，然后是 10 枚 25 美分硬币，然后是另一枚 1 美分硬币，依此类推。现在您得到的印象是，每枚 1 美分硬币对应 10 枚 25 美分硬币。
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，存在无限多种分类方法，这些方法会产生无限范围的概率。因此，没有合法的方法来判断哪种硬币更有可能出现。根据同样的推理，也没有办法判断在永恒暴胀的宇宙中哪种岛屿更有可能出现。
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，宇宙具有尺度不变的涨落——是什么意思？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以某种方式恢复1980年代早期幼稚的暴胀图景。尽管他们已经与这个问题斗争了几十年，但仍未找到解决方案，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，以将无限宇宙扼杀在萌芽状态。但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，宇宙必须从非常特殊的初始状态开始，并具有特殊形式的暴胀能量，以便暴胀在空间中所有地方结束，而量子涨落有机会重新点燃它。但是，在这种情况下，观察到的结果敏感地依赖于初始状态是什么。这破坏了暴胀的全部目的：解释结果，而不管之前存在什么条件。
另一种策略是假设像我们可观测宇宙这样的岛屿是暴胀最可能的结果。这种方法的支持者强加了一种所谓的度量，一种用于权衡哪种岛屿最有可能出现的特定规则——类似于声明我们在从袋子里取出硬币时必须每五枚 1 美分硬币取三枚 25 美分硬币。度量概念是一种临时的补充，公开承认暴胀理论本身不能解释或预测任何东西。
更糟糕的是，理论家们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，它规定应该根据岛屿的大小来加权岛屿。乍一看，这很有道理。暴胀的核心思想是，它通过创建具有这些属性的大量空间来解释我们宇宙的均匀性和平坦性。不幸的是，体积度量失败了，因为它偏爱拖延。考虑两种区域：像我们这样的岛屿和其他在暴胀更多之后形成的岛屿。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常见得多。根据这个度量，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度量产生期望的答案：我们的宇宙非常有可能出现。假设他们有一天成功了。那么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是合理的，还需要另一个原则来选择该原则，依此类推。
还有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，它们也可以被忽略，因为我们只对人类可能居住的区域感兴趣。
但是我们宇宙中的条件并非最低限度——宇宙比支持生命所需的更加平坦、光滑和精确地尺度不变。更典型的岛屿，例如那些比我们年轻的岛屿，也是可居住的，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，充其量也是具有误导性的。人们可以说，数据已经证实了1983年之前我们所理解的幼稚暴胀理论的预测，但该理论并非今天所理解的暴胀宇宙学。幼稚理论假设暴胀会导致可预测的结果，该结果受经典物理定律支配。事实是，量子物理学统治着暴胀，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？
关键问题是拖延不会带来任何惩罚——相反，它会得到奖励。延迟结束暴胀的流氓区域继续加速增长，因此它们总是会占据主导地位。理想情况下，任何流氓区域都会膨胀得更慢——或者，更好的是，收缩。宇宙的绝大部分将由按时结束平滑阶段的良好行为区域组成，而我们观察到的宇宙将舒适地正常。
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，就具有这种特性。根据这种图景，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，因为经过一万亿年后，膨胀演变为收缩，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。任何拖延的流氓区域都继续收缩，而良好行为区域则按时反弹并开始膨胀，因此流氓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后果。在任何平滑阶段，无论是在暴胀理论中还是在循环理论中，量子涨落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。暴胀将发生在宇宙极其稠密时，而循环模型中的等效过程将发生在宇宙几乎空无一人时，因此预测的印记将非常不同。当然，循环理论相对较新，可能存在自身的问题，但它表明存在可能不会遭受永恒暴胀无法控制的失控的替代方案。我们的工作表明，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情况呈现为两个极端，没有交叉询问或细微差别的机会。最终，结果将由数据决定。
对微波背景辐射的观测将说明问题。2014年3月，使用南极 BICEP2 望远镜的研究人员宣布，他们已在宇宙微波背景中探测到原始引力波的蛛丝马迹。如果得到证实，这一发现将有助于支持暴胀；如果其他观测未能探测到印记，这将是该理论的重大挫折。为了使暴胀理论在结果为空的情况下仍然有意义，宇宙学家随后需要假设暴胀子场具有非常特殊的势，其形状恰到好处地抑制了引力波，这似乎是牵强的。许多研究人员将转向替代方案，例如循环宇宙理论，该理论自然预测了不可观测的小引力波信号。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。