本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
通常不会这样说，但两周前对原始引力波的发现让我们第一次直接瞥见了宇宙大爆炸之前的时期。“大爆炸”一词有时被认为是宇宙的开端，而左侧的图表给你的就是这种印象，BICEP2 团队在宣布其发现的新闻发布会上展示了这个图表。但宇宙学家不知道宇宙是否有开端。“大爆炸”一词实际上指的是宇宙的开端，正如我们所知的那样——也就是说，一个充满物质的膨胀宇宙，这些物质已经冷却并凝结成星系。宇宙暴胀，BICEP2 的结果似乎已经证实了这一过程，按照这个定义，它发生在大爆炸之前。暴胀期间的宇宙是一个极其陌生的场所，没有物质，受原始的原始力支配，并且完全是量子化的。
如果得到欧洲航天局的 普朗克天文台等其他实验的证实，这些波将冲刷掉大多数关于史前宇宙的竞争性假设，包括所谓的“大爆炸前”和“火劫”情景。《大众科学》在 2004 年发表了 一篇关于这些替代方案的文章，作者是理论物理学家 加布里埃莱·韦内齐亚诺，他可能最出名的是弦理论之父。这篇文章包含一个图表（见下），其中包含对引力波强度的预测——现在已被证伪。（我已将 BICEP2 的结果添加到此图中；请注意，它略高于文章发表时对暴胀的预测。）上周五我在纽约大学的办公室采访了韦内齐亚诺，如果他感到失望，他掩饰得很好。以下是我们对话的编辑版本。
GM： “大爆炸”一词的常用用法有什么问题？
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GV： 我认为人们混淆了两件事。有些东西我们可以称之为有效的大爆炸。我们早就知道宇宙在某个时候必须是热的，因为如果没有那个热的时刻，我们将无法进行大爆炸核合成以及各种需要高温的过程。根据现代观点，那个热的时刻肯定是发生在暴胀之后。因此，显然有效的大爆炸不是时间的开始。在那之前还有一些东西。“爆炸”在人们的脑海中是必须有一个开始的想法。但我们真的不知道，暴胀之前发生了什么。
GM： 那些说必须存在奇点——时间开端的定理呢？
GV： 如果你一直使用广义相对论，你总是可以谈论假设的大爆炸，但你需要将量子力学应用于广义相对论理论这一事实使必须存在奇点的论点无效。我并不是说你可以证明没有开始；这仍然是人们尚未解决的问题。暴胀之前发生了什么——如果存在奇点，如果存在时间的开端——仍然悬而未决。暴胀需要一定程度的精细调整，而这些初始条件仍然非常神秘。
GM： 那么，您的意思是我们将暴胀的结束标记为大爆炸？
GV： 我会将大爆炸定义为温度达到最大值的时刻，就在暴胀结束后。暴胀使宇宙冷却，但随后暴胀结束，暴胀场中的能量立即转化为热量——所谓的再加热。然后膨胀使温度再次下降。因此，大概温度是先下降，然后上升，然后再下降。如果我必须确定一个特殊的时刻，我会关注温度何时达到最大值，并将那称为大爆炸。
在那个时刻之前也发生了一些事情，那就是暴胀。否则，很难预测 BICEP 观测到的引力波。还有一个一致性检查。引力波谱应该是略微“倾斜”的。这意味着短尺度上的功率比长尺度上的功率略小。暴胀的一个普遍预测是，谱应该是近乎尺度不变的：每个尺度上的功率都相同。但是，当人们更仔细地观察暴胀时，如果你想让它在某个时候结束，那么谱必须有一个小的倾斜。这就是普朗克观测到的密度扰动中观察到的情况。现在，张量扰动也预期会出现非常相似的情况。[张量扰动是引力波；“张量”一词指的是它们在爱因斯坦广义相对论中是如何描述的。] 在最简单的暴胀模型中，张量扰动的振幅与其倾斜之间存在精确的关系。这是接下来要寻找的东西。
GM： 我们需要哪些新的观测才能做到这一点？
GV： 观察不同尺度上的波。BICEP 的尺度范围很小——没有足够的杠杆臂来观察谱如何依赖于尺度。如果普朗克证实 BICEP，那将有所帮助，因为它在不同的尺度上工作。根据 大卫·斯珀格尔（他昨天在这里做了一个非常精彩的学术报告）的说法，还有五个实验与证实 BICEP 相关，我想如果你将所有六个实验结合起来，你就可以掌握这种倾斜。这将在一两年内确定下来。因此，如果该一致性关系得到证实，那么我认为你可以说，“是的，确实在大爆炸之前存在一个暴胀时期。”
GM： 您和 其他人 都说过，引力波是量子引力的证据。您能解释一下吗？
GV： 让我们暂时忘记量子力学。假设宇宙有一些初始的经典不均匀性。如果没有暴胀，这些不均匀性会因引力而增长，你将无法理解为什么今天的宇宙如此均匀。有了暴胀，情况恰恰相反。这些不均匀性被拉伸到我们看不到的尺度——这就是暴胀的重点。但是，我们看到的结构从何而来呢？这就是量子力学发挥作用的地方。量子力学产生扰动发生在整个暴胀时期；这不是你在开始时放入的东西。你从完全均匀的东西变成获得扰动的东西。初始时间存在的经典扰动被拉伸，今天看不见了。产生并传播的量子扰动是可以看到的。
在 BICEP 之前，我们看到的扰动是暴胀子的扰动。新的扰动是引力度规的涨落；它们实际上是引力波的两种极化。现在看来不可避免地要将量子力学应用于引力。这是一个有趣的进展。这迫使人们认真思考如何进行量子引力研究。无论是弦理论还是其他理论，我不知道，但我们真的不能将其放在一边，说“那只是理论”。
GM： BICEP 的结果暗示暴胀的能量尺度值为 1016 吉电子伏特。
GV： 是的，张量扰动的大小直接给出 H [暴胀期间的膨胀率]，因此也给出了能量密度。这个值结果接近大统一尺度。暴胀发生在很大的能量尺度上，因此你可以从这种实验中了解非常非常短距离的物理学。以前的数据没有确定这个尺度，这显然指向探测量子引力或其他超越标准模型的物理学的某种基本理论的方向。
GM： 为什么，如果我们看到多个极化态，我们就知道它们来自引力现象，而不是电磁或其他场？
GV： 我不认为先验地它们不能来自其他场。一个非常关键的检查，即这些是否真的是张量扰动，将是观察不同的尺度。
GM： 假设它们是引力波，我们如何知道这些引力波来自量子引力而不是其他过程？
GV： 同样，先验地可能存在其他引力波源，也许是宇宙弦。你需要查看细节。暴胀预测了几个特征——不仅是振幅和倾斜，还有相位相干性。如果这些没有得到证实，我们将需要考虑更复杂的模型。例如，我在罗马的一些同事发表了一篇论文，说如果你认真对待 BICEP 在两个不同尺度上的观测结果和普朗克的非观测结果，你就可以排除“红色”倾斜——大尺度上更多的功率——超过三个标准差。如果谱结果是“蓝色”倾斜——短尺度上更多的功率——那么标准暴胀将不容易解释。
GM： BICEP 对您自己的大爆炸前模型意味着什么？
GV： 在那个模型中，我们假设你可以不用标准暴胀。大爆炸之前是一个时期，在这个时期中，你从一个非常简单的平坦宇宙开始，然后演变成一个越来越弯曲的宇宙，直到在某个时候弦理论效应阻止你达到奇点，而是反弹到我们正常的膨胀阶段。我们可以重现宇宙微波背景数据，但无法获得张量扰动，所以这是我们的预测：没有张量扰动。我们的模型似乎不利于数据。从某种意义上说，我很高兴看到最简单的模型可以被证明是错误的。火劫的倡导者也说过应该存在非常小的张量扰动。这些相对较大的张量扰动排除了很多模型，甚至包括传统的暴胀模型。
GM： 转向大型强子对撞机，您是否担心 缺乏超对称伙伴？
GV： 在 LHC 运行之前，我说我非常希望他们能找到超对称，但如果我必须在某些事情上下注，我会押注只找到标准模型希格斯玻色子。在没有任何额外的东西的情况下，标准模型的间接测试已经非常好了。我希望我错了，LHC 13-14 会发现新的物理学。我更希望找到一些东西。弦理论需要超对称；我认为它也有助于理解宇宙常数的微小性。但气氛并不热烈——就这么说吧。
我更担心未来。我非常确定可以找到资源来达到更高的能量——人们谈论 100 TeV 的机器。中国似乎愿意为此努力。问题是，如果下一次 LHC 运行没有令人兴奋的新物理学迹象，社区是否会有足够的动力进行长期冒险。
GM： 那么，这与政治意愿无关吗？即使在物理学界内部？
GV： 即使在社区内部，也是如此。你已经看到 LHC 从概念到交付，再到最终获得数据，花费了多长时间。它开始达到人类科学生命的量级。对于 LHC，我们知道要么我们会找到希格斯玻色子，要么不会——无论如何，这都会很有趣。但现在我们不知道新物理学的下一个阈值在哪里。
GM： TeV 超对称性的论点之一是为了解释希格斯玻色子的质量。如果你失去了超对称性，你将如何处理希格斯玻色子？
GV： 这显然是问题所在。有些人现在放弃了这个原则，更多地朝着 人择思想 的方向发展：例如，弦理论有很多可能的基态，我们需要一个具有合适参数的基态。
我的感觉是，我们已经从 LHC、LEP [它的前身] 等等中学到，量子修正——破坏希格斯玻色子质量稳定的效应——已经在数据中看到了。例如，耦合常数不是常数这一事实；它们取决于距离或尺度。但如果你仔细观察，我们所看到的都是取决于我们理论的长距离性质的量子效应。希格斯玻色子质量和宇宙常数对理论的短距离结构非常敏感。我的自然反应是，也许一些神秘之处来自于我们对短距离的无知。弦理论就是一个引入基本尺度并由此解决这个短距离问题的理论的例子，但老实说，我对弦理论也有点失望。它没有为那些关键问题提供答案。
当然，还有另一个问题，那就是暗物质。显然还有一些东西缺失。这似乎需要一些超出标准模型的粒子。仍然存在谜团。幸运的是！