本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
我喜欢叛教者，那些信仰，或者更好的是，构想了一个理论却又反对它的人。他们恢复了我对科学的信心，因为他们表明科学家可以克服对他们自己智力成果的依恋，这是一个对进步至关重要且不能想当然的壮举。保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt），普林斯顿大学的阿尔伯特·爱因斯坦科学教授和理论科学中心主任（还有比这更酷的头衔吗？），就是一个叛教者。我在 20 世纪 80 年代末研究准晶体时第一次采访了他，准晶体是一种奇怪的、准周期性的物质形式，曾一度被认为是完全假设的。斯坦哈特创造了“准晶体”一词，并且是准晶体的主要研究者。在随后的几年里，我与斯坦哈特谈论了宇宙学，特别是暴胀，这是他在 20 世纪 80 年代初帮助完善的一个想法。暴胀认为，在宇宙大爆炸之后，我们的宇宙经历了一次难以想象的爆炸式、超光速的增长。最近，斯坦哈特一直在以异常直率的措辞批评暴胀和相关思想，尤其是多元宇宙。所以我很高兴他同意回答一些问题。有关相关资料，请参阅我对物理学家乔治·埃利斯、卡洛·罗韦利、爱德华·威滕和加勒特·里西的问答，以及进一步阅读中列出的文章。– 约翰·霍根
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霍根：是什么启发您成为一名理论物理学家？您对您个人以及整个领域有什么期望？
斯坦哈特：我从小就对科学着迷，并且一直想成为一名科学家。我的梦想一直是做出发现：揭示自然一直向我们隐藏的一些秘密。我不太关心科学领域是什么或使用什么方法。我喜欢我所深入研究的一切。我只是想要发现以前没人知道的事情的刺激。我并没有立即想成为一名理论家或物理学家。我喜欢数学，并且制作了几个基于纯数学思想的科学展览项目。但小时候，我家里也有各种各样的实验室。我在大学实验室（主要是生物学）做了相当多的工作，当时我还是青少年和年轻人。我今天甚至直接参与一些实验工作。我总是喜欢参观实验室，并在力所能及的情况下与实验密切合作。尽管我喜欢所有这些经历，但我意识到在加州理工学院的本科经历中的某个时刻，我具有理论家的心态，而不是实验家的心态。我喜欢创造和发展想法，而不是测试它们。我也非常幸运能够得到理查德·费曼的指导，他除了普遍具有启发性之外，还向我表明，理论家可以同时在许多不同的科学领域工作。
霍根：您的希望实现了吗？
斯坦哈特：很荣幸能成为科学事业的一部分，并亲眼目睹了敬业的、英雄般的科学家取得的非凡科学突破。人们不得不惊叹人类所能取得的成就。在更个人的层面上，我很幸运能与许多有才华的学生和科学家合作，研究我们这个时代最令人兴奋的一些问题。我亲身经历了各个领域发现的刺激。无论在哪个领域，无论进步多么小，当你知道你是唯一一个（或少数几个）弄清楚某事或揭开以前没人知道的真相时，那种感觉都是难以置信的。
霍根：您是暴胀理论的创始人之一。您何时以及为何开始怀疑它？
斯坦哈特：从一开始，甚至在我 1982 年撰写关于暴胀的第一篇论文时，我就担心，如果你对控制暴胀时期的常数进行微调，暴胀图景才有效。安迪·阿尔布雷希特和我（以及独立地，安德烈·林德）刚刚发现了一种让延长期的暴胀以一种优雅的方式结束，并转变为一个充满热物质和辐射的宇宙的方式，这是自那以后所有暴胀模型的范例。但退出是有代价的——微调。暴胀的全部意义在于消除微调——解释原始大爆炸模型的特征，这些特征必须进行微调才能与观测结果相匹配。我们必须引入一个微调来消除另一个微调这一事实令人担忧。这个问题从未得到解决。
但当我发现，由于量子涨落效应，暴胀通常是永恒的，并且（正如其他人很快强调的那样）这会导致多元宇宙时，我的担忧真正加剧了。引入暴胀是为了产生一个看起来处处光滑平坦，并且处处都具有与我们观察一致的特征的宇宙。相反，事实证明，由于量子效应，暴胀会产生大量的区域（宇宙），这些区域跨越所有物理上可能的结果（平坦和弯曲，光滑和不光滑，各向同性和非各向同性，尺度不变谱和非尺度不变谱等）。我们可观测的宇宙只是连续结果谱中的一种可能性。因此，我们毕竟没有通过引入暴胀来解释宇宙的任何特征。我们只是将原始大爆炸模型的问题（当大爆炸可能出现几乎无限的可能性时，我们如何解释我们简单的宇宙？）转移到暴胀模型（当多元宇宙中可能出现几乎无限的可能性时，我们如何解释我们简单的宇宙？）。
我必须承认，即使我参与了发现多元宇宙问题，我一开始也没有认真对待它。我认为一旦问题暴露出来，就会有人找到解决方案。那是 1983 年。我错了。不幸的是，此后发生的事情是，所有解决多元宇宙问题的尝试都失败了，并且在此过程中，很明显，这个问题比最初想象的要棘手得多。事实上，在这一点上，一些暴胀的支持者认为不可能有解决方案。我们应该停止费心寻找解决方案。相反，我们应该简单地将暴胀和多元宇宙视为事实，并接受可观测宇宙的特征是偶然的概念：生活在多元宇宙的这个特定区域而不是另一个区域的结果。
对我来说，偶然宇宙的想法在科学上毫无意义，因为它什么也解释不了，也预测不了什么。此外，它还错过了我们所了解到的关于宇宙大规模结构的最突出事实：它在很大尺度上平均时的非凡简单性。为了解释我们能看到的一个简单宇宙，暴胀多元宇宙和偶然宇宙假说假设了无限多种具有任意复杂度的我们看不到的宇宙。偶然宇宙的变体，例如那些采用人择原理的变体，对情况没有任何帮助。
科学思想应该是简单的、解释性的、预测性的。目前理解的暴胀多元宇宙似乎不具备这些特性。
这些担忧以及更多，以及我们在 30 年里在解决这些问题上没有取得任何进展的事实，使我对暴胀图景持怀疑态度。
霍根：爱德华·威滕最近告诉我，“今天支持暴胀的证据比 20 年前要大得多”。您同意吗？
斯坦哈特：暴胀的故事非常奇特，我们宇宙学家显然没有很好地解释这种情况。这是令人困惑的地方。一方面，过去 30 年收集的大量观测证据支持了我们认为的基于 1983 年之前的理解而得出的暴胀理论的预测。（一个值得注意的例外是 1983 年之前对引力波的预测，其水平是 WMAP 和普朗克卫星应该探测到的，但没有探测到；请参阅我下面关于 BICEP2 的评论。）讽刺的是，我们对暴胀的理解发生了巨大变化。我们不再相信暴胀会做出任何这些预测，因此过去 30 年所做的任何伟大的观测都不能被视为支持暴胀。
自 1983 年以来，很明显，暴胀理论非常灵活（参数可以调整以得出任何结果），并且通常会导致一个由多个区域组成的多重宇宙，在这些区域中，任何结果都是可能的。想象一下，一个旨在解释和预测的科学理论，最终却允许字面上任何可以想象的可能性，而没有任何关于什么更可能发生的规则。这有什么用呢？它排除了所有可能性，并且永远无法进行真正的检验。
我不能责怪那些希望回到我们暴胀理论天真年代的人们，那时该理论似乎具有预测性，并且与观测结果一致。
不幸的是，正如暴胀理论的主要支持者所承认的那样，我们不知道如何回到这个早期的愿景。
霍根：您认为BICEP2 的观测结果可能仍然会支持暴胀理论吗？
斯坦哈特：正如刚刚解释的那样，不可能找到支持或反驳暴胀理论的证据，因为暴胀多重宇宙包含有宇宙引力波和没有宇宙引力波的区域。所以我必须重新解释您的问题，即：BICEP2 的观测结果是否最终可能成为原始引力波的证据，正如实验团队最初声称的那样。
不。BICEP2 的观测已经完成并发表。根据公布结果时已知的情况，不可能排除“零假设”。在科学实验中，零假设是指数据可以用已经存在的已知因素来解释，而无需引入任何新事物。如果实验无法拒绝零假设，科学家就不应该声称存在替代解释的证据。在 BICEP2 的案例中，零假设是他们的 B 模式信号是由已知的前景造成的：尘埃加上透镜效应加上同步辐射加上系统误差。他们公布的结果与零假设一致。因此，根据科学方法的标准规则，BICEP2 不能声称检测到原始引力波（一种替代假设）。在 BICEP2 之后，我希望我们可以回到良好的科学实践。
一场新的竞赛现在正在进行中，使用更灵敏的仪器来检测原始引力波或对其存在设定更严格的限制。原始引力波的真实故事将由未来的实验揭示，并且应该归功于那些进行实验的团队。
此外，即使我们检测到原始引力波，我们也不应该急于得出结论认为它们是暴胀造成的。可能会出现更好的理论，这些理论可以避免暴胀的陷阱，并且仍然可以预测引力波。
霍根：在最近一篇关于 Edge.org 的文章中，您批评了多重宇宙、弦论和暴胀理论。您能否总结一下您的担忧？
斯坦哈特：我担心的是，多重宇宙是“万物理论”，一种允许所有可能的宇宙学结果（平滑或不平滑、弯曲或平坦等）的提议，因此不受经验检验的约束。有人声称，超弦理论允许基本定律（粒子的质量、力的类型等）有指数级多的可能性（或者可能是无限多的可能性），并且没有指导原则来确定哪一组物理定律更可能。这些定律集合构成了所谓的“弦论景观”。
将暴胀多重宇宙与弦论景观结合起来，现在就得到一个“超级万物理论”：宇宙的宇宙学特性和微观物理特性都是偶然的且无法预测的。
随着我们对超弦理论的理解加深，我真的希望我们能够发现，我们观察到的物理定律是自然选择的结果，这是有充分理由的。超弦理论与改进的宇宙学图景相结合，可能会产生一种强大的解释性和预测性理论。
霍根：您对您的批评受到任何反驳吗？
斯坦哈特：在大多数情况下，讨论是文明且理性的。听到各种各样的观点非常令人着迷。
霍根：维滕认为弦论仍然“在轨道上”，并且代表了物理学家对统一理论的最佳希望。评论一下？
斯坦哈特：我同意爱德华的观点，即弦论代表了我们目前对统一理论的最佳希望。但是，我认为成功需要解决弦论景观问题，并且我们需要找到一些超对称的经验证据。
霍根：您的宇宙循环模型是什么？它是可证伪的吗？
斯坦哈特：当我的合作者和我提出这个问题时，循环模型出现了：有没有办法在没有暴胀的情况下解释宇宙的平滑性和平坦性以及密度中的小涟漪？答案是肯定的：关键是要有一个宇宙，其中大爆炸被大反弹所取代。在这个图景中，当前的膨胀和冷却时期之前，在反弹之前，是一个收缩时期，并且塑造宇宙大尺度结构（平滑、扁平和产生波动）的重要事件发生在反弹之前，在一个缓慢收缩的时期。没有高能暴胀阶段——宇宙直接从反弹进入缓慢膨胀和冷却时期。不需要暴胀来平滑和扁平化宇宙。因此，没有多重宇宙。
反弹可以定期重复，从而形成一个循环宇宙。在某些版本中，该理论是测地线完备的（无限存在于过去），这与暴胀不同，暴胀需要开始和特殊的初始条件。
循环理论做出了一个通用的、独立于模型的预测：没有可检测的原始引力波。因此，如果 BICEP2 是正确的，或者在未来的实验中观察到原始引力波，所有基于缓慢收缩平滑化的循环模型都将被完全排除。
因此，是的，循环理论绝对是可证伪的！
霍根：您为什么继续研究准晶体？它们与您的宇宙学兴趣有任何联系吗？
斯坦哈特：准晶体让我着迷，因为它们一次又一次地引导我体验到最初吸引我从事科学的发现的快感。其潜在的数学原理是初等几何和代数。其潜在的物理原理是，固体由紧密堆积在一起的原子组成，就像儿童的积木一样。从这些简单的成分中，出现了一个重大的惊喜。一百多年来，科学家们认为他们已经了解了原子在固体中排列的所有可能方式……但他们错了。正如我的学生多夫·莱文（Dov Levine，现任职于以色列理工学院）和我首次展示的那样，有无数具有惊人对称性的排列方式被遗漏了。我们称这些为准晶体。这些可能性包括具有完美五边形面的晶粒，曾经被认为是数学上和物理上不可能的。丹·谢赫特曼（Dan Shechtman）和合作者在 20 世纪 80 年代在实验室中合成了第一个例子（谢赫特曼因此获得 2011 年诺贝尔化学奖），现在已经知道 100 多种不同的合成例子。
即使过了三十年，这个主题仍然处于起步阶段，新的发现机会不断涌现。例如，直到 2009 年，所有已知的准晶体都是在实验室中合成的，我们不知道有任何在自然界中形成的准晶体。我和我的合作者发现自然准晶体的第一个例子需要一个堪比小说的侦探冒险和一个前往俄罗斯远东的地理考察。通过一条奇怪而迂回的道路，对自然准晶体的追求将我与关于太阳系形成过程中条件的新问题联系起来。并且仍然有惊喜，包括理论上和实验上的。至少目前，它与我的宇宙学兴趣没有直接联系。
霍根：在 20 世纪 80 年代，斯蒂芬·霍金暗示，物理学也许有一天会提供令人满意的答案，从而结束该领域的研究。您是否曾经——或者现在——也有过这种希望？
斯坦哈特：不。我倾向于认为每个答案都会产生更多的问题，而我希望这种情况继续下去。
霍根：您是宗教人士吗？一个人可以既是物理学家又相信上帝吗？
斯坦哈特：我从不回答第一个问题，因为我认为宗教是私人事务。我的科学观点是独立的，我希望人们在不考虑我对宗教的个人观点的情况下对其进行评估。
为了回答您的第二个问题，事实证明，成功的物理学家可以相信上帝。
延伸阅读（除前两本外，均为霍根所著）
无尽的宇宙：超越大爆炸（百老汇，2008 年），作者：保罗·斯坦哈特和尼尔·图罗克。
保罗·斯坦哈特的《暴胀辩论》。https://sciam.cn/article/the-inflation-summer/
“尽管发现了引力波，我仍然怀疑暴胀。”https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/2014/03/17/why-i-still-doubt-inflation-in-spite-of-gravity-wave-findings/
“我对宇宙骗子和暴胀先驱安德烈·林德的 1992 年的简介。”https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/2014/03/18/my-1992-profile-of-cosmic-trickster-and-inflation-pioneer-andrei-linde/
“嘿，物理学，现实点！”http://chronicle.com/article/Hey-Physics-Get-Real-/126662/
“如果你想了解更多关于希格斯粒子的炒作，请不要阅读这篇专栏。”https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/2012/07/04/if-you-want-more-higgs-hype-dont-read-this-column/
“宇宙小丑：斯蒂芬·霍金的‘新’万物理论是老一套的废话。”https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/2010/09/13/cosmic-clowning-stephen-hawkings-new-theory-of-everything-is-the-same-old-crap/