本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
1979年12月6日夜晚——也就是32年前的今天——艾伦·古思有了“惊人的顿悟”，这很快将颠覆宇宙学。他想象在大爆炸的最初时刻，发生了一次令人难以置信的短暂事件，在此期间，整个宇宙呈指数级膨胀，从微观尺寸扩张到宇宙尺寸。那个夜晚，宇宙暴胀的概念诞生了。
这种据推测由一种神秘的斥力驱动的爆炸式增长，可以一举解决困扰年轻的大爆炸理论的几个问题。它可以解释为什么空间如此接近空间平坦（“平坦性问题”），为什么早期宇宙的能量分布如此均匀，即使它没有时间均匀地趋于平稳（“视界问题”），以及解决粒子物理学中的一个谜题：为什么似乎没有磁单极子，或者换句话说，为什么没有人像我们能分离“+”和“-”静电荷那样分离“N”极和“S”极；理论表明磁单极子应该相当普遍。
事实上，正如他自己在他非常值得推荐的著作《暴胀宇宙》中所描述的那样，当时古思是一位粒子物理学家（在斯坦福直线加速器中心工作，并努力寻找一份永久工作），他的想法是在他试图解决单极子问题时产生的。
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二十五年后，在2004年夏天，我询问了古思——当时他已是麻省理工学院的正式教授和宇宙学领域的领军人物——关于他对自己的遗产以及它如何与暗能量的发现以及弦论的最新思想相契合的看法。
这次采访是我为发表在2004年12月刊的对称杂志上一篇关于暴胀的专题报道的一部分。（这是我的第一篇专题文章，除了我作为学生时写的那些文章之外，它仍然是我最喜欢的文章之一。）
为了庆祝“暴胀日”，我以略微编辑的形式重新发布该采访的文字记录。
宇宙暴胀的二十五年：与艾伦·古思的问答
Davide Castelvecchi：什么是宇宙学？
艾伦·古思：宇宙学是对宇宙的历史和大规模结构的研究，而我在宇宙学中的专长是早期宇宙——宇宙历史的最初一小部分。
DC：人们怎么可能理解宇宙本身，而不是研究宇宙中包含的事物？
AG：我们确实有一些信息可以拼凑起来，并尝试将其作为构建理论的基础。关于可见宇宙中星系分布的观测，以及星系的运动。现在也非常重要的是对宇宙背景辐射的观测——我们认为这是大爆炸本身爆炸后的余辉。现在，我们对这种辐射的频谱以及其强度模式中存在的小涟漪进行了非常精确的测量。辐射几乎是完全均匀的。在天空中的所有不同方向上，我们观察到的强度都相同，差异约为十万分之一。但是，尽管如此，人们还是会看到从一个方向到另一个方向的细微差异。这种涟漪模式直接与两件事相关：关于涟漪如何形成的理论——暴胀就在这里发挥作用——以及计算宇宙中的结构如何从涟漪中形成的理论。就宇宙学的观测基础而言，另一个重要组成部分是我们在宇宙中观察到的化学丰度，这些是通过气体云和恒星的光谱特征测量的，并且可以与关于化学元素如何在宇宙历史的最初几分钟内形成的理论进行比较。令人惊奇的是，计算结果与观察到的最轻元素的丰度非常非常吻合。
DC：当您第一次想到暴胀的想法时，您是否预料到它会如此有影响力？
AG：我想答案是否定的。但是，当我意识到这是一个解决单极子问题和平坦性问题的合理方案时，我开始非常兴奋，因为如果它是正确的，那么它将是宇宙学中非常重要的改变。但在那时，这在我看来仍然是一个很大的“如果”。然后有一个逐渐相信它是正确的的过程。
DC：25年后的情况如何？
AG：我会说暴胀是宇宙学的传统工作模型。仍然需要获得更多数据，并且很难真正详细地证实暴胀。首先，它不是一个详细的理论，而是一类理论。当然，我们还不了解暴胀的细节。我认为暴胀的基本机制是正确的这一点非常令人信服。但我认为人们不一定认为它已被证明。
DC：您最近写道，“暴胀的案例引人注目”，这听起来像是谨慎的说法。
AG：它当然没有大爆炸理论本身那样得到充分证实。但我猜我会很难相信会有任何其他替代方案来解决暴胀解决的基本问题，例如视界问题和平坦性问题。
DC：在提出的众多暴胀版本中，您是否有自己最喜欢的版本？
AG：并没有，只是可以说，我认为宇宙学正在朝着用弦论来描述事物发展。并且已经有很多尝试在这种背景下描述暴胀。我认为这就是未来。
DC：所以您认为弦论最终会被证明是正确的？
AG：是的，我确实这么认为。我认为它可能会从人们现在的想法中发展出相当大的变化，但我确实认为弦论绝对有很多优势。
DC：到目前为止，弦论是物理学还是只是花哨的数学？
AG：我认为它是物理学。到目前为止，它肯定是推测性的物理学——不幸的是，它是在没有直接实验检验的情况下工作的。但仍然存在一致性检验。如果弦论的目标是建立一个与广义相对论一致的量子理论，那是一个非常强的约束，到目前为止，弦论是唯一似乎让很多人相信它满足这个标准的理论。仅从社会学的角度来看，理论物理学家已经寻找了至少50年的一致的引力量子理论，到目前为止，只有一种理论达到了主流——弦论。
DC：弦论真的已经进入物理学主流了吗？
AG：是的。我会说，如今，一位理论粒子物理学家不能忽视弦论。
DC：说到社会学，在您的书中，您描述了您作为一名年轻的粒子理论家首次尝试向宇宙学家描述您的暴胀思想，以及人们如何因为使用不同的词汇而无法沟通。现在的情况有什么不同吗？
AG：我认为粒子物理学和宇宙学之间的状况已经有了极大的改善。现在我认为宇宙学中的几乎每个人都比较流利地掌握了这两个领域的词汇，而且我认为每个人都认识到这两个领域之间存在着强大的接口。与此同时，现在也有着重要的反向影响，随着暗能量的发现。
DC：暗能量比暗物质更与粒子物理学相关吗？
AG：我会说是的。我不确定是否所有人都会同意——这取决于你的视角。我认为暗物质与下一代粒子物理实验更相关——希望我们能发现超对称，或许还有其他有趣的东西。另一方面，暗能量很有可能就是真空能量，所以它似乎在告诉我们一些关于物理定律基本结构的信息，这非常令人惊讶。自从 20 世纪 30 年代量子场论出现以来，真空能量一直是粒子理论家们一直困扰的问题。我们一旦有了量子场论，就知道真空不是一个简单的状态：它是一个非常复杂的状态，包含各种量子涨落。而且没有任何理由认为真空能量应该为零或很小。事实上，没有人知道如何计算真空能量，但如果粒子物理学家尝试估计它，自然给出的答案会比实验界限大 120 个数量级。所以这一直是一个很大的谜，但直到暗能量出现之前，人们都认为真实的值是零，因为存在某种我们还不理解的对称性——正负贡献之间的完全抵消。如果暗能量是真空能量，现在你需要这个对称性使其几乎为零，然后打破这个对称性使其成为一个不为零的小数字。这变得非常复杂和巴洛克式。没有人知道它实际上是如何运作的。还有一种可能性是，真空能量根本不是由基本的物理定律决定的，而是根据人择原理，使用多重宇宙的想法来决定的。在弦理论的背景下，很可能存在许多类似真空的状态，它们都足够稳定，可以为宇宙提供基础。而我们碰巧发现自己身处的那个宇宙是由随机选择决定的。人们可以想象，宇宙会通过弦理论的所有不同的可能真空状态永恒地膨胀，产生无限多的每种类型的真空空间——最终。
DC：这就是所谓的弦理论景观的想法吗？
AG：是的，这就是关键词。如果这是对的，那就意味着在空间的大部分区域，宇宙常数非常巨大，而在空间的某些罕见区域，宇宙常数恰好非常小。但是只有当宇宙常数非常小时，生命才能形成。因此，我们发现自己生活在这些区域之一中并不奇怪。五年前，这样的想法对于粒子物理学家来说是完全不可接受的。它仍然对许多人来说是不可接受的，但现在人们更加关注这种想法。
DC：这是否与永恒暴胀的想法有关，即多个宇宙从原始真空中涌出？
AG：是的，这里有两个想法结合在一起。一个是来自弦理论的想法，即存在大量可能的真空状态。另一个是永恒暴胀的想法，即一旦暴胀开始，它就永远不会结束，并且会探索所有可能的真空。
DC：最近，斯坦福大学的宇宙学家安德烈·林德（Andrei Linde）也对暴胀理论做出了开创性的贡献，他与弦理论家合作，试图调和这两个领域。
AG：是的。我认为这可能是最有趣的方法。我是这项工作的忠实粉丝，尽管我不是作者之一。我认为这是在弦理论框架内对暴胀进行可靠嵌入的起点。在此之前，没有人能在弦理论中很好地描述具有正宇宙常数的状态。
DC：暗能量的存在是否暗示了产生暴胀的“假真空”状态与宇宙常数的“真真空”状态之间可能存在联系？
AG：原则上是这样，尽管弦理论中的真空状态实际上是非常复杂的状态，具有描述它们的许多自由度。当然，在宇宙早期驱动暴胀的状态具有很大的正宇宙常数。最终，它们都将用相同的弦理论语言来描述，并且它们将具有许多相似之处。但也有许多显著的差异。它们的能量尺度非常不同。因此，我认为是否认为它们之间存在密切关系还是遥远关系，在某种程度上是观察者决定的问题。
DC：那么，是否可能存在两种不同的“排斥引力”，一种在暴胀期间起作用，另一种现在起作用？
AG：我相信，也是传统观点，即排斥引力实际上是广义相对论本身的特征——事实上，爱因斯坦本人在 1917 年引入宇宙常数并试图用它来描述宇宙如何保持静态时就使用了它，普通的引力将所有东西拉到一起，而排斥引力——宇宙常数——将所有东西推开。因此，从一开始，广义相对论就包含了排斥引力的可能性。产生排斥引力的是负压。这是宇宙常数的特征，也是以势能为主的标量场状态的特征，这是传统暴胀的工作方式。当然，对今天加速膨胀以及宇宙早期暴胀最合理的解释是，宇宙包含具有负压的物质。因此，在这个描述层面上，机制是相同的——因为这是我们唯一知道的机制。但是产生负压的物质是什么是一个更详细的问题。我们是否相信 KKLMT 的论文走在正确的轨道上，我认为我们并不真正知道早期宇宙中驱动暴胀的实际状态与现在宇宙的状态（我们将其归因于暗能量的缓慢膨胀）之间的联系有多紧密。
DC：是否有可能进行粒子物理实验来探测暗能量？
AG：我猜我看不见在可预见的未来暗能量会影响或被粒子物理实验影响。它当然与天体物理观测高度相关。我们想知道的关于暗能量的一个重要事情是，能量密度是否随着时间推移保持恒定，就像它是宇宙常数一样。或者，它可能会随着时间变化——在这种情况下，我们最好的解释是它是一个充满整个空间的缓慢演化的标量场的能量。这通常被称为精质。通过更详细的天文观测，有一些希望回答这个问题。而最好的方法可能仍然是遥远的超新星，使用诸如 SNAP [拟议的空间天文台 超新星加速探测器] 等实验。
DC：那么，暗能量与粒子物理的相关性不在于实验方面，而在于它指出了其理论基础中的一个开放性问题，即量子场论的真空应该产生更强的排斥力这一预测？
AG：是的，在试图理解理论粒子物理学的基础方面，我认为它非常重要。特别是，它似乎在暗示可能没有任何物理原理可以决定弦理论的真空是什么。也许只是所有可能的真空都发生在所有不同的地方。现在，我真的希望情况不是这样，因为我喜欢认为物理学比这更具预测性。但这确实是暗能量所指向的方向——并且它最终可能会被证明是正确的方向。
DC：无论如何，对暗能量的更好理解是否会阐明暴胀宇宙学？
AG：是的，我认为会。如果暗能量的唯一解释被证明是这个景观想法，那么这意味着如果我们想了解暴胀是如何真正运作的，我们必须在弦理论的景观背景下理解它。
DC：暴胀预测宇宙在空间上是平坦的，这一事实与我们最好的宇宙学观测，特别是对宇宙微波背景的观测相符。暴胀是否排除了宇宙在空间上可能是封闭的可能性——数学家称之为拓扑紧致？在暴胀和暗能量被讨论之前，人们认为空间平坦的宇宙会永远膨胀，而弯曲成自身的宇宙会重新坍缩。
AG：不完全是。宇宙是平坦的说法只是一种近似。暴胀使宇宙趋于平坦——事实上，如果发生足够多的暴胀，它会使宇宙非常接近平坦。但你仍然可以想象一个开始时是封闭的宇宙，最终它会非常大，但仍然是封闭的。它看起来是平坦的，因为曲率半径会非常大。另一方面，一切都变得更加复杂，因为请记住，我们谈论的是时空，而不仅仅是空间。暴胀倾向于使宇宙的时空结构非常复杂，在某些区域暴胀继续，而在另一些区域则停止。想象一下可以演化的复杂事物，我认为正确的结论是，开放和封闭这两个词不再真正适用。在非常大的尺度上，宇宙实际上都不是这两者之一。
DC：如果我没理解错，暴胀的开始是一个非常局部的现象，那么我们的物理定律所适用的宇宙不太可能具有有趣的拓扑结构，因为它来自局部的涨落。
AG：是的。在远大于我们所能观测到的尺度上，可能会存在有趣的拓扑结构。但暴胀表明，在我们所能观测到的尺度上，拓扑结构将是局部的 R^3 [三维欧几里得空间]。但这并没有阻止宇宙学家探索其他可能性。目前人们关注的异常之一是 WMAP [NASA 的威尔金森微波各向异性探测器] 观察到的 L 的低值——低多重极。这些涨落明显小于暴胀模型预期的值。这可能只是一个偶然事件，但人们已经提出了其他可能性，例如一个在空间中具有周期性的宇宙，周期性与当前的视界距离的数量级相同。但到目前为止，人们还没有发现任何与观测到的数据一致的此类现象。
DC: 一位名叫杰弗里·威克斯的数学家，与一群物理学家一起，在去年秋天在《自然》杂志上发表了一篇有争议的论文。他们搜索了WMAP的数据，声称它揭示了一种“镜子屋”的模式，并因此得出结论，宇宙在空间上是有限的，并且具有庞加莱十二面体空间的拓扑结构。[这在媒体上被描述为所谓的“足球宇宙”；威克斯和他的合著者在1999年4月的《大众科学》杂志上描述了他测试宇宙是否在空间上有限的方法。] 如果这个证据被证实，会对暴胀理论构成问题吗？
AG: 是的，我认为这很难与暴胀理论调和。
DC: 我与之交谈过的几乎所有宇宙学家和天文学家似乎都认为，暴胀研究的下一个重要方向将是在宇宙微波背景的偏振中寻找原始引力波的痕迹。特别是，如果找到一种称为B模式的模式，它将携带关于宇宙最初瞬间的信息，从而携带关于暴胀机制的信息。[请参阅罗伯特·考德威尔和马克·卡米翁科夫在2001年1月《大众科学》杂志上发表的文章《来自大爆炸的回声》。]
AG: 是的，这非常令人兴奋。如果存在B模式，这将表明我们已经发现了引力波的影响，而不仅仅是密度扰动的影响。引力波将为我们提供暴胀发生时能量尺度的线索。在各种暴胀理论中，最大的不确定性之一是，暴胀可能发生在非常广泛的可能能量范围内的任何位置。你想要思考哪种物理学来理解它是如何发生的，很大程度上取决于这一点。因此，获得一些观测信息非常重要。
DC: 看到事情如何发展，对你来说这将是一个令人兴奋的时刻吗？
AG: 当然，是的。自从COBE[NASA的宇宙背景探测器，其结果为科学家赢得了2006年的诺贝尔物理学奖]以来，这真是令人难以置信的兴奋。在暴胀的早期，当我和其他一些人试图计算从暴胀模型中产生的密度扰动时，我真的从未想过有人会真正测量这些东西。我以为我们只是为了好玩而计算。所以当COBE的人首次测量CMB的不均匀性时，我感到非常震惊。而现在他们正在以如此高的精度测量它们——这真是太棒了。
DC: 这种情况可能会再次发生——那些被认为超出可能性的实验将成为现实吗？
AG: 是的，现在几乎每年都会发生这种情况。
延伸阅读
暴胀的增长，作者：Davide Castelvecchi。《对称》杂志，2004年12月。
艾伦·古思的笔记本，由Davide Castelvecchi在《对称》杂志中描述。
暴胀宇宙，作者：艾伦·古思。
来自大爆炸的回声，作者：罗伯特·R·考德威尔和马克·卡米翁科夫。《大众科学》284，38-43，2001年1月。
空间是有限的吗？作者：Jean-Pierre Luminet，Glenn D. Starkman和Jeffrey R. Weeks。《大众科学》280，90-97，1999年4月。
弦理论的景观，作者：Raphael Bousso和Joseph Polchinski。《大众科学》291，78-87，2004年9月。
球体和天际线插图由《对称》杂志提供。