暴胀与宇宙之始_宇宙起源
“这是要抽足二斗烟才能解决的问题；同时我请您在 50 分钟内不要和我说话。”
①
我们已经浏览了暴胀宇宙的思想及其在观测上可见的后果。关于宇宙在早期如何膨胀的这一图景，迄今为止在很可能取得成功的那些理论中依然居于领先地位。一旦研究了 COBE 卫星取得的更多结果，我们也许就能说出这一理论预言究竟是与宇宙背景辐射的强度变化相符还是相悖。但是，就像那些老练的理论家所做的那样，我们不妨假定宇宙学的这种研究方法正确可取，那么它对宇宙开端的问题又会有何影响呢？
首先，我们应该回想一下暴胀出现的条件——存在着 D 取负值的新型物质，这正好与奇点定理中所假设的相反。在一个暴胀的宇宙中，著名的奇点理论不再适用，因此我们不能对字宙的开端作出一般性的结论。它可能有过奇点开端，但也可能并没有这样的开端。然而，尽管存在着这样的不确定性，暴胀仍以异乎寻常的方式使我们更充分地认识了整个宇宙早先可能曾是什么模样。
当我们讨论暴胀开始时，我们将此过程描述为：它在宇宙中处处以同样的方式出现，实际上，它在一处和下一处却是稍稍不同的。假定膨胀伊始，我们就把宇宙划分成许多区域，每个区域的大小都相当于光自从膨胀开始以来刚能越过它。每个区域中的条件都将与其他区域稍有差异，结果由这些物质场引发的暴胀阶段在每个区域中将会持续不同的时间。在某些区域中，暴胀持续的时间比另一些区域中长得多，那个小小的微观区域急剧地胀大，以至变得尺度至少达 150 亿光年。但是在另一些区域中，实际上并不出现暴胀，最初的那个小区域几乎完全没有长大。我们由此得到的随机暴胀宇宙图景如。
我们可以为宇宙——它可以是无限的——设想某种混沌的随机初始状态。某些空间区域中的条件容许出现相当规模的暴胀，以产生一个尺度恰如我们今日所见的可观测宇宙。在其他区域中则不然。如果我们一直能远眺到我们这个可见宇宙的视界之外，那么我们最终就会遇上另一些区域，它们各自经历了不同程度的暴胀。这些区域的密度和温度可能与我们自己可见的这部分宇宙大不相同。
这种宇宙观念使我们预期视界以外的情况将与我们这个可见宇宙很不相同。更有甚者，人们在考察某些暴胀宇宙模型时，还发现一个暴胀区域中的条件可以和另一个暴胀区域中具有更根本的差异。甚至空间的维数也有可能彼此互不相同。
这种随机暴胀宇宙的想法，是前苏联物理学家安德烈·林德（Andrei Linde）于 1983 年首先提出的。它将某种全新的考虑注入了极早期宇宙的整个研究工作。我们已经说明，宇宙的巨大尺度及其如此高寿并非偶然的巧合。它是被我们称为“观测者”的那种生物化学复合体能够存在的必要条件。因此，在经历了不同程度暴胀的所有微观区域中，只有暴胀程度足可使其尺度
① 《红发会》，福尔斯斯探案之一。故事中，毕生听完委托人对案情的离奇陈述后，问福尔摩斯准备怎么办，后者作了章首引文中的回答。此处寓意本童内容精微艰深，须敛神凝思——译者 达百亿光年的那些区域，其存在时间才会长得足以形成恒星和比氦更重的元素，后者对生命复合体来说则是必不可少的。从这一剖析中，我们知道了一件很重要的事情。即使那些微观区域不太可能经历一场如此大规模的暴胀，我们也不能仅用“简直不可能”寥寥数字就把这整个暴胀图景都排除在外，因为我们必定会发现我们自己正栖身于某个“不太可能”的大区域之中。此外，如果宇宙是无限的，那么就一定会有某些区域经历足够的暴胀，而形成一个类似于我们这个可见宇宙的区域，它的尺度和年龄都大得足可维持生命。
林德还注意到，这种随机暴胀图景还有一个始料未及的特征。如果我们将注意力集中于某一个暴胀区域，那么其内部的微观随机涨落就能确保它的某些部分本身也将满足暴胀的条件；因此这些部分又会暴胀，如此等等，以至无穷。暴胀一旦开始，它似乎就会永远继续下去。在我们的视界以外，必定存在着仍在经历暴胀的区域。看来，这一过程可能并没有什么开端，不过这仍是一个尚未解决的问题。
“随机”暴胀和“永恒”暴胀（见图 8.2）这两种方案阐明的是，暴胀宇宙的思想以何种方式拓宽了我们的时空观念。它引导我们领悟到：整个宇宙不知要比我们称之为可见宇宙的这一小部分复杂多少。在引入暴胀宇宙理论以前，讨论这样的可能性只是一种玄学上的东西。暴胀宇宙模型则基于科学的粒子物理模型，将这些不寻常的可能性转化为在宇宙早期阶段完全言之成理的条件产生的可能后果。在提出暴胀之前，我们认为下述想法是相当可取的：即平均说来可见宇宙与宇宙的其余部分是很相像的。现在我们可不这么想了。
然而，尽管暴胀宇宙学为我们提供了这些引人入胜的新的可能性，但它们毕竟是处于种种不确定的氛围之中。暴胀能使我们了解，为什么我们观测到的这部分宇宙呈现出与其如何开端无关的种种性质。这是一个非常有力的特征。它使我们能在对过去的一切未必了如指掌的情况下理解并预言现在的状况。然而，这也有它的弊端。如果现状并不强烈地依赖于宇宙怎样开始膨胀的具体性质，那么我们也就不能凭借观测今日的宇宙来推断其起源的具体细节了。
但是，如果从来就没有发生过暴胀，那又会怎样呢？或者，如果对于上述那些永远暴胀的区域，我们只是专注于其中某一个区域的历史，情况又会如何？如果我们对它逆着时间往回追溯，我们又可能会发现什么？当然，我们可能会再一次发现一个密度和温度均为无限大的奇点。但是，还存在着许多别的可能性。图 8·3 展示了彼此差异颇大的 4 种可能性，它们皆与我们所知的宇宙相符。它们描绘了下述的假想情景：
* 时空和物质的宇宙并非出现于某种密度无限大的状态，它一诞生就具有有限的密
度，井在某种膨胀状态中继续下去。
* 宇宙从早先的某种收缩状态，经过某个密度达于极大值的最小尺度而“反弹”到
某种膨胀状态。
* 宇宙从无限久远的过去一直保持着的某种静止状态突然开始膨胀。
* 宇宙越往过去尺度越小，但其尺度永远不会变成零。它没有开端。 我们的知识为什么如此靠不住呢？为什么将我们的理论往回外推到这最后几分之一秒钟、以决定它们会不会导致某种明确的宇宙开端，竟然是如此困难呢？我们已在前文中勾画出膨胀宇宙历史上的几个关键性阶段。在膨胀 1 秒钟之后，宇宙的条件已冷到足以用人们熟悉的、在地球上尝试和检验的物理学来描述，而且我们还拥有从那时遗留下来的直接证据，可供检验我们再现的宇宙史是否正确。回溯到膨胀开始之后仅约 10-11 秒，我们遇到了与今日地球上最大的粒子对撞机中相仿的条件。在此时刻之前，宇宙所处的条件就不是我们能在地球上模拟的了。此外，在这样的能量水平下，我们关于自然定律的知识同样也是不确定的。因为我们还正在建立关于物质的基本粒子、关于这些基本粒子怎样相互联系、以及关于它们对宇宙膨胀过程将会有何种影响的正确而完整的理论。所有这些研究都是在爱因斯坦引力理论能很好地描述整个宇宙的膨胀这样一个前提假设下进行的。诚然，爱因斯坦的理论已经非常成功地通过了迄今对它所作的全部观测检验。但是，当回溯到膨胀之始时，它就不是那么畅行无阻了。正如牛顿对引力的描述在面对接近光速的运动、以及面对极强的引力场产生的力时不再奏效那样，我们同样预期会遇到一个连爱因斯坦的优美理论在其中也会最终失效的世界。如果我们试图探测膨胀之初的 10-43 秒，那么就会遇到这样一个世界。这一时代称为“普朗克时期”。在普朗克时期，整个宇宙将变得为量子不确定性所主宰，我们必须寻找自然定律的最后的综合形式：引力将与描述物质基本粒子和辐射的 3 种力统一到某种包罗万象的“全能理论”①中去。如果我们要确定膨胀究竟有没有任何意义上的“开端”，那么我们就必须了解在该时期中引力的行为举止。这种举止正好反映了物质的量子特征。
我们可以回忆一下过去 70 年间建立的微观世界量子图景之详情，来理解普朗克时期有何等奇特的性质。那既是物理学中最为精确的部分，也是我们周围技术上的奇迹——从计算机到人体扫描仪都建筑在量子力学的基础之上。当我们试图观测非常小的东西时，观测行为本身就会显著地干扰我们正在测量的状态。其结果就从根本上限制了同时测量一件东西的位置与运动的精度。在微观世界中，我们不能预言测量或其他相互作用的肯定结果——而只能预言观测到某种特定结果的概率。人们通常指出物质和光——我们常将它想象为微小的粒子——在某些情况下呈现出波的性质。这样就开启了种种很奇特的新的可能性。例如，如果你将两个位相不同的波相迭加，那么其中一个波的波峰就有可能与另一个波的波谷相抵消。然而，你应该设想这些粒子波仿佛是“情绪波”，而不是水波。也就是说，它们是信息波。如果某种情绪波扫过了你的邻人，这就意味着在那里更有可能发现某种情绪行为。与此相似，如果一个电子波到达你的探测器，那就意味着你将更容易在那里探测到一个电子。量子力学告诉我们每个物质粒子的波动行为是什么样的，以及该物质表现出某种特定行为的可能性如何。
每个物质粒子都有一个与其类波量子特征相联系的特征波长。当事物的尺度远大于它们的量子波长时，就所有的实际目的而言，人们通常都可以忽略由它们的量子波性质引入的不确定性。对于像你我这么大的物体，量子波是非常非常小的；当我们过马路的时候，我们完全可以非常放心地忽略汽车的类波特征①。
① “全能理论”，原文 Theory of Everything，目前尚无定译——译者
① 乔治·盖莫夫（George Gamov）为向消闲的读者解释物理学思想而写的《汤普金斯先生奇遇记》（The Amusing Adventures of Mr Tompkims）是一本极有趣味的书。书中对于假如物体的量子波接近于物体本身的真实大小时世界看起来会是什么模样作了非常出色的说明。对于汤普金斯先生来说，玩台球变成了一次 假设我们将上述考虑用于整个可见宇宙，今天，它的尺度不知要比它的量子波长大了多少，所以我们在描述它的结构时可以全然忽略量子不确定性的微乎其微的影响。但是当我们逆着时间回溯时，在过去的每一个时刻，可见宇宙的尺度都比较小，这是因为当宇宙年龄为 T 的时候，可见宇宙的尺度就是光速乘以年龄 T。普朗克时期 10-43 秒是很重要的，因为当我们达到这一极早的时刻，可见宇宙的尺度就会变得小于它的量子波长。整个宇宙变得被量子不确定性所左右。当量子不确定性压倒一切时，我们就不知道粒子的位置，也不能确定空间的几何学，这样我们也就不可能定出粒子究竟是在什么地方！我们陷入了某种恶性循环。
这种情况激励宇宙学家们去尝试创造某种新的引力理论，在这种理论中，要充分包含引力的量子特征，并用它来发现可能的量子宇宙。我们将探讨从这些大胆的研究中涌现出来的某些想法，它们不是故事的结局，而可能只是结局的一小部分。但可以肯定，最终的故事在处理我们对于宇宙本性所钟爱的种种想法时，至少也会是同样地不寻常、同样地带有根本性。
我们在图 8·3 中展示了膨胀宇宙开端的可能图景，图中说明了昔日之宇宙大小可能如何的种种情形。在某些情况下，空间和时间、以及一切的一切，皆存在着某种位于奇点的表观开端。在另一些情况下，空间和时间始终存在。但是，还存在一种更微妙的可能性。假定时间的本性随着趋近于普朗克时期而发生了微妙的变化。那么，宇宙之开端与时间自身的根本属性岂不就成了你中有我、我中有你、彼此难分难解的两个问题？
患精神分裂症的异常经历——原注
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