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不断给予的礼物
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暴胀，从失败到返场
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与许多成功的科学理论一样，暴胀理论一开始很不顺利。它作出的第一个预测——宇宙空间是平坦的，似乎与日渐累积的观测证据不相符合。我们在上一章看到，爱因斯坦的引力理论认为，只有当宇宙密度等于一个特定的临界值时，空间才可能是平坦的。如果我们用符号Ωtotal（也可缩写为Ω）来表示我们的宇宙与这个临界值相比的倍数，那么暴胀理论预测到Ω=1。然而，当我还在上研究生时，通过对星系的观测以及其他越来越精确的数据，人们测算出一个低得多的值Ω≈0.25。那段时间，阿兰的地位十分尴尬，因为他穿梭于各个会议之间，坚持不懈地声称Ω=1，全然不顾实验物理学家们的结论。幸好阿兰坚守住了自己的阵地，历史证明，他是正确的。正如我们在上一章所看到的那样，暗能量的发现表明之前算出的结果只占真实密度的25%。当我们把暗能量考虑进去时，便得到了Ω=1，误差小到低于1%（见表3-1）。
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暗能量的发现瞬间提升了暴胀理论的可信度，再加上一些其他原因，人们已不能再对不可稀释物质的假定置之不理，也不再认为它疯狂至极、不切实际，因为这种物质不是别的，正是暗能量！这样，就像140亿年前的暴胀开启了大爆炸新纪元一样，一个属于暴胀理论的新时代终于拉开了序幕！这个由暗物质驱动的暴胀与之前的理论很相似，只不过动作放慢了很多——它每次翻倍的时间并不像之前所认为的那样短于眨眼之间，而是长达80亿年。所以，关于暴胀，最有趣的争论不再是它是否发生过，而是它发生了一次还是两次。
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播撒涨落的种子
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成功的科学理论都有一个特点，那就是，它们对人们的滴水之恩总是涌泉相报。阿兰只用了一个假定（一小团难以稀释的物质）就解决了三个宇宙学难题——大爆炸、视界问题和平坦性问题。之前我们还看到，暴胀理论的裨益不止如此，它还预测了Ω=1，这个预言在大约20年后得到了观测的证实。然而，这并不是故事的全部。
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上一章结束时，我们提出了一个疑问，星系和宇宙大尺度结构到底从何而来？出乎所有人的意料，暴胀理论竟然也能回答这个问题！它给出的答案简直令人震惊！这个想法最初是由两位俄罗斯物理学家提出的，他们是盖纳迪·西比索夫（Gennady Chibisov）和维亚切斯拉夫·穆哈诺夫（Viatcheslav Mukhanov）。当我第一次听到他俩的想法时，我认为十分荒谬。而现在，我把它看作科学史上最激进而美丽的思想综合体的最主要的候选者。
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简而言之，这个答案就是，宇宙涨落的种子来自量子力学，这是关于微观世界的理论，我们将在第6章和第7章进行探索。但是，大学课堂教的知识告诉我，量子效应只对非常微小的事物能产生重要作用，比如原子，那它们如何能影响星系这样的极大之物呢？其实，暴胀理论最华美之处就在于，它将极大和极小的尺度连接起来了——在暴胀的早期，今天银河系所占据的空间比一个原子还小许多，所以量子效应变得不可忽视。事实正是如此。我们在第6章将看到，量子力学中所谓的“海森堡不确定性原理”（Heisenberg uncertainty）阻碍了所有物质（包括暴胀物质）变得绝对均匀。如果你想让它变均匀，量子效应将迫使它开始左摇右摆，四处扭动，破坏掉均匀性。当暴胀将这团亚原子区域拉扯今天的整个可观测宇宙时，量子力学印入其中的密度涨落也被拉伸到星系甚至更大的尺度。正如上一章所说，其他一切事情就交给万有引力的不稳定性了，它将量子力学赋予的0.002%的微小起伏放大到令人叹为观止的星系、星系团和超星系团，装点了我们今天璀璨的夜空。
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最棒的是，这不只是定性的冗长描述，而是一个严格的定量理论，其中的一切都可以精确地计算出来。我在图3-2中画出的频谱曲线是对最简单的暴胀模型的理论预测，我发现它与实际测算的结果非常吻合。暴胀模型还预测了三个我在表3-1中列出的宇宙学常数，其中一个常数Ω=1我已经提到过；另外两个常数涉及宇宙聚集模式的性质，我们在上一章曾讨论过这个话题。在最简单的暴胀模型中，种子聚集（表3-1中用Q表示）的幅度取决于暴胀区域尺度翻倍的速度。当翻倍的时间约等于10-38秒时，预测值和观测值正好相吻合：Ω≈0.002%。
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暴胀还对种子聚集的“倾斜度”常数（表3-1中用n表示）作出了有趣的预测。为了理解这点，我们需要看看图4-6中那锯齿状的边缘，数学家称之为自相似、分形或尺度不变性。这些词语的意思都是说，如果我放大这张图像的一部分，你将无法分辨出放大图和原图之间的差异。当我将这个放大的过程一直重复下去，你会发现，哪怕把曲线放大1万亿倍，也和原来的整条曲线一模一样。有趣的是，暴胀理论预测，我们的婴儿宇宙也可以被近似看成是尺度不变的。从这个意义上说，如果你随机挑选出1立方厘米空间，将其中一部分放大，你将无法分辨放大部分和原来的1立方厘米有什么区别。这是为什么呢？原来，在暴胀统治的时代，从本质上说，放大宇宙与宇宙尺度翻倍是等价的。所以，如果你坐时间机器回到暴胀的纪元，如果你看到涨落的统计特征具有尺度不变性，就相当于这些特征不随时间而变化。但是，暴胀预言，这些特征之所以不随时间而变化，是因为一个很简单的原因：产生量子涨落的区域附近的物理条件也几乎不随时间变化，因为暴胀物质的密度等特征并不会发生显著的改变。
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表3-1中的倾斜度n表示的是暴胀宇宙的尺度不变性。它表征了大尺度和小尺度上聚集程度的对比，我们将n=1定义为完美的尺度不变（即任何尺度上的聚集程度都完全一样），n＜1代表大尺度下的聚集更多，n＞1则表示小尺度上拥有更多的聚集。穆哈诺夫等暴胀理论先驱预言n会相当接近1。第3章里我曾讲到，我和朋友泰德偷偷摸摸地使用了教授的“魔豆”计算机，那时，我们的目的正是为了计算当时最精确的n值。我们得出的结论是n=1.15±0.29，这个值与1很接近了。看起来，暴胀理论的这个预测似乎不赖。
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图4-6 这个所谓的“雪花分形”（snowflake fractal）由瑞典数学家海里格·冯科赫（Helge von Koch）所发明。它拥有不可思议的特征，它与自身放大后的一部分完全相同。与之类似，暴胀理论预言到，至少从近似的统计学意义上来说，我们的婴儿宇宙也与自身放大后的一部分别无二致。
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对n的探索变得越来越有趣。由于暴胀终有完结的一天，所以暴胀物质还是会在暴胀过程中逐渐被稀释，否则，一切都将不会改变，暴胀将永远持续下去。在最简单的暴胀模型中，密度降低也会导致涨落幅度的下降。这意味着，越往后，涨落的幅度越小。但是，在暴胀结束前，后期产生的涨落被拉伸的程度大不如前，所以它们对应着今天的较小尺度。这一切的结果是预测出n＜1。为了作出更具体的预测，你需要知道暴胀物质是由什么组成的。在这样的模型中，最简单的一个是由安德烈·林德（见图4-1）最先提出的，行话称为“二次势标量场”（scalar field with quadratic potential，本质上看，可以把它看成电磁场的“兄弟假说”），它预测了n=0.96。现在，再看看表3-1，你会发现n的数值已经比我们的“魔豆”时代精确了60倍，最新的值是n=0.96±0.005，已经直逼预测值了！
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安德烈·林德是暴胀理论的先驱之一，他给了我很多启发。我曾见过别人解释某件东西，听起来十分复杂。但是当我听到林德对同一个东西进行解释时，我才意识到它真的很简单，只要你用正确的方法——也就是林德的方法。林德有着温和的黑色幽默，不管是讨论个人问题，还是前沿科学，他的眼睛里总是闪烁着淘气的光芒。
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不是热大爆炸，而是冷小旋风
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在未来几年，我们对这些数值的测算会变得越来越精确。我们还有潜力测量暴胀模型预测的其他数值。比如，除了亮度和颜色以外，光还具有另一个性质叫“偏振”（polarization）——蜜蜂可以看见偏振光，并能用其来辨别方向。尽管人眼察觉不到这个性质，但偏光太阳镜却能透过某一种特定的偏振光。许多流行的暴胀模型都预测到，宇宙微波背景辐射中存在一个相当特别的偏振特征——暴胀过程中的量子涨落产生了一种被称为“引力波”（gravitational waves）的东西，这是时空结构的振动。它以一种独有的方式扭曲了宇宙微波背景的模式。
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2014年的一天清晨，阿兰给我发送了一封标为“机密”的邮件，邀请我参加3月17日在哈佛大学举行的一场新闻发布会，届时将宣布引力波的发现。房间里挤满了物理学家和新闻记者，阿兰和林德两人都面带微笑。来自BICEP2实验的约翰·科瓦奇（John Kovac）汇报说，经过在南极地区对微波长达3年的艰苦测量，他们探测到了长度接近10亿光年的巨大引力波。要形成如此强大的引力波，需要极端的暴虐。例如，两个黑洞发生灾难性的碰撞，将比太阳还重的质量挤入一个比城市还小的体积内。这样的事件才能创造出美国LIGO（激光干涉引力波天文台）实验希望探测到的引力波，但是这些引力波的大小仅仅只有创造出它们的那对黑洞那么大。
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既然我们的宇宙中似乎没有什么东西如此庞大，大到能够产生BICEP2声称看到的巨大引力波，那么，究竟是什么东西创造了它们呢？在我看来，唯一合理的解释就是暴胀创造了它们，采用的方式是在10-38秒的时间内将空间翻倍并重复至少80次。如果这些巨大的引力波真的存在，这就是唯一的解释。BICEP2新闻发布会后不到一年的时间里，它的结论就被普朗克卫星的新数据所推翻。普朗克卫星的数据显示，BICEP2的全部或部分信号并不是由暴胀引起的，而是由银河系内的尘埃所引起。搜寻仍在继续：BICEP2和其他竞争团队正在你追我赶，争取早日测量出更加灵敏的结果。接下来的几年里，人们终将揭示出来自暴胀的可探测引力波是否真的存在。
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那么，我们到底应该多认真地看待暴胀理论呢？即使在引力波事件发生之前，它就已逐渐成为关于宇宙早期最成功和最流行的理论，因为各方实验逐渐确认了它的一个又一个预测，那就是：我们的宇宙应该非常庞大，它正在膨胀、近似均质、各向同性并且十分平坦，而宇宙“婴儿照”中则存在着细微的涨落，大体上具有尺度不变性、绝热性和高斯性。对我和我的许多宇宙学同行来说，如果能找到极大、极长的引力波，就相当于找到了触发成因的确凿证据，因为我们找不到其他合理的解释。所以，找到它们就意味着（尽管听起来很疯狂）暴胀真的发生过——我们的整个可观测宇宙曾经比一颗原子还小得多。
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如果要认真对待暴胀理论，那么我们就需要纠正那些声称暴胀发生在宇宙大爆炸之后不久的人，因为它其实发生在大爆炸之前，并创造了大爆炸。将宇宙的热大爆炸定义为时间的起点是不恰当的，因为我们并不知道时间是否真的有一个起点，还因为暴胀的早期阶段并没有多么“热”，也不“大”，更算不上什么“爆炸”。随着那一小团暴胀物质将直径翻上80倍，它各部分之间相互远离的速度也飞快地增加了280倍。它的体积增加的倍数是前述数字的立方，也就是2240。质量也同样如此，因为它的密度几乎保持不变。暴胀之前所留下的所有粒子很快降至接近零的温度，只剩下一点点来自量子涨落的热量——正是这些量子涨落产生了引力波。综合来看，我认为，我们最好不要把暴胀的早期阶段看作一次热大爆炸，而应该看作一场“冷小旋风”（Cold Little Swoosh），因为那时候我们的宇宙并没有那么热（到暴胀终止时，温度升高了1 000倍），也没有那么大（还没有一个苹果重，尺度为质子的1/109），甚至也算不上一个爆炸（膨胀的速度比暴胀后慢了1万亿、万亿倍）。
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大爆炸只是宇宙之树上的一个枝
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到目前为止，我们对暴胀理论的讨论听起来很像一个成功的物理学理论必经的典型生命周期：新理论解决了老问题→更多预测→实验确认→广被接受→写入教科书。听起来，似乎到了暴胀理论该退休的时候了，我们会为它举办一场传统的科学理论退休仪式，主持人会说：“谢谢你，暴胀理论，谢谢你在探索宇宙终极起源方面的积极付出。现在，请退休吧，你将在教科书的某几章节里度过余生。所以，别来烦我们了，我们将探索其他令人兴奋、尚未解决的新问题。”但是，暴胀理论却很像一个顽强的老教授，它就是坚持不退休！除了在早期宇宙学中不断给予之外，暴胀理论还给了我们一个从未想过的大惊喜——然而，我的一些同行并不欢迎它。
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根本停不下来
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第一个令人震惊的事情是，暴胀拒绝停下来，永远在创造出新空间。这是安德烈·林德和保罗·斯坦哈特在一个更具体的模型中发现的。亚历克斯·维兰金为这个效应的存在找到了一个优雅的证据。他是塔夫茨大学的教授，总是友善待人，语调温柔，正是他邀请我去做了那场让阿兰·古斯睡着的演讲。因为种种原因，维兰金曾遇到过很多政治磨难，因此，每当我为官僚主义而懊恼时，想一想亚历克斯的经历，我就会意识到自己的问题是多么微不足道，我的沮丧就会被感激所取代。也许，正是他对所信之物的坚定和不畏权势的精神，才使他坚持不懈地工作，并发现其他杰出科学家忽视的东西。