星空中遙遠而美麗的星星，離我們多遠，又從何而來？| 圖源：pixabay.com諾貝爾獎并非完美，有錯發(fā)，有漏發(fā)，有遺珠，也不頒發(fā)集體，甚至獲獎理由表述還出過錯等等。獲得諾獎在公眾中能得到一定的知名度，但沒得獎絕不意味著其工作沒那么重要。
比如，在宇宙天文領域，暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)者、瑞士天文學家弗里茨·茲維克（Fritz Zwicky，1898-1974）和美國天文學家維拉· 魯賓（Vera Rubin，1928-2016）一直到去世也沒能獲得諾獎。在此，我們認為，提出宇宙暴脹理論的三位先驅(qū)——阿蘭·古斯（Alan Guth），安德烈·林德（Andrei Linde）和阿列克謝·斯塔羅賓斯基（Alexei Starobinsky），他們的工作也是值得諾貝爾獎的，希望將來他們可以等到。這其中還有一位華人，與這個發(fā)現(xiàn)擦肩而過，不過并不影響他其他方面的成績。
圖1 從左到右分別是阿蘭·古斯（Alan Guth），安德烈·林德（Andrei Linde）和阿列克謝·斯塔羅賓斯基（Alexei Starobinsky）
人類從文明誕生之初就開始仰望星空，試圖去探索和理解這浩瀚宇宙所蘊含的奧秘和規(guī)律。在早期，人們只是做簡單的觀測和記錄。在愛因斯坦建立了廣義相對論后，現(xiàn)代宇宙學建立了起來，人們終于可以對宇宙的整體演化進行系統(tǒng)研究。這就是理論的重大意義。在天文學里，理論和觀測是其兩條臂膀，缺一不可：理論指引觀測的方向，觀測檢驗理論的對錯。然而，即使是偉大的愛因斯坦也會“犯錯”，受限于當時的觀測手段和人們長久以來對宇宙“永恒不變”的認知，他起初的宇宙模型是靜態(tài)的。到了1929年，天文學家哈勃發(fā)現(xiàn)，離我們越遠的星系遠離我們的速度越快，人們才知道了真實的宇宙不是恒定不變，而是在膨脹。既然宇宙在不斷膨脹，那么沿著時間線向前反推，在最初的時刻，宇宙中的一切將匯聚于一個密度無限大，溫度極高的點。宇宙的一切都源自于這個點的“爆炸”，這便是大爆炸宇宙論（Big Bang）。大爆炸宇宙論聽起來天馬行空，提出之初也沒能得到科學界的認同，然而其預言的大尺度結(jié)構的形成和宇宙核合成過程得到了宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background，CMB）和宇宙輕元素豐度觀測結(jié)果的支持。這些觀測事實使得大爆炸理論逐漸被學界接受，并成為了目前的標準宇宙學模型。大爆炸宇宙論雖然獲得了巨大成功，但也不是完美無缺，比如它還存在著“平坦性疑難”和“視界疑難”等問題。平坦性疑難是指，宇宙各個組分的密度是如此的“恰到好處”，以至于宇宙的空間高度接近三維歐氏空間，而這需要早期宇宙非常平坦，微小的一點曲率都會導致宇宙進行完全不同的演化，從而產(chǎn)生一個微調(diào)問題。視界疑難是指，既然宇宙的時間有個起點，如果一段空間距離在宇宙的年齡內(nèi)連光都無法跨越，那么這段距離兩端理應是毫無關聯(lián)的，然而宇宙微波背景輻射的觀測結(jié)果表明，相距如此遠的地方，它們之間的溫度差異非常微小，也就是說，它們通過某種物理聯(lián)系達到了熱平衡?？茖W家們?yōu)榱私鉀Q這個問題進行了許多嘗試和研究。在20世紀70年代末和80年代初，古斯、林德和斯塔羅賓斯基發(fā)現(xiàn)，如果在大爆炸之后的極短時間內(nèi)經(jīng)歷指數(shù)爆炸式的膨脹，那么這些難題就會迎刃而解。由于這個膨脹過程就像通貨膨脹一樣離譜，在英文中便直接借用通貨膨脹（inflation）來進行命名，這便是暴脹宇宙模型。1979年，擁有理論物理博士學位的古斯在康奈爾大學做第三期博士后，此時的他在粒子物理領域還沒有什么出名的工作，正為未來的科研道路迷茫犯愁，誰也未曾想到不久后他會在另一個領域做出重大的突破，而這段故事還有一位華人科學家的參與。彼時，同為康奈爾大學博士后的戴自海（Henry Tye）不久前從粒子物理領域跳槽到宇宙學，他經(jīng)常勸導古斯和他一起做宇宙學。雖然古斯一開始并沒有接受，但他在聽到一個有關宇宙學平坦性的報告后，意識到解決這一疑難的重要性，也被宇宙學深深吸引，于是轉(zhuǎn)而研究宇宙學。一開始，古斯和戴自海一起專注于磁單極子問題：大統(tǒng)一理論提出，宇宙早期的溫度低于大統(tǒng)一溫度后，由自發(fā)對稱性破缺引起的相變過程會產(chǎn)生眾多穩(wěn)定的磁單極子（可以想象為冷卻的宇宙巖漿中析出磁單極子這樣的“礦石”），然而在我們當今的宇宙中卻沒有探測到磁單極子的存在。就在二人的研究將要有所成果時，戴自海回國參加了一個會議，在那個通訊非常不便利的年代，二人只能結(jié)束合作。當戴自海回到康奈爾大學時，古斯已經(jīng)去了斯坦福大學開始了他的第四期博士后。就在這個時期古斯提出，早期宇宙如果處于一個“假”真空狀態(tài)，隨著溫度下降，假真空向真真空演化的過程中，宇宙會發(fā)生指數(shù)膨脹，這個過程會使得磁單極子的密度猛烈下降，從而解決磁單極子問題。不久后，古斯又意識到，暴脹過程的存在，還可以使當前宇宙沒有因果聯(lián)系的區(qū)域在暴脹前產(chǎn)生聯(lián)系，并且早期存在的曲率也會被暴脹過程稀釋（就仿佛一個迅速吹大的氣球可以“抹平”原來的褶皺），因此他的理論不僅可以解決磁單極子疑難，也可以解釋視界疑難和平坦性疑難。他發(fā)表了《膨脹宇宙: 視界問題和平坦性問題的一種可能解決方案》一文，憑借這個工作，古斯終于如愿以償，在完成四期博士后之后獲得了麻省理工學院的副教授職位。古斯的辦公室非常雜亂，他甚至因此“榮獲”《 波士頓環(huán)球報》評選的“最凌亂辦公室獎”，但古斯對此并不在意，甚至引以為豪，雜亂的辦公室加上有著發(fā)散思維的科學家，成就了一個偉大的理論模型。由于恰不逢時的會議和時代局限，戴自海沒能成為這篇文章的作者。古斯也說，如果戴自海當時沒有回中國開會，那他應該也是提出暴脹理論的文章的主要作者，雖然戴自海錯過了暴脹理論的提出，但是之后他提出了膜暴脹的學說，并在超弦理論和膜宇宙學也做出了很多工作，取得了不少成就。
在古斯的暴脹理論中，假真空的衰變必須經(jīng)過量子穿隧達到真真空態(tài)，而這一過程不僅會使宇宙變得很不均勻，也無法產(chǎn)生輻射，因此無法自然地和之后宇宙熱膨脹演化過程銜接。Andrei Linde基于古斯的“舊暴脹”，提出了改進的“新暴脹”，即“慢滾暴脹”（slow-roll inflation）理論。在新的暴脹理論中，假真空狀態(tài)衰變由標量場沿著平坦的勢能曲線緩慢滾動到真真空態(tài)來刻畫，這個過程即是指數(shù)膨脹過程，而當勢能曲線變得陡峭，暴脹就會結(jié)束，同時標量場減少的勢能衰變成各種粒子和輻射，使宇宙溫度升高，宇宙進入到輻射為主時期。林德改進的新暴脹模型被更多人接受，此后他繼續(xù)研究暴脹理論，提出了混沌暴脹（Chaotic inflation）和多場的混合暴脹模型（Hybrid inflation），還在暴脹多元宇宙理論和弦理論領域做了很多工作，成為宇宙學，尤其是早期宇宙研究的引領者。莫斯科朗道理論物理研究所的斯塔羅賓斯基也是暴脹理論研究的先驅(qū)者。他認為，早期宇宙處于一個極高能量的狀態(tài)，此時需要考慮廣義相對論中的量子修正，在引力的作用量中加入平方曲率的修正項，而這個平方項在曲率很大的時候可以作為等效的宇宙學常數(shù)，引發(fā)早期宇宙的指數(shù)膨脹。斯塔羅賓斯基成功提出了第一個具體的暴脹模型“Starobinsky模型”，雖然是最早的暴脹模型，但它依舊與當前最新的宇宙微波背景輻射觀測結(jié)果保持一致。斯塔羅賓斯基還對暴脹時期引力輻射的產(chǎn)生與量子漲落的演化進行了研究，這些量子漲落導致了宇宙微波背景輻射溫度漲落與原初密度擾動，是當前宇宙大尺度結(jié)構形成的種子。
圖2 暴脹宇宙學模型和早期宇宙演化的示意圖
在以古斯，林德和斯塔羅賓斯基為代表的科學家們的努力下，暴脹宇宙學模型被提出并不斷被完善，也成為了當今標準宇宙學模型中的重要一環(huán)。在標準宇宙學模型的圖像中，宇宙誕生于約138億年前的大爆炸，暴脹階段在大爆炸后約10?36秒開始，持續(xù)到大約大爆炸后10?32秒，宇宙在非常短的時間內(nèi)進行了指數(shù)膨脹，宇宙的空間尺度被放大約1080倍，而暴脹時期的原初擾動也成為后來大尺度結(jié)構形成的種子。而后宇宙的溫度不斷降低，在經(jīng)歷了短暫的輻射為主時期后，物質(zhì)漸漸占據(jù)了主導地位，在宇宙誕生后38萬年的時候，原子核和自由電子結(jié)合成中性氫原子，光子不再與電子發(fā)生散射，開始自由傳播，形成了宇宙微波背景輻射。在漫長的物質(zhì)為主時期，宇宙首先經(jīng)歷沒有新光源產(chǎn)生的黑暗時代，之后第一代恒星形成，繼而早期星系和大尺度結(jié)構開始形成，宇宙漸漸演化為今天的模樣，并進入到當今加速膨脹的暗能量為主時期。
圖3 當前標準宇宙學模型和宇宙整體演化的基本圖像
在現(xiàn)代宇宙學建立的100年間，該領域在觀測和理論兩個方面都得到了很大的發(fā)展，二者相輔相成，使得宇宙學不斷被完善。在哈勃對遙遠星系進行觀測后，人們知道宇宙是動態(tài)的，從而導致了大爆炸理論的誕生。隨后，宇宙微波背景輻射的觀測結(jié)果不僅驗證了大爆炸理論的正確性，也打開了精確測量宇宙學的大門，而宇宙微波背景輻射的各向同性以及支持平直宇宙的觀測結(jié)果也促進了暴脹理論的提出。1998年，在發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹后，暗能量的概念被引入標準宇宙學圖像，引力波和中微子的探測則打開了多信使天文學的時代。我們看到，標準宇宙學圖像并非一成不變，而是隨著觀測和理論的進步而不斷改進的。21世紀以來，宇宙微波背景輻射觀測，宇宙加速膨脹和引力波探測等天文學和宇宙學的重要發(fā)展都獲得了諾貝爾物理學獎。古斯，林德和斯塔羅賓斯基三人也因為開創(chuàng)了宇宙暴脹理論而獲得了2014年的卡夫利獎。有理由相信，在這個天文學蓬勃發(fā)展的時代，人類會在探索宇宙的道路上獲得更多的突破，描繪出一個更加完整和豐富多彩的宇宙圖景。
（任鑫、李嘉睿分別為中國科學技術大學天文學系博士和在讀博士生，蔡一夫為中國科學技術大學天文學系教授）
參考文獻：
https://www.science.org/content/article/did-nobel-committee-get-physics-wrong
