第5章 暴胀的宇宙

人们可以抵抗军队的入侵，但是无法抗拒思想的侵袭。

——维克多·雨果

宇宙之谜

假设有一天，你收到了一条来自遥远星系的无线电消息，内容是“猫王活着”。你把无线电天线指向另一个星系，惊讶地发现你收到了一条一字不差的消息。令人困惑的是，无论你把天线指向哪个星系，你都会收到一样的消息。你会得出两个结论：第一，猫王的歌迷遍布全宇宙；第二，他们彼此一定互相通过信——不然，他们怎么会发送完全相同的消息呢？

这个例子虽然看起来有点儿蠢，却与我们观察宇宙时的情况非常相似。从宇宙的各个方向射向我们的微波辐射的强度几乎完全一致，这表明在这些辐射被发射时，宇宙的密度和温度是高度均匀的。这意味着，发射辐射的区域之间存在某种联系，从而使得不同区域的密度和温度保持均匀。然而，问题在于，从大爆炸到现在的时间太短，这样的相互作用不可能发生。

问题的关键在于，任何物理相互作用都不能以超过光速的速度传播。自大爆炸以来，光所走过的距离约为400亿光年，这被称为视界距。它决定了我们可以看见多远的地方，并限制了可以进行信息交互的最大距离。我们现在观测到的宇宙辐射，是在大爆炸后不久发出的，从与视界大致相等的距离射向我们。现在，假设有来自天空中两个相反方向的辐射（如图5.1所示）。这些辐射发出的区域现在被两倍于视界距的距离分开，因此不可能相互作用，更不能通过交换热量来平衡温度。

图5.1 来自相反方向的宇宙辐射，两个辐射源之间相隔两个视界距

在早期，这两个区域彼此更接近，你或许因此认为这可能使得它们达到平衡。但事实上，在早期，困难甚至更为严重。原因是，在我们回溯的过程中，会发现两点间的距离确实会缩短，但其缩短的速度赶不上视界距减小的速度。在最后散射的时刻，即宇宙辐射被发出的时刻，宇宙的可观测部分已被分割为了成千上万个彼此之间无法传递信息的小区域。因此，我们可以得出这样的结论：如果一开始的原初火球就不是均匀的，那么任何物理过程都不可能使其变得均匀。

大爆炸的这种神秘特征通常被称为视界问题。我们对早期宇宙温度和密度的极度均匀性的唯一解释是，宇宙自诞生伊始就是这样的。从逻辑上讲，这种“解释”没有错。既然奇点的物理特征无法定义，我们便可以随意设定大爆炸伊始的宇宙的形态。但这个“解释”给人的感觉是根本没有解释任何事情。

宇宙大爆炸另一个令人费解的特征是，爆炸的威力使所有粒子相互远离，而引力则减缓了膨胀的速度，这两者之间存在一个脆弱的平衡。如果宇宙中物质的密度稍微高一点点，它的引力就足以阻止膨胀，宇宙最终会再次坍缩。而如果密度再低一点点，宇宙就会永远膨胀下去。观测到的密度与临界密度的差不超过百分之几，恰好处于两种糟糕结局之间的分界线上。我们需要对这种“巧合”做出解释。

问题在于，在宇宙演化的过程中，宇宙的密度有快速偏离临界密度的倾向。举例来说，如果在大爆炸后的一秒钟宇宙密度超过临界密度1%，那么在不到一分钟后，宇宙密度将升至临界密度的两倍，而在三分钟多一点点后，宇宙就会重新坍缩为一个点。而如果初始密度比临界密度低1%，那么在一年后，宇宙的密度就会降到临界密度的三十万分之一。在这样一个低密度的宇宙中，恒星和星系永远不会形成，它只会充斥着稀薄而毫无特征的气体。如果想要使得现在这个年龄有140亿年的宇宙的密度和临界密度只相差几个百分点，其初始密度必须如外科手术般精准。计算表明，在大爆炸后1秒时，宇宙的密度与临界值的差异不得超过百分之0.000 000 000 000 01。

与之密切相关的另一个问题是宇宙的几何结构。弗里德曼告诉我们，宇宙的大尺度几何结构和它的密度相关。如果密度高于临界密度，那么宇宙会是闭合的；如果密度低于临界密度，那么宇宙会是开放的；而如果密度恰好等于临界密度，宇宙将是平直的。因此，想要知道为什么宇宙的密度如此接近临界密度，我们可以转而探寻为什么它的空间几何结构如此接近于平直。因此，这一问题也被称为平直性问题。

人们早在20世纪60年代就已经意识到了视界问题和平直性问题，但几乎从来没有人讨论过，原因很简单——没有人知道该如何讨论这些问题。要解决这些问题，就必须面对一个更大的难题：宇宙大爆炸的过程中到底发生了什么。引发宇宙大爆炸并使所有粒子彼此远离的力的本质是什么？近半个世纪以来，物理学家在这个方向上没有取得任何进展，他们逐渐习惯于认为这是一个你永远也不能提的问题——要么是因为它不属于物理学，要么是因为物理学还没有准备好解决它。因此，当1980年阿兰·古斯在这一问题上取得了戏剧性的突破，并为一次性解决这一顽固的宇宙学难题指明了道路时，所有人都感到十分惊讶。* * *

古斯认为，是一种斥引力把宇宙炸开了。他认为早期宇宙包含一些非常不寻常的物质，这些物质产生了强烈的相互排斥的“引力”。如果你想就此做一次演讲，你最好在口袋里装一块反引力物质来说服你的听众，或者至少你得准备好一个十分