第5章 暴胀的宇宙

胀率（一年内物价上涨的百分比）非常相似。1980年，当古斯在哈佛大学做报告时，美国的通货膨胀率为14%。如果保持这个值不变，商品的价格每5.3年就会翻一番。同样，恒定的宇宙膨胀率意味着存在着一个固定的时间长度，即倍增时间，一个倍增时间内宇宙的大小会翻一番。

图5.2 阿兰·古斯在他麻省理工学院的办公室。他的这间办公室荣获1995年由《波士顿环球报》评选的“最乱的办公室”称号

每隔固定的时间就翻倍的增长模式被称为指数增长。众所周知，这种方式可以快速创造出巨大的数字。如果一块比萨现在的价格为1美元，那么经过10个周期（在我们的例子中这是53年）后，其价格将为1 024美元，而经过330个周期后，其价格将为10100美元。这个大得惊人的数字（1后跟100个零）有一个特殊名称：古戈尔（googol）。古斯建议我们在宇宙学中采用“暴胀”（inflation）一词，用它来描述宇宙的指数膨胀。

伪真空宇宙的倍增时间短得令人难以置信。真空能量越高，这个时间越短。对于弱电真空，宇宙会在1/30微秒内膨胀10100倍，而大统一真空的膨胀速度更是弱电真空的1026倍。在这么短的时间内，一个原子大小的区域将膨胀得比目前整个可观测宇宙都大得多。

由于伪真空是不稳定的，它最终会衰变，它的能量最终转化为一个由基本粒子组成的炽热火球。这一事件标志着暴胀的结束以及普通的宇宙演化过程的开始。这样，我们就从一粒微小的种子中得到了一个巨大的、炽热的、不断膨胀的宇宙。此外，令人惊喜的是，大爆炸假说中的视界问题和平直性问题在这个场景中不复存在。

视界问题的本质在于，可观测宇宙的一些部分之间的距离看起来总是比自大爆炸以来光经过的距离要远。这意味着这些区域之间从来没有机会进行相互作用，因此很难解释它们为什么会呈现出相同的温度和密度。在标准的大爆炸理论中，光经过的距离与宇宙的年龄成正比，而区域之间距离的增长速度则会逐渐减慢，这是因为宇宙的膨胀被引力减缓了。在未来，当光所能传播的距离最终赶上区域之间的距离，现在不能相互作用的区域将会有机会进行相互作用。但是在更早的时候，光可以传播的距离远小于区域之间的距离，因此，如果这些区域现在不能进行相互作用，那么它们在过去也不能这样做。因此，这个问题的根源可以追溯到引力使得物质互相吸引的本质，这导致宇宙膨胀随着时间的推移而减慢。

然而，在伪真空的宇宙中，引力是相互排斥的，因此它不但不会减缓膨胀，反而会加快膨胀。这样，情况就反过来了：在过去能够进行信息交流的区域将在未来失去相互作用的能力。更重要的是，那些彼此无法触及的区域在过去一定有过互动。视界问题就这样消失了。

平直性问题也轻易地土崩瓦解。事实证明，只有在宇宙膨胀速度减缓时，宇宙才会倾向于偏离临界密度。而在加速的暴胀式膨胀中，情况恰恰相反：宇宙倾向于趋近临界密度，也即趋于平直。由于暴胀使得宇宙膨胀了许多倍，我们只能看到它的一小部分。这一小部分的可观测区域看起来是平直的，就像你从地面上看地球似乎是平的一样。

总而言之，短暂的暴胀使得宇宙变得巨大、炽热、均匀和平直，为标准的大爆炸宇宙学创造了适宜的初始条件。

暴胀理论即将开始征服世界。至于古斯自己，他做博士后的日子已经结束了。母校麻省理工学院聘用了他，从那以后他一直待在那里。

这看起来是这个传奇故事的大团圆结局，但很不幸，有个问题：这个理论行不通。

阿兰·古斯发现暴胀理论的曲折历程请参见他的优秀着作The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins (Addison-Wesley, Reading, 1997)。

引自《李尔王》，朱生豪译，译林出版社2018年版。——编者注

可以想象的是，我们的真空具有的能量可能不是最低的。弦论目前是自然基本理论的主要候选者，它表明负能量的真空可以存在。如果它们确实存在，那么我们的真空最终也将衰变，对其中所含的所有物质造成灾难性的后果。我们将在第15章讨论弦论，并在第18章讨论真空衰变的可能性。在此之前，我们将假定我们生活在真真空中。

从能量角度考虑，这一结论非常容易理解。作用在一个物体上的力总倾向于降低物体的能量（更准确来说，是势能，指与它的运动无关的能量）。例如，重力将物体拉向地面，使其势能减少。（重力势能随着离地高度的升高而增大。）对于伪真空而言，它的能量正比于它所占据的体积，因此只有通过减小体积才能减少它所包含的能量。因此，应当有一个力使真空缩小。这就是张力。

“暴胀”与“通货膨胀”在英文中是同一个单词。——译者注