第6章 绝对正确

真理易于从谬误中产生，却不容易从混乱中产生。

——弗朗西斯·培根

优雅退出问题

在刚刚想到的美丽理论中发现致命缺陷，这种心一沉的感觉是每个物理学家都了解的。但这就是大部分优美理论的命运，暴胀理论也不例外。俗话说，魔鬼藏在细节中。仔细观察之后，我们发现伪真空的衰变并不如预期的那样平稳。

真空衰变的过程与水的沸腾类似。真真空泡随机迸出，并在伪真空的环境中膨胀（见图6.1）。随着小泡的增大，它们的内部依然几乎是空无一物，由伪真空转变为真真空的过程释放出的所有能量都集中于膨胀着的泡壁中。当这些小泡相互碰撞并融合时，泡壁分解成为基本粒子。最终，真真空中充满了炽热的物质火球。

图6.1 真真空泡随机迸出并膨胀。越早形成的真空泡尺寸膨胀得越大

如果真空泡以一种快到狂热的速率产生，那么上述情况的确会发生，从而在不到一个倍增时间内完成整个真空衰变过程。然而，这就意味着，远在宇宙变得均匀平直之前，暴胀就过早地结束了。我们感兴趣的情况正好相反，即真空泡的形成率较低，这样在它们开始碰撞时，宇宙已经膨胀了很多倍，变得均匀平直。但是，正如瑞士物理学家保罗·埃伦费斯特经常说的，一石激起千层浪，这里就是石头落水的地方。

这一理论的问题在于，真空泡之间的空间中充满了伪真空，因此同样在迅速膨胀。真空泡的体积增长得很快，与光速接近，但是仍然无法追上伪真空的指数型膨胀。如果这些真空泡在它们形成之后的一个倍增时间内没有相互碰撞的话，那么之后它们之间的距离只会越来越大，再也不会碰上。

这样一来，我们就会得到一个结论，即暴胀不可能结束。真空泡会膨胀到无限大，而新的小真空泡又持续不断地从一直扩张的间隙中迸出。最终结果就是，由暴胀所导致的美妙的均一性被彻底摧毁。这样暴胀式的膨胀缺乏一个合理的终结过程，这个问题被称为“优雅退出问题”。

在古斯的新理论仅仅发布了几个月之后，他就发现了问题。当时他关于暴胀的论文尚未完成，原因很简单：阿兰·古斯是这个世界上病情最严重的拖延症患者。（在跟他合作了一些研究项目之后，我对此有了切身体会。）古斯当然对他理论中的严重缺陷感到失望，但是他还是觉得这个理论太完美了，不可能有错。1980年8月，当他终于着手开始写这篇论文时，他总结道：“我发表这篇论文，是希望它可以……促进其他研究者找到某些方式，来避免暴胀情景中的这些不合理的特性。”

标量场

为了找到问题的根源，现在我们来更详细地探讨伪真空的衰变问题。哈佛大学物理学家悉尼·科尔曼（Sidney Coleman）研究了衰变过程，他用所谓的“标量场”来描述这一过程。

所谓“场”，是指空间中每一点都对应着一个数值的物理量。这些数值可能在每一点上都不一样，也可能随着时间变化。举个简单的例子，温度就是一种场，无论是北极、科德角的顶端，还是太阳中心，宇宙中的每一点上都有一个数值确定的温度。另一个我们熟知的例子是磁场，除了数值大小之外，磁场中的每一点还具有方向。我们无法直接感知磁场，但是可以用指南针显示它的存在。指南针的指针会指示出每一点的方向，根据指针摆动的力度也能判断数值大小。

像温度这样没有方向的场，被称为标量场，它们仅用一个数字，即大小，就可以完整表征。在基本粒子物理学中，标量场起着重要的作用。根据现代粒子理论，宇宙空间中充满了许多标量场，它们的数值决定着真空能、粒子质量，以及它们之间的相互作用。换句话说，这些标量场确定了我们存在于哪种真空之中。目前，这些标量场处于真真空值状态，但是在更早的时代，情况可能会有所不同。

为了说明真空衰变的物理本质，我们将从一个标量场出发，重点关注它是如何影响真空能的。空间中的每一立方厘米都具有能量，这个能量取决于场的大小。确切的关联函数尚未可知，但是大体看来，它的形貌有些类似于一片丘陵，如图6.2所示，在其中某些点上取最大值，而另外某些点上取最小值。标量场的行为方式非常类似于一个在其中滚动的小球。根据小球不同的初始位置，它将滚向图中的某一个局部最小值。较低的局部最小值的能量密度几乎为零，代表真真空；而较高的局部最小值表示一个高能的伪真空。

图6.2 拥有真真空和伪真空的标量场能量函数。代表标量场的小球可以利用量子隧穿效应穿过分隔两个真空的能量势垒

假设现在，对于空间中的每一点，我们都从伪真空开始，也就是图6.2中位于较高的局部最小值处的小球，它将在原地静止很长时间，除非有人踢它一下，给它足够的能量越过势垒，到达较低的局部最小值。但是依据量子理论，物体可以像穿过隧道一样穿过能量势垒。如果你有幸能观察到这一过程，你能发现小球先消失了，然后出现在势垒的另一边。

量子隧穿是一个概率过程。你无法准确预测它什么时候会发生，但是你可以计算出它在给定的时间段发生的概率。宏观物体（例如一个小球）隧穿的概率极低。比方说，如果你想让一罐可乐隧穿出自动贩售机，那你需要等待的时间会比宇宙现在的年龄还要