第6章 绝对正确

长得多。但是在基本粒子的微观世界中，量子隧穿要普遍得多。正如我在第4章中提到的，乔治·伽莫夫利用隧穿效应解释了放射性原子核的衰变。而在这里，就伪真空而言，大片的空间区域隧穿进真真空的概率完全可以忽略不计。隧穿只能发生在很小的微观区域中，形成一个微小的真真空泡，我们已经在上一节中讨论了小泡的形成过程。隧穿概率或大或小，具体取决于能量函数的形状。（当势垒较低或者较窄时，隧穿概率较大。）

尽管小球的隧穿和标量场的隧穿有很多相似之处，但也存在一个重要的区别。小球的隧穿发生在空间中的两个不同的点之间，而标量场的隧穿发生在同一位置的两个不同的取值之间。

从这个分析中可以看出，如果两个真空之间存在一个能量势垒，那么伪真空衰变只能通过量子隧穿进行，从而导致一个随机模式的真空泡。这种真空泡永远不会相互碰撞融合，因此衰变过程永远无法完成。但是，如果我们移除能量势垒，会发生什么呢？

慢滚暴胀

出生于苏联的年轻宇宙学家安德烈·林德（Andrei Linde）率先打破了传统，开始考虑一种新型的标量场模型，即伪真空和真真空之间没有能量势垒的模型。

和前文一样，我们还是从一个小小的封闭宇宙和一个伪真空状态下的标量场开始。如果没有能量势垒，表示标量场的小球将直接滚下真真空（见图6.3）。此时没有真空泡，因此在向下滚动的过程中，标量场在整个空间中都保持均匀。滚到底部之后，标量场又开始来回振荡，振荡的能量随后迅速消散成由粒子组成的火球，而标量场则停留在能量最低的状态。

图6.3 没有势垒的能量函数，标量场迅速滚落至真真空状态

然而，问题在于，如果没有能量势垒，标量场会迅速滚落，暴胀也将因此过早结束。林德意识到这个问题的危险性，做出了关键的改动。他认为，能量函数应该呈现为一种平缓山坡一样的形貌，如图6.4所示。图中山顶附近的平坦区域代表伪真空，如果小球处于这一区域中，它将开始非常缓慢地滚动。而既然此处的坡度相当平缓，那么小球会保持在差不多相同的高度。请记住，图中的纵轴表示标量场的能量密度，而能量密度的恒定是维持恒定的暴胀率的必需条件。

图6.4 呈现出“平坦山坡”形貌的能量函数。标量场缓慢地滚下坡，而暴胀仍在继续

林德想法的关键之处在于，在山顶附近的平坦区域，标量场滚动得非常缓慢，因此需要花费很长的时间才能够穿越这一区域。同时，宇宙进行了指数级的膨胀，由此产生了一个巨大的膨胀系数。当标量场到达图中斜坡陡峭的部分时，向下滚动的速度开始变快，而最终到达能量最小的状态后，标量场会在底部振荡，释放出的能量则变成一个由粒子组成的炽热火球。此时，我们就拥有了一个巨大的、炽热的、膨胀的宇宙，同时还是均匀的，近乎平直。这样，优雅退出问题终于得以解决！

综上所述，要想解决优雅退出问题，我们只需要一个标量场，它的能量函数呈现出如图6.4所示的平缓山坡的形貌。你可能会想，标量场是如何从山顶开始的呢？问得好，但是请先等等，我们将在第17章回到这个问题。

图6.5 安德烈·林德（左）与慕尼黑马克西米利安大学的斯拉瓦·穆哈诺夫（Slava Mukhanov）

林德的论文发表于1982年2月。几个月之后，美国物理学家安德烈亚斯·阿尔布雷希特（Andreas Albrecht）和保罗·斯坦哈特也各自独立发表了同样的观点。暴胀理论得以被挽救。

另一个重要问题是，这样的标量场在自然界中是否真实存在。不幸的是，我们不知道答案，没有直接证据能证明它们的存在。在最简单的弱电理论和大统一理论中，标量场的能量函数都过于陡峭，无法满足暴胀的条件。但是有一类理论，我们称之为超对称理论，其中就包括大量的具有平坦能量函数的标量场，目前最有可能成为基本自然理论的超弦理论就属于这一类。我们将在第15章中详细讨论超弦理论。

纳菲尔德研讨会

接下来的一幕发生在中世纪的大学城——剑桥。1982年夏天，应史蒂芬·霍金的邀请，来自世界各地的大约30名宇宙学家齐聚剑桥，参加了一个为期三周的关于极早期宇宙的研讨会，会议由纳菲尔德基金会资助。我有幸参会，霍金让我讲讲我最近关于宇宙弦的工作。

我立刻爱上了剑桥。一大早，我就起床，在古老学院的庭院里散步。哥特式的礼拜堂，钟楼，以及拥有简朴围墙、完美的方草坪和鲜艳花朵的小庭院，这些都是来自另一个更加充满思想的时代的遗迹。到了9点钟，我将回到现代，坐在会议室里等待学术报告的开始。谢天谢地，每天只有两场报告，上午一个，下午一个，其间留有大量时间进行非正式讨论。英式食物并不是这次旅行的亮点，但是英式啤酒就完全不一样了，许多晚上，我一边享用淡啤酒，一边和人讨论物理或者其他问题。

这次会议着重于宇宙学的最新进展，而暴胀理论则不可避免地占据了舞台中心。优雅退出问题已经得以解决，但是还存在另一个重要问题。

诚然，暴胀使宇宙变得平直而均匀，但是也许这样好过头了。在一个完全均匀同质的宇宙中，任何星系或者恒星都不