撰文 | 安德烈·林德（Andrei Linde）
翻译 | 蒋南
科学家曾以为，咱们的国际是在大爆炸中构成的一个孤零零的火球，但假如我和搭档是正确的，那咱们或许很快就能够跟这种观念说再见了。咱们正在20世纪80年代初诞生的暴胀理论的基础上探究一个新理论。
暴胀理论以为，国际曾阅历了一个“暴胀”阶段，在这个阶段，国际在极短的时刻内指数式增大，在这一阶段完毕之时，国际才依照大爆炸模型继续演化。在改善暴胀模型时，咱们提出的全新版别暴胀理论断语，国际不是一个胀大着的火球，而是一个不断成长的巨大分形。它由许多暴胀火球组成，这些火球中能发作新的火球，而新的火球接下来又会发作更多的球，就这样永远地继续下去。
咱们之所以这样做，是想处理旧的大爆炸理论遗留下的某些杂乱问题。大爆炸理论的规范模型以为，国际是在距今约138亿年时，从一个温度和密度均为无限高的国际奇点中诞生的。当然，物理学没办法真实地处理这些无穷大的量。科学家一般以为，现有的物理规律不适用于那个时分。只需在国际的密度降到普朗克密度（每立方厘米大约1094克）之下时，这些规律才干收效。
国际学的6个难题
跟着国际的胀大，它的温度逐步下降。但原初国际烈焰的余晖依然以微波布景辐射的方法环绕着咱们。这种辐射标明，现在国际的温度已降到2.7 K。1965年，贝尔实验室的阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）发现了微波布景辐射，在这一要害依据的支持下，大爆炸理论成了为干流的国际学理论。此外，大爆炸理论也能解说国际中氢、氦和其他一些元素的丰度。
跟着研讨人员对大爆炸理论的进一步研讨，他们发现了一些杂乱难解的问题。例如，与现代底子粒子理论相结合，规范大爆炸理论预言国际中存在许多带有磁荷（即只需一个磁极）的超重粒子。典型的磁单极子质量适当于质子的1016倍，即约为0.00001毫克。依据规范大爆炸理论，磁单极子在国际演化的开端时期就应呈现，而且现在的磁单极子丰度应与质子的丰度相同。在此状况下，国际中物质的均匀密度应比其现在的值高出约15个数量级。
磁单极子以及其他一些难题迫使物理学家更用心肠审视规范国际学理论的各个底子假定，而且咱们也发现大都假定是十分可疑的。接下来，我会介绍其间最难处理的6个问题。
第一个、也是最重要的一个问题便是：大爆炸是否真的发作过。人们或许会问，在大爆炸之前是什么呢？假如那时不存在时空，万物又是怎样从“无”发作的呢？是谁最早呈现，国际本身仍是决议国际演化的规律？有关初始奇点的问题——它终究开端于何处？从何时开端？依然是现代国际学中最难处理的一个。
第二个费事之处是空间的平直性。广义相对论以为，空间或许是十分曲折的，其典型的曲率半径约为普朗克长度，即10-33厘米。可是观测标明，咱们的国际在1028厘米（国际可观测部分的半径）的标准上差不多是平直的。咱们的观测成果同理论预期值相差60多个数量级。
关于国际的巨细，理论和观测值之间也存在相似的差异。国际学研讨标明，咱们可观测的这部分国际至少含有1088个底子粒子。可是为什么国际这样大呢？假定国际的初始直径为普朗克长度，初始密度为普朗克密度，那么依据规范大爆炸理论，咱们能够核算出，这样一个典型的国际充其量只能包容10个底子粒子。显着这个理论的什么当地出了过失。
第四个问题触及胀大的同步性。依照规范的大爆炸理论，国际的一切部分都是一起开端胀大的。但国际的一切不同部分怎么能做到同步胀大呢？谁下的指令？
第五个问题是关于国际中物质的散布。在十分大的标准上，物质散布均匀得令人惊奇。在超越100亿光年的标准上，物质散布违背完美均匀的程度小于万分之一。长期以来，谁也不知道为什么国际会如此均匀，但研讨者还要把这当成原理。规范国际学的一个柱石便是“国际学原理”，它断语国际一定是均匀的。可是，这一假定没有多大的协助，因为国际中很显着有违背均匀的状况，例如恒星、星系和其他的物质结团。因而，咱们有必要既能解说国际为什么在大标准上如此均匀，又能给出某种能够发作星系的机制。
终究一个问题便是仅有性问题。天然界物理常数的细小改动就能使国际以彻底不同的方法展示出来，例如，许多盛行的底子粒子理论以为时空开端的维数要比四维多得多。为了使理论核算与咱们地点的物理国际相契合，这些模型建议一切额定的维已被紧致化了，即缩小到一个很小的标准上，因而被躲藏起来。可是人们或许会问，为什么紧致化刚好让时空中止在四维，而不是二维或五维。
这些问题（以及我没有说到的其他问题）都是极为隐晦的。而在自仿制暴胀国际理论结构内，其间许多难题都能找到答案，这很振奋人心。
由核算机模仿得出的自仿制国际是由指数式增大的区域所组成的。每一个区域有着不同的物理规律(用色彩标明)。尖峰代表新的“大爆炸”；它们的高度标明国际的能量密度。峰的顶部色彩敏捷改动，标明那里的物理规律没有固定下来。这些物理规律只需在低谷内才固定下来。这些谷中的一个适当于咱们现在的国际。
标量场与暴胀
暴胀模型的底子特征来源于底子粒子物理学。因而，我会带读者到这一范畴——特别是弱相互效果和电磁相互效果的一致理论——去作一次时刻短的游览。这两种力都是经过粒子发挥效果的。光子传递电磁力；W粒子和Z粒子则传递弱力。光子是无质量的，而W粒子和Z粒子则是十分重的。光子与W和Z粒子之间有着显着的不同，物理学家为了消弭差异，一致弱相互效果和电磁相互效果，引进了所谓的标量场。
虽然标量场并不是日常日子中能接触到的东西，但仍是有一个咱们了解的相似物，便是电势，例如电路中的电压。只需在电势散布不均匀（例如在电池的南北极之间）或许电势随时刻改动的状况下，才会呈现电场。假如整个国际有着相同的电势，则任何人都不会注意到它；这个电势好像只是另一种真空态。相同，一个稳定的标量场看来是一种真空：咱们看不到它，即便咱们被它所环绕。
这些标量场充溢国际，并经过影响底子粒子的性质显现其存在。假如标量场同W粒子和Z粒子发作相互效果，这些粒子就会变重。那些同标量场不发作相互作的粒子，如光子，则依然是轻的。
因而，为了描绘底子粒子，物理学家从这样一种理论开端着手，在该理论中，一切粒子开端都是轻的，而且弱相互效果和电磁相互效果之间不存在任何实质不同。它们的差异仅在更晚的时分，即国际逐步胀大并被各种标量场所充溢的时分才呈现。这个把各种底子效果力分隔的进程被称为对称破缺。呈现于国际中的标量场，其强度是一个特定的值，巨细是由其势能曲线最小值的方位决议的。
就像在粒子物理学中相同，标量场在国际学中也起着要害的效果。这些标量场供给了导致国际快速暴胀的机制。固然，依据广义相对论，国际的暴胀速率大约正比于其密度的平方根。假如国际中充溢着一般物质，跟着胀大其密度会敏捷减小。因而，国际胀大也会因密度减小而敏捷减慢。可是，因为爱因斯坦提出的质能等效性，标量场的势能也对胀大有影响。在某些状况下，势能的减小比一般物质密度的减小要慢得多。
势能的稳定性可导致国际发作一个极快速胀大的阶段，即暴胀阶段。即便只考虑最简略的标量场理论，也有或许呈现暴胀。这种标量场的势能在场强为零之处抵达最小值。这样，标量场越大，势能也就越大。依据爱因斯坦的引力理论，此标量场的能量必定会使国际极快速地胀大。当标量场抵达其势能的最小值时，胀大就减慢下来。
暴胀国际中的标量场能够比作在碗里边沿着内壁滚下来的一个小球。碗沿对应于国际的普朗克密度，当标量场势能高于它时，量子涨落很强，时空呈“泡沫”状。在碗沿之下（绿色区域），量子涨落较弱，但仍能保证国际自我仿制。假如球留在碗里，就会进入能量较低的区域（橙色），在这个区域它下滑得十分缓慢。当球挨近势能最小值（紫色区域），暴胀就会中止，它会继续左右振动，加热国际。
标量场能量下降很缓慢，这对国际的胀大速率来说含义严重。下降如此之慢，以至于在国际胀大进程中，标量场的势能简直是稳定的，这一特色与一般物质构成鲜明对比。因为标量场的巨大能量，国际会继续以极高的速度胀大，比未引进暴胀的传统国际理论预言的速度大得多。在这样的一个区域里，国际的巨细呈指数增加。
这一自我保持的、指数式快速暴胀的阶段继续时刻并不长，或许只需10-35秒。一旦标量场的能量衰减，黏度就挨近于消失，暴胀也就随之完毕。好像球抵达碗底时相同，标量场挨近其势能的最小值时也会开端振动。当标量场振动时，它会失掉能量并将能量以底子粒子的方法释放出来。这些粒子相互相互效果，终究在某一平衡温度稳定下来。从这时开端，就能够用规范的大爆炸理论来描绘国际的演化了。
混沌暴胀
虽然在概念上看来很简略，但暴胀理论实际上并不简略。科学家很早就开端测验得出国际有一个指数式胀大的阶段。
暴胀理论的第一个实际模型是于1979年由莫斯科朗道理论物理研讨所的阿列克谢·斯塔罗宾斯基（Alexei Starobinsky）提出的。斯塔罗宾斯基模型在俄罗斯天体物理学家中引起了颤动，在接下来的两年时刻中它都是苏联一切国际学会议上评论的主题。但他的模型适当杂乱（它依据一个有关量子引力中反常现象的理论），而且对暴胀实际上怎样开端语焉不详。
1981年，麻省理工学院的艾伦·古斯（Alan Guth）提出，处于某一中心阶段的火热国际或许指数式胀大。古斯的理论以为，国际是在处于不稳定的过冷状况时发作暴胀的。使用过冷现象来处理大爆炸理论的许多难题，这个主意很有吸引力。不幸的是，正如古斯本人所指出的那样，他的模型中暴胀后的国际变得十分不均匀。在研讨这个模型一年之后，古斯抛弃了该模型。
1982年，本文作者提出了所谓的新暴胀国际图景，宾夕法尼亚大学的安德烈亚斯·阿尔布雷克特（Andreas Albrecht）和保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）也于晚些时分发现了这种模型。这种模型摆脱了古斯模型所遇到的首要难题。但它仍适当杂乱，而且不太实际。
一年之后，我才知道到，在许多底子粒子理论中暴胀是一个天然呈现的特征，这些理论中包含上面评论过的最简略的标量场模型。底子不需要量子引力效应、相变、过冷、乃至国际开端温度极高的规范假定。物理学家只需考虑前期国际中标量场的一切或许品种和数值，然后检查是否有一种标量场能导致暴胀。未发作暴胀的当地依然是很小的，而发作了暴胀的那些区域则指数式增大并简直占有了整个国际。因为前期国际中各标量场都可取恣意值，因而我将这一模型称为“混沌暴胀”（Chaotic inflation）。
国际的快速胀大能一起处理许多困难的国际学问题，这看来好像过分抱负，让人难以相信。确实，假如一切的非均匀现象都因扩张而消除掉了，那么星系又是怎样构成的呢？答案是，暴胀在消除从前存在的非均匀性的一起，又制作出了一些新的非均匀性。
这些新的非均均性是因为量子效应而呈现的。依据量子力学，真空并不是彻底空的。真空充溢着细小的量子涨落。这些涨落能够看成是波，即物理场的动摇。这些波具有一切或许的波长，并在一切方向上运动。咱们勘探不到这些波，因为它们只是时刻短地存在，而且很弱小。
混沌暴胀图景中的国际演化进程与规范大爆炸理论不同。暴胀把国际扩大了1010^12倍，即便是直径只需10-33厘米（普朗克长度）的一块区域，也会变得比整个可观测国际都要大。暴胀理论也预言空间会是十分平直的，在这样的空间中，平行线永远都是“平行”的。（在闭合国际中，平行线会相交，在敞开国际中则会相互别离。）与暴胀理论不同，原始的热大爆炸理论只会让巨细适当于普朗克标准的国际增大到0.001厘米，而且它预言的空间几许性质也是天壤之别的。
在暴胀国际中，真空结构变得更为杂乱。暴胀会敏捷地拉伸这些波。而一旦其波长变得足够大，波的崎岖就开端遭到国际空间曲率的影响。这时，因为标量场的黏度，这些波会中止运动。
最早冻住的是那些波长较长的波。跟着国际的继续胀大，新的量子涨落又会被拉伸，然后也被冻住，叠加在其他已冻住的波上面。在这一阶段，咱们现已不能再把这些波称为量子涨落。它们中大大都的波长都现已十分大了。因为这些波既不运动也不消失，所以它们在某些区域增大了标量场的值，而在另一些区域又使标量场的值减小，因而导致了不均匀性。标量场的这些扰动又引起了国际的密度扰动，这些扰动关于今后星系的构成是至为要害的。
国际在永久暴胀？
下面到了本文最风趣的部分：永久存在、自我仿制的暴胀国际理论。在混沌暴胀模型的结构下，这一理论得出了最具戏剧性的成果。
正如我现已谈到的那样，人们能够把暴胀国际内标量场的量子涨落看成是波。这些波开端在一切或许的方向上运动，然后相互叠加地冻住起来。每一个冻住的波都略微增大了国际某些区域的标量场，一起又减小了别的一些区域的标量场。
现在，考虑国际中那些新冻住的波使得标量场继续增大的当地。这些区域是极稀有的，但它们确实存在，而且或许极为重要。国际中这些标量场陡增到足够大的稀有区域，会以越来越高的速度呈指数式胀大。标量场突增得越高，国际胀大的就越快。很快这些稀有区域的体积就会远远超越其他区域。
依据这一理论能够得出，假如国际至少含有一个足够大的暴胀区，它就会不停地发作新的暴胀区。每个特定方位的暴胀都会敏捷完毕，但其他许多当地仍将继续暴胀。这些区城的总体积将无止境地增大。实质上，一个暴胀国际会成长出其他的暴胀泡，而这些泡接下来又会发作新的暴胀泡。
我称这个进程为为永久暴胀，它作为一种连锁反应会继续进行下去，发作出一个相似分形的国际方式。在这个图景中，总的来说国际是永生的。国际的每一特定部分都或许来自曩昔的某一个奇点，有或许在将来的某一奇点完毕。可是，整个国际的演化没有结尾。
国际开端的来源则比较难以确定。有或许，国际的一切部分都是一起诞生于一个初始的大爆炸奇点。可是，这一假定现已不再是那么必要了。此外，在咱们的“国际树”上，暴胀泡的总数跟着时刻的推移是指数增加的。因而，大大都暴胀泡（包含咱们自己的这部分国际在内）都会长得远离国际树的骨干。咱们能够把每一个暴胀泡的构成时刻看成是一个新的“大爆炸”。从这个视点来看，暴胀已不再如咱们曩昔以为的那样是大爆炸理论的一部分。相反，大爆炸是暴胀模型的一部分。
状况是否会变得更为乖僻呢？答案是必定的。到此为止，咱们考虑的是只需一个标量场的最简略暴胀模型，它仅有一个势能的最小值。一起，一些底子粒子理论提出了多种标量场供挑选。例如，在弱、强和电磁相互效果的一致理论中，至少还有别的两种标量场。这些标量场的势能能够有若干不同的最小值。这意味着，同一个理论或许有不同的“真空态”，不同的真空态对应着不同类型的底子相互效果对称破缺，其成果便是不同的低能物理规律。（在极高能量下粒子的相互效果与对称破缺无关。）
标量场的这些杂乱状况意味着，国际在暴胀之后可割裂成各具不同低能物理规律的指数胀大区域。要注意的是，即便整个国际开端具有一个特定的势能最小值，也便是开端于同一状况，这种割裂也会发作。实际上，大的量子涨落会导致标量场从它们的最小值跃迁出来。也便是说，它们能把某些球从碗中摇晃出来，让它们落入另一个碗里。每一个碗都有着别的一套粒子相互效果规律。在某些暴胀模型中，量子涨落如此之激烈，乃至空间和时刻的维数也会发作改动。
自我仿制国际看起来是不断延伸分叉的暴胀泡。色彩改动标明分支国际中的物理规律与母国际不同。每个泡中的空间性质取决于它构成的时刻。在这个含义上，国际全体上是稳恒的，虽然其间的每个泡都在依照大爆炸理论演化。
假如这类模型是正确的，只是依托物理学是无法对咱们地点国际的性质做出完好解说的。同一个物理理论能够得出若干个具有不同特性的国际区域。依据这类模型，咱们之所以坐落这样一个具有咱们熟知的物理规律的四维区域内，并不是因为其他具有不同维数和不同特性的区域不或许存在或存在概率太低，只是是因为咱们这样的生命形状在其他区域内不或许存在。
这是否意味着，要了解国际中咱们这部分区域的一切特性，除了物理学常识外还需要深入研讨咱们本身的性质，或许乃至还包含咱们知道的性质呢？这必定是暴胀国际学的最新进展所得出的一个最出人意料的定论。
暴胀理论演化出了一个全新的国际模型，它显着不同于老的大爆炸理论，乃至也不同于暴胀模型开端的那些版别。在这一新模型中，国际看来既是混沌的又是均一的，既是胀大的又是停止的。咱们的国际家乡在增大、动摇，而且以一切或许的方法永久地仿制其本身，好像是在调整自己，来供养一切或许的生命类型。
咱们期望，这一新理论的某些部分在未来能饱尝住检测。理论的其他部分应该会进行大幅度的修正，以契合新的观测数据和一直在改动的底子粒子理论。不管怎样，曩昔这些年国际学的开展，已不可逆转地改动了咱们对国际结构和命运的知道，以及对咱们自己地点当地的知道。
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