在过去五年里，宇宙学家们对宇宙最初阶段的演化理论做了很大修正，这个修正是以所谓“膨胀宇宙原始模型”（inflationary univerce scenario）为基础的。这一新模型的创建人之一在本文中详细论述了“混沌的膨胀”（chaotic inflation）这一最有前途的见解。

如同生命起源之谜一样，宇宙的起源与消亡之谜也是科学中最激动人心的课题之一。按照热大爆炸理论（这一理论今天已为天文学家们广泛接受），宇宙产生于约150亿年前t=0的某个时刻。当时宇宙处于无限高温和能量通量无限大的状态，在这个火球逐渐膨胀并冷却的过程中，其能量转换成粒子，这些粒子即形成了构成所有恒星和行星的物质。

宇宙学家们已能勾画出宇宙从火球状态直至今天的演化过程的大致轮廓，这样得出的宇宙标准模型至今只有二十余年的历史：六十年代中期宇宙背景微波辐射现象的发现终于向天文学家和物理学家们证实了确实发生过一个大爆炸。1965年新泽西州贝尔实验室的阿洛 · 彭斯（Arno Penzias）和罗迫特 · 威尔逊发现了这个温度仅3 K的，似乎弥漫于整个宇宙的微弱无线电噪音，这些无线电噪音很快就被人们确认为是宇宙诞生前的那个火球的残迹。虽然宇宙标准模型的轮廓似能令人满意，但却留下一些在七十年代仍困扰着许多宇宙学家的问题，其中最为重要的几个问题是：

奇点问题。t=0时的无限大密度和零体积状态被称为一个奇点（singularity）。有人会问，在这个奇点之前存在的是什么呢？或换句话说，这个奇点由何而来？宇宙的本源是什么？六十年代和七十年代勾画出的宇宙标准模型对宇宙演化过程的描绘只是从宇宙产生几分之一秒后的极大能量通量状态开始，而没有试图解答这些问题。

平面问题。按照阿尔伯特 · 爱因斯坦七十年前提出的广义相对论，我们这个宇宙的几何结构也许不同于欧几里德的平面空间几何结构，我们的宇宙也许是开放的，在这种情形下，各平行线将相互散射。但也许如同一个球面那样是封闭的，各平行线会相互交叉，就像地球表面的子午线一样。所有观察资料证明我们的宇宙非常接近于一个平面，平面是可能的几何结构中一个特殊的情况，介于开放宇宙与封闭宇宙之间。为什么我们的宇宙是如此扁平呢？

均匀性和星系问题。天文观测也表明我们宇宙在很大程度上是均匀的——物质均匀地分布于整个宇宙，同时，宇宙也是各向同性的，它从任一方向看来都是相同的。可观测到的宇宙的大小约为1028厘米，认这一规模上说来，宇宙物质的密集度与一个完全均匀的分布相比，偏差总共不超过万分之一。

但在较小范围内看来，宇宙是不均匀的，它包含有由恒星组成的星系和星团，在宇宙初期的历史进程中，是什么微小的扰动使这个本来是十分均匀的宇宙产生了这些局部的不均匀呢？

时空维度问题。今天，数学家们对空间存在三个以上维度的可能性深感兴趣。保罗 · 戴维斯（Paul Davies）最近曾在《新科学家》讨论过这些问题（《现实的十一维度》，1984年2月9日第31页）。这些模型中最使人感兴趣的是，空间有十个维度（时间是第十一维），但除其中三维外都被“压缩”进细管内，但是，究竟为什么这种压缩恰好留下三个现行起作用的维度，而不是两个，五个或任一其他数目呢？

长期以来，所有这些问题（以及其他一些本文不打算论及的问题），与其说是物理学上的问题，毋宁说是形而上学的问题，是哲学家而不是科学家所要争论的问题。多数物理学家并未认真对待这些问题，他们承认科学也许永远也得不出这些问题的最后答案。在他们看来，如果宇宙标准模型能够解释宇宙150亿年来的演化史，至于它能否解释在此之前一毫秒内发生的事情就是无关紧要的了。但近年来，物理学家们对这类形而上学问题的态度发生了根本的变化，这一态度上的转变是由于研究基本粒子相互作用的物理学家提出了在极高能量通量条件下（如在大爆炸中的情况）粒子相互作用的理论。

七十年代初粒子物理学取得了革命性的进展，物理学家们提出了将原子核中弱作用力、强作用力以及电磁作用力结合于一个数学结构的统一理论（大统一论，GUTs，见New Scientist，1984年5月17日第14页）。最近，一些理论家提出如何将引力纳入这个方程式中，以建立一个包括自然界所有力的大统一理论，其中任一种相互作用都通过场来表示。

场的概念是由迈克尔 · 法拉第引入物理学，并由詹姆斯 · 马克斯韦尔加以发展，用以说明（或至少模拟）电磁作用力的行为。假设有两个球由一个拉长的弹簧连接，这两个球之间就存在着一个拉力。由于它们都与弹簧相接，两个球都会受到这个拉力。与此相似，法拉第认为一个带电物体也被一个看不见的电“场”所包围，当另一个带电物体靠近时，由于其周围电场起了变化，它会受到一个力。电场的变化相当于上述弹簧被拉长或压缩所起的变化，法拉第认为不能把这一现象理解为电磁力从一个带电粒子跃入另一个带电粒子。每一个带电粒子之所以受到力，是由于它们都与场相连，而场本身因带电粒子的在场而变形。此后，这一理论就被推广应用于自然界中所有其他的力。

除了上面提到的四种人们较为熟悉的场外，统一理论的一个重要特点就是它还包括了另一种场，这种被称为标量场（scalar fields）的“新”场具有某些有趣的、非同寻常的特性。电磁场是一个矢量场，它在空间中的任一点上都同时具有量度和方向，而标量场只有量度，你可以想象由标量场代表的诸如某一液体的温度或密度的性质，这里的标量场即是与液体量柱上的每一刻度相关的数字。这种被纳入物理学统一理论的均匀不变的标量场几乎无法被观察到。在运动着或静止不动的观察者看来它都完全一样，酷似真空状态。这一点与电场完全不同，例如，电场对于一个运动着的带电粒子和一个相对于场源静止不动的带电粒子的感应完全不同。然而，一个遍于整个宇宙的始终不变的标量场对所有基本粒子的性质都有着实际影响。它帮助决定基本粒子的质量，以及粒子之间相互作用的方式。这就是为什么标量场对统一理论的创立是如此顶用的原因。

分裂自然界的力

假如没有任何标量场，诸如弱核作用力与电磁作用力就将无法区别，而遍布于整个宇宙的一个恰当的标量场能够分开这两种力之间的均称性，使它们各行其道，在现代统一理论中，存在着多种标量场，每一种标量场负责分开一个这类固有的均称性。在高能状态下（如在宇宙诞生时），标量场不起作用，所有的力都被统于一体，但在能量通量降低后（如在宇宙的扩张阶段），每一种场都相继开始发挥作用。

各个场都有一个最低势能状态，当宇宙的温度（或能量通量）下降到足够低时，各个场都会“滚”入这种最低势能状态。一个常用的类比是将一个石球从一个大碗边滚下，如同标量场将稳定于最小势能状态一样，这石球将最终稳定于碗底，处于最小引力势能状态。但最小势能状态的值取决于宇宙的温度。我的同事戴维 · 柯尔尼特（David Kirzhnits）在1972年指出，当宇宙的温度极高时，标量场的最小势能状态的值等于零，这就是为什么那时自然界中各种力之间没有区别的原因，只是在宇宙逐渐冷却的过程中，势能值大于零的标量场才得以出现，并打破了各种力之间的均称性。从均称状态到非均称状态的转变是一个相变，与此非常类似的是液体在结晶时发生的变化。

液体是非常均匀并且各向同性的，它具有的热能使其分子不能附着在一起。对物理学来说，它非常均称——任你从哪一方向看，它都是完全相同的。供当液体冷却并开始结晶时，液体的各个部分由于各自的晶体点阵而取不同晶向，当生长中的各个晶体点阵相遇时，尽管它们以最好方式连结，但在它们之间不可避免地会产生称为缺陷的分界，在每个分界内，都有一个该部分晶体点阵的最佳取向，但在由缺陷分开的周围其他分界内，却可能具有完全不同的晶向，总的均称性就这样被破坏了。也许值得提出的是，物理学家关于均称性的概念不同于日常生活中的概念，在日常语言中，晶体被认为显示了均称性，因为它有一个规则的形状。但在物理学家看来它只是有限的均称，因为在一个晶体中存在着不同的晶向。一个从各个方面看来都是相同的液体是物理学概念中最完美的均称，因为你可从任何方位获取液体任一部位的一个镜像，从而获得一个原物的复制图像。

在宇宙早期逐渐冷却的相变时期，发生了某种类似于液体结晶时的情况。在关于基本粒子相互作用的多种理论中，一个标量场的势能具有许多近乎相等的、但与不同场值相应的最低值。如果这些理论正确的话，在宇宙冷却下来后标量场应最终稳定于这些最低值之一。就像在逐渐冷却的液体中生长的晶体一样，宇宙的各个不同部分极有可能稳定于不同的最低值，从而产生具有各不相同的物理规律的各个区域（domains），这些区域由拥有极大表面能极的屏障隔开。如果一个这样的屏障处于宇宙的可观察部分，它将明显地表现出是一个极端各向异性的区域，但这些区域都是不可见的。

大统一论提出了更多的问题，按照这些理论，宇宙中还有另一种缺陷，就像一个拥有极大质量并带磁单极的数学点。一些研究人员在七十年代末表明这些理论对宇宙学将产生灾难性的后果。与现有观察结果相反，这些理论预言存在大量磁单极，这些磁单极事实上将加速宇宙的演化过程，从而破坏实际观测结果与宇宙标准模型的一致性。因此，在七十年代末，有明显迹象表明新的基本粒子理论与热大爆炸的标准模型已变得互不相容了。以膨胀宇宙原始模型这一理论修正了的宇宙学使这些问题大部得到解决。

膨胀假说的基本论点是认为我们生活在宇宙的某一单个区域（a single clomain），相当于某一晶体区域。这一区域已扩张到如此之大，以至其边界远远超出了我们望远镜所能观察到的范围。存在于宇宙初始体积（后来膨胀到了1028厘米的规模）内的少数单极不可能在我们这个时空区域的进化过程中起什么明显的尔用。因此，膨胀假说观点也排除了单极的问题。然而，宇宙究竟是怎样和为什么以这种方式膨胀起来的呢？

麻省理工学院的艾伦 · 高斯（Alan Guth）在1980年7月提出了膨胀宇宙理论的第一种说法。他的原始模型是以高温相变的观点为基础的，他认为这种高温相变（high-temprature phase transitions）为宇宙早期的快速扩张提供了能量，如同水在结冰时释放出潜热一样，他认为这些相变也许释放了使得宇宙在短期内按指数律膨胀的能量。但如高斯本人当时指出的，宇宙膨胀的这一早期阶段预示了宇宙在经过相变后进入了一个极不均匀的状态。

1981年10月我提出了膨胀理论的经过改进的说法，出于某些明显原因，这一说法被称为新膨胀原始模型，这一说法解决了原先高斯提出的说法中的某些困难。1982年2月宾夕法尼亚大学的安德鲁斯 · 阿尔伯里特（Andreos Albrecht）和保罗 · 斯坦哈特（Paul Steinhardt）独立地提出了相同的观点。新的膨胀原始模型曾在宇宙学家和物理学家中引起轰动，并被大家广泛讨论；高斯和斯坦哈特已在《科学美国人》（Scientific American）第250卷第5号90页上对它进行了评论。新的膨胀理论解决了场论的预言结果与宇宙实际观测结果之间的差异，并提示我们现在的确是处在通往认识宇宙起源的正确道路上。但这一论题的改变亦被证明不可能与现今发展起来的最实际的基本粒子理论取得完全一致。然而，在1983年我提出的膨胀理论论题上的另一改变却能解决剩下的大多数问题，这一论题被称为混沌膨胀，这一改变放弃了高温相变为宇宙早期的膨胀提供了动力的观点，我认为，这一原始模型比膨胀宇宙论的其他说法要简单和自然得多，所以，我将在本文的其余部分集中论述混沌膨胀这一观点。（其细节部分我在《物理学进展报道》第4卷47页中另有论述。）

混沌中出秩序

按照粒子物理学的统一理论，一致不变的、均匀的标量场的许多类型遍布于整个宇宙。每一标量场的性质是由它的势能的最小值决定的。在宇宙逐渐冷却下来后，标量场的势能下降到其最小值。但在宇宙演化的初期阶段，在没有一个标量场有足够时间下降到其最小值时，各个场都是不均一的，因而在宇宙的不同部分有着不同的值。在宇宙诞生时的瞬间，标量场还没有足够的时间变成均一的，这种情况我称为场的混乱分布。这种状况能产生重要的、意想不到的后果。

如果某一区域的场开始几乎是均一的，并远离其稳定状态（即它具有极大潜能），那么它将非常缓慢地下降到其最低值；换句话说，场的势能本身的变化将非常缓慢，但是，随着宇宙的扩张，宇宙中全部粒子的能量通量迅速下降，这样，不断冷却的宇宙总的能量通量迅速变得与缓慢变化的标量场势能相等。

按照广义相对论，宇宙扩张的速率取决于宇宙总物质的能量通量，如果能量通量是恒定不变的（或仅仅是缓慢的变化）。那么这个等式告诉我们宇宙一直在以不断增长的速度按指数律地扩张。只要宇宙某一部分普通物质的能量通量下降到低于该部分标量场的能量通量，并一直保持到标量场缓慢地下降到其最低值，这一效应便起作用。

标量场在初始下降时距离其最低值越远，这一段膨胀的时间将越长，因为这样标量场下降到其最低值所花费的时间将更长。最简明的标量场理论认为，在按指数律扩张阶段，宇宙的体积增大了101.000.000倍，而其最大的区域（domain）必然是由开始时布满远离稳定值状态的标量场的部位（region）扩张而来的。当标量场下降到其最低值时，它会在最低值附近来回摆动（正像石球滚到碗底时一样）。摆动着的场的能量将换化为基本粒子。当摆动最后稳定下来时，宇宙（或某一区域）已充满了热粒子。这一区域后来的演化过程完全可由热大爆炸理论的标准模型恰当地予以表述。这里，所不同的仅仅是在热大爆炸本身发生之前存在着一个按指数律扩张的阶段，这一阶段使宇宙从一小点膨胀了101.000.000倍。然而这一小小的不同却能导致非常重大的后果。

例如，假设按指数律扩张时的区域初始曲率尽管很大，但在扩大了101.000.000倍之后，这样一个区域的空间几何结构将几乎无异于欧几里德平面空间几何。正像一个气球在膨胀了如此同样大小之后其表面将几乎无异于一个平面一样。与此同时，所有不均匀性都将被扩张所消除，以至这一区域变得非常同一和各向同性。试想如果地球半径增大到目前大小的101.000.000倍，即使喜马拉雅山也会变得多么平坦而光滑。

即使的确存在同一性问题，现在也已得到解决。令人困惑不解的是，星系究竟是如何形成的。看来似乎是这样的，在膨胀期间，场的量子波动正好产生了我们今天称为星系的相对很小的非同一性。

像所有膨胀原始模型一样，混沌膨胀说也排除了磁单极问题。膨胀开始后没有产生新的磁单极，因此，所有原来存在的单极被互相分离，其被分离的程度与宇宙体积按指数律增长的幅度成正比。每一区域之内就像是一个小宇宙，其体积之大远远超出了我们所能观测到的范围（1028厘米），从任何实用观点看来，我们这样一个区域就是一个宇宙。然而，按照这一原始模型，存在许多这样的小宇宙，这些小宇宙都由区域墙隔开（domain walls）。在这些相互隔开的区域内，标量场具有不同的值，因而在这些区域内作用着的物理规律也是各不相同的。在我们所居住的这个区域内，各种相互作用恰好被分裂成强作用力、弱作用力和电磁作用力，这一点无疑对生命的发生产生了影响，如同它对宇宙演化过程产生了影响一样，而我们这种类型的生命在其他具有不同物理规律的区域也许是不可能的。

宇宙被分为许多小宇宙也使得有可能对我们的空间为什么是三维的这一问题得出一个答案。以相当大的距离隔开的不同区域内发生的收缩过程（某些原始维度的被压缩或卷起的过程）是非常不同的。而生命只能存在于是三维空间的区域内，物理学家保罗 · 埃伦费斯特（Paul Ehrenfest）早在1917年就指出：空间的三维性与物质的表现方式紧密相关。

引力和电磁作用力都遵守我们这个宇宙的平方反比律，通过归纳描述这些相互作用的方程式并在其他维度中求解，数学家们表明在一个具有n维度的空间，其答案总是一个n-1幂函数律的。在四维空间，两个律都将是立方反比的，结果证明在四维空间无论是太阳系里的行星还是原子里的电子都不会有稳定的轨道。四个以上维度的空间的情况同样如此。而在二维空间，情况也并不会好些，因为n-1等于1，这样引力和电磁力都完全不会受到距离远近的影响。所以，原子和行星系都只能存于是三维空间的区域，就像宇宙中我们这个区域一样。

这样，混沌膨胀原始模型为标准大爆炸模型的大多数问题提供了一个简单的解决办法。我到此仍未提出所有这些问题中第一和最重要的问题，即奇点问题，对这一问题的最后解答要待一个完整的引力量子理论得以完善后才有可能。但是，对于怎样发展这样一个理论才能大致勾画出宇宙产生瞬间的大概情况，我们已有了足够成熟的概念（见斯蒂芬 · 番金（Stephen Hawking）《时间的边缘》一文，《新科学家》1984年8月16日第10页）。

与引力量子化（the quantisation of gravity）相关联的效应在小于普朗克长度的范围而密度大于1094克/立方厘米时变得非常重要，标准大爆炸模型告诉我们，当宇宙的体积为10-4厘米（约为普朗克长度的1028倍）时宇宙已达到了这一密度。（这是平面问题的另一说法：为什么我们的宇宙在达到这一临界密度时是如此之大，而此时典型的长度范围应在普朗克长度上下，远远小于当时宇宙的体积？）

按照各种膨胀原始模型，宇宙的整个可观察部分（直径约1028厘米）来自相当于普朗克长度10-33厘米大小的一个点。因此，按照测不准原理，宇宙的产生可能应归因于量子波动现象。爱德华 · 蒂龙（Edward Tryon）—年前在《新科学家》讨论过这一观点（19 84年3月8日第14页）。关于这一可能性的最重要的一点是，如果宇宙产生于一个量子波动，那么它就不可能无限大；在宇宙产生瞬间，宇宙只能包含有限的能量，它只能是封闭的（与球体表面是封闭的表面意义相同），而且其直径只能小于10-33厘米。经过亿万年的扩张之后，我们这一区域（以及所有其他区域）必然在引力的作用下最终坍缩到一个奇点，从而完全消失到宇宙产生前的那种虚无状态。

宇宙膨胀原始模型至今只有五年历史，但随着新观点的不断涌现，它仍在迅速改进和发展。我们不敢断言今后五年内原始模型的哪一部分能经受得住考验。然而它业已证明能够通过一个简明的模型解决约十个宇宙学当中的主要问题。仅在十年前听起来还像是科学幻想小说的观点，如可观察到的宇宙总物质（1056吨），是因在最初只包含10-8克物质、直径小于10-33厘米的区域内起作用的引力而产生的这一观点，现在看来是任何完整的宇宙理论所需的必要组成部分。

然而，这一演变的全过程究竟用了多长时间呢？我已把最令人吃惊的事实留至本文最后，即：对我们认识宇宙至关重要的宇宙按指数律膨胀阶段大约持续了不到10-30秒。

[New Scientist，1985年3月7日]