逐步积累起来的证据已经证明，宇宙物质比传统暴涨理论预示的要少，膨胀则比预示的要快。很快就有一种更精密的理论用来解释这个观察结果。

　　宇宙学素有“艰难的科学”的名声。但是从好多方面看，解释整体宇宙要比理解单细胞原生动物容易。在最大的宇宙规模上，恒星、星系，甚至星系团都只是一些斑点，物质均匀地散布着；宇宙只由一种力所支配，这就是引力。这两种基本的观察结果，即大范围的均匀性和引力的支配地位，是大爆炸理论的基础。按照这个理论，我们的宇宙已经膨胀了约120亿年。且不去说它最简单的基本结构，这个理论在解释星系相互分离的速度?轻元素的相对数量?天空中暗淡的微波光辉以及天文结构的演变等方面，显然是成功的。看起来宇宙的表现几乎完全与它的具体的包容物密切相关。生物学家则并无此种幸运，同样的原理，并不适用于哪怕是最简单的生物体。

　　然而大爆炸理论有着固有的自相矛盾之处(佯谬)。20年前，宇宙学家综合粒子物理学的观念创建“暴涨”(inflation)理论来解决这些头痛的矛盾。但是这种精心的阐述现在正面临着危机。这是由最近的观察结果反驳了它关于宇宙物质的平均密度的预言引起的。宇宙学家认识到，宇宙也许不像他们原来想象的那样简单。要么他们必须确认有一种异域的物质或能量形态存在，要么必须在暴涨论上增加一层复杂性。本文将集中注意于第二种选择。

　　严格的说，大爆炸理论不是描述宇宙的诞生，而是描述它的生长和成熟。按照这个理论，婴儿宇宙是一口极热的辐射密集的锅；它的一部分，比萝卜还小的一小块，最后长大成我们今天看得见的宇宙(宇宙的其余部分，也许是无限广延的，但我们看不见它，因为没有时间让它们的光到达地球)。膨胀宇宙的观念会产生混乱，连爱因斯坦一开始也对它抱怀疑态度。当宇宙膨胀时，任何两个独立物体间的距离要增大。遥远星系自动地分离开来，好像正在发涨的面包上的葡萄干互相分离开来一样。

　　均匀宇宙膨胀的自然结果是哈勃定律。根据它，星系从地球(或从宇宙间任何一点)远离而去，其速率与它们的距离成正比。并不是宇宙间的任何物体都，服从这个定律，因为相互的引力吸引与肿胀着的宇宙作战，比如太阳和月球就不分离而去。但是这个定律在大尺度上是成立的。大爆炸的最简单的说法是，膨胀以相同的速率继续下去。

开始的佯谬

　　年轻的宇宙在膨胀中冷却了，渐渐稀薄了，也变得越来越复杂。一部分辐射冷凝成大家熟悉的基本粒子和简单的原子核。大概不超过30万年，温度降到3,000℃，冷得足以使电子和质子结合成氢原子。在这一瞬间，宇宙变得透明起来，放射出著名的微波背景辐射。这种辐射非常平滑，反映早期宇宙中不同区域的物质密度只有不超过10万分之一的变化。虽然变差如此之小，然而轻微的聚集最后却生长成星系和星系团。

　　不管标准大爆炸理论多么成功，它却不能回答几个深层次的问题：第一，宇宙为什么这么均匀？广阔天空中的两边的相对区域好像是相同的，然而它们分隔的距离大于240亿光年。光大约只传播了120亿年，所以这两个区域彼此是看不见的。物质?或者热?或者光决没有足够的时间在它们之间流动，也决没有时间使密度和温度均匀化。看来宇宙的均匀化一定早于膨胀。但是这个理论并未说明“其然”。

　　第二，反过来说，为什么早期宇宙总是有一些密度变化？幸好它有这样的变化，要是没有这些微小的变化，那么今天的宇宙就仍然密度均匀(每立方米几个原子)，银河系也好，地球也好，都不会存在。

　　最后，为什么宇宙膨胀率正好足以抵抗宇宙间物质的共同引力？任何从理想平衡状态的有意义的偏离都会随时间的推移而被放大。如果膨胀率原来就太大，那末宇宙今天几乎没有物质；如果引力原来就太强，那末宇宙本应在一次大挤压中坍缩，你就不会在这里读这篇文章了。

　　宇宙学家用引力能对动能之比——变量Ω来表述这个问题(动能是指空间膨胀时物质运动所包含的能量)。这个变量与宇宙间的物质密度成正比，较高的密度意味着较强的引力，随之有较大的Ω。如果Ω等于1，它的值永远不改变；反之，当动能或者引力能成为支配者时，它在自增强中就会突然减小或者增大。数十亿年之后，Ω实际上或为零，或为无穷大。因为现行的宇宙密度既不是零也不是无穷大，所以初始的Ω值理应恰好是1或非常接近于1(偏离不超过10¹⁸分之一)。这是为什么？大爆炸理论没有解释。

　　这些缺点并没有使这个理论失效，它简洁地解释了宇宙几十亿年的历史。但是这些缺点表明，这个理论是不完备的。为了弥补缺陷，80年代，A · H格胥(Guth)、K ·塞多(Sato)、A · D ·林德(Linde)、A ·阿尔布雷克特(Albrecht)和P · J ·斯汀哈特(Steinhardt)提出了暴涨论。

　　解决这些佯谬所付出的代价是使大爆炸理论更加复杂。暴涨论假设幼年宇宙经历一个非常急速的膨胀时期(因而得名)。不像传统大爆炸的膨胀那样随时间减速，暴涨的膨胀是加速的。它把任何两个独立物体越来越快地推离开去，最后跑得比光还快。这种运动不违反相对论(相对论不允许有限质量物体通过空间的运动比光还快)；事实上，这些物体相对于它们周围的空间是停滞不动的。

　　宇宙初期的这种急速膨胀解释了我们今天看到的宇宙的均匀性。可见宇宙的所有部分曾经是紧挨在一起的，所以有共同的密度和温度。暴涨时，这个均匀宇宙的不同部分脱离接触；稍后，即紧接暴涨结束之后，光才有追上运动较慢者的时间；较慢者就是大爆炸膨胀。如果在比较宽阔的宇宙中有什么非均匀性，它应当进入视线。

场作用

　　为了完成急速膨胀，暴涨论给宇宙学增加了一个新的要素，就是从粒子物理学引出“暴涨”场。

　　暴涨场传递一种“反引力”，它在空间伸展开来，与给定的暴涨场的值相联系的是势能。很像一只从山坡上滚落下来的球，暴涨场也向它的势的低部滚动(如图1)。但是宇宙膨胀引人一种可以描述为宇宙摩擦力的东西，阻止其下落。只要是摩擦力占支配地位，暴涨场就几乎粘着在原来位置上。摩擦力的值接近常量，所以反引力获得一相对于引力的强度；此强度使曾经是靠近的物体之间的距离以更快的速度拉大。最后，这个场减弱了，并把余留的能量转化为辐射。从此之后，就按照标准大爆炸所描述的那样继续其宇宙膨胀。

　　宇宙学家用宇宙的形状来设想这个过程。按照爱因斯坦广义相对论，引力是一种几何效应：物质和能量使时间和空间织物翘曲，使物体的行进路径发生扭曲。宇宙的总膨胀(它本身就是一种时间和空间的弯曲)由Ω的值控制。如果Ω的值大于1，宇宙曲率为正，像一只桔子的表面，不过它是三空间维(球的或“闭”几何)。如果Ω小于1，宇宙曲率为负，像一只土豆的凹形切口(双曲线的或“开”几何)。如果它等于1，宇宙是平直的，像一只薄烤饼(普通的欧氏几何)。

图Ⅰ

　　暴涨把可观察的宇宙弄平了。无论初始的宇宙是什么形状，急速膨胀使宇宙鼓起得非常巨大，并把它的大部分推出我们的视线之外。小小的可见部分看起来似乎是平直的，正如地球的部分表面看起来似乎是平直的一样。就这样，暴涨把Ω的可观察值推向1。与此同时，一切初始物质和辐射的不规则性也被抹平因此，在标准暴涨论中，宇宙的平直性和均匀性是联系着的。暴涨论指出，由于宇宙的单一性，它应当是非常非常之平直的，Ω等于1，变差不超过10万分之一；对天文学家来说，任何从准确平直性的偏离都是绝对不可能的。因此，在过去20年里，观察到平直性被看成是这一理论的严格预言。

　　但这是一个问题。现在范围广阔的各种天文观察结果(包括星系团和遥远超新星)说明，引力太弱，无法抵抗膨胀。果如其然，那末物质密度一定小于预示——Ω大约等于03。这就是说，宇宙可能是弯曲的?“开”的。解释这一结果有三种办法：第一是暴涨论完全错了。不过要是宇宙学家放弃暴涨论，那末为暴涨论所如此精巧地解决了的棘手的佯谬，又会重新出现，这就需要一种新的理论。但选择何种理论还不得而知。

　　第二种解释采取由遥远超新星观察所推断的加速膨胀这个核心内容。这样的膨胀暗示一种“宇宙常数”形态的附加能量。这种额外能量的作用有如一种古怪的物质使空间弯曲，这倒很像普通物质。它们的综合效应会使空间平直。在这样的情况下就不必为暴涨论担心了。但是宇宙常数的推断为尘埃和承受超新星爆发的恒星本质的不确定性所困扰。所以宇宙学家还不能遽下断语。

泡泡宇宙

　　第三种解释是采取观察结果的表面值，搞清平直宇宙是否确实是源暴涨论的不可避免的结果。这种方法还涉及到要将理论推广到更早的时期，这是另一种带着新的复杂性的推广。这一思路是80年代初期由哈佛大学的S · R ·库拉门(Coleman)?F · de ·鲁锡亚(Luccia)和普林斯顿大学的J · R ·高特(Gott)首先提出的。经过10年的冷遇，最近由下面这些人共同发展了这个观念，他们是：我俩(本文作者)中的M · A ·勃奇(Bucher)和N · G ·吐洛克(Turok)，均为剑桥大学宇宙学家；还有纽约州立大学的A · S ·高尔德哈贝(Goldhaber)?奥塞卡大学的T ·丹那卡(Tanaka)?京都大学的山本。林德和他的合作者们也提出一些具体模型以及这些观念的推广。

　　如果暴涨场有一个不同的势能函数，暴涨就会使空间以精确的?可以预测的方式弯曲一一使宇宙有微小的弯曲而不是完全的平直。尤其是假设势能函数有两个低谷：一个虚的(本地的)极低点和一个实的(球状的)极低点(如图I)。当暴涨场滚下来时，宇宙膨胀并趋于均匀。但是这时场粘连在虚极低点处。物理学家把这种状态称作“虚真空”，宇宙间的一切物质和辐射几乎全为暴涨场的能量所替代。量子力学中固有的涨落引起暴涨场颤抖，最终使它从虚极低点逃逸出来——好像摇动弹子球游戏机释放被阻挡的弹子一样。

　　逃逸被称作虚真空衰减，它在同一时间内不能处处发生；它首先在某一随机位置上发生，然后散布开来。这一过程与把水烧沸相似，水加热到沸点并不是瞬息间就处处变成蒸汽。第一，由于原子的随机运动而在整个液体中散射的泡泡集结起来，这有点像少许肥皂的起泡作用。由于有表面张力，小于特定最小极的泡泡坍缩了。但是在较大的泡泡中，蒸汽和过热的水之间的能量差克服了表面张力，这些泡泡就在水中以声速膨胀开来。

　　在虛真空衰减中，量子涨落扮演着随机原子运动的角色，引起真真空的泡泡集结。表面张力破坏了大部分泡泡，但是有一些泡泡则长大了，以致量子效应变得不那么重要。没有什么阻碍它们，它们的半径继续以光速增大。当泡泡的外壁通过空间一点时，这一点上的暴涨场受振动而脱离虚极低点，恢复它向下的降落。从此之后，泡泡内部空间的暴涨就很像标准暴涨论所描述的状况。这个泡泡的内部相当于我们的宇宙。暴涨场跳出它的虚极低点的那个时刻相当于较老的理论中的大爆炸。

　　到集结中心距离不同的点，发生大爆炸的时间不同。这种不同至少看起来是奇怪的。但是对暴涨场的仔细考察揭示出它是怎么一回事。暴涨起着比色计的作用：它在给定点的值代表大爆炸在该点发生的滞后时间，暴涨的时间不是处处相同的；泡泡壁的值最高，然后向着泡泡中心稳定降落。在数学上，暴涨的值在双曲形的表面处是常量(如图Ⅱ)。

图Ⅱ

　　暴涨的值不只是抽象观念，它决定着泡泡内宇宙的基本性质，即它的平均密度和宇宙背景辐射的温度(现在是2.7K)。沿着双曲形表面，密度?温度和滞后时间都是常数。这些表面就是泡泡内部观察者感受到的恒久的“时间”，它同在泡泡外面所经历的时间是两回事。

　　什么东西如此重要使得在内部和在外部的时间不相同成为可能？基于在爱因斯坦相对论之前对时间和空间的理解，这样的事看上去的确是不可能的。但是在相对论中，时间和空间的区别模糊了。任何被观察者称作“时间空间”的东西充其量是为了方便。粗略地说，时间表示事物变化的方向，泡泡内部的运动是由暴涨所驱动的。

限制在极小的范围内

　　依照相对论，宇宙有四维；空间三维，时间一维。时间的方向一经确定，余下的三个方向一定发生在空间中；它们是这样的方向，在此方向中时间是常量。所以泡泡宇宙从内部看几乎是双曲状。对我们来说，在空间中旅行事实上就是沿着双曲线运动。随后向后看就是向着泡泡的壁看。原则上，我们可以向泡泡外面看，那是在大爆炸之前，但是在实践上，密集的?不透明的早期宇宙阻挡着视线。

　　这种时间和空间的融合使一个完全双曲形的宇宙(它的体积无穷大)能与膨胀泡泡(它的体积始终是有限的，尽管它的增大没有极限)的内部相符合。泡泡内部的“空间”确实是空间和时间相混合，与想像中的泡泡外部一样。由于外部的时间是无限的，因此内部的空间也是无限的。

　　表面上古怪的泡泡宇宙概念使暴涨论不坚持Ω等于1。尽管泡泡构造产生双曲线，然而它们的精确尺寸且无可奉告。尺寸是由暴涨势的细节所决定的，它按照Ω的值随时间而变化。起初，泡泡内的Ω等于零。暴涨时，它的值增大了，逐渐趋近于1。这样，双曲线是与急剧弯曲和逐步鼓涨一起开始的。暴涨势决定着平直化的速率和延续时间。最后，泡泡中的暴涨终止，在这一点上Ω非常接近于1，但又非常轻微地小于1。接着Ω开始减少。如果泡泡内部的暴涨延续时间是正确的(偏离不出百分之几)，则现行的Ω值与观察值吻合。

　　这个过程初看起来也许觉得坎坷曲折，但是它的主要结论却是简单明了的：均匀性和几何形状并无联系。相反，它们可能起因于暴涨的不同阶段：均匀性，来源于泡泡集结前的暴涨；几何形状，来源于泡泡内部的暴涨。由于两种性质不是互相牵连的，所以不能用均匀性的程度去确定暴涨的延续时间。暴涨经历的时间恰好足以给双曲线以所要求的平直度。

　　事实上这种系统表述是大爆炸理论的直接推广。暴涨的标准观点所描述的正好是惯常大爆炸之前发生的事。新的概念(叫开暴涨论)增加了另一个先于标准暴涨的阶段。这种描述更早期的理论是解释宇宙创生所需要的。

　　生活在泡泡宇宙中真是妙趣横生(不是指科学幻想中的可能情节)。例如，外来的观察者可以从泡泡外部到内部安全地通过。但是一旦他进入内部，就不能离开了。因为要想离开就得比光跑得还要快。还有一种意义是，我们的宇宙是大量泡泡中唯一浸渍在永远膨胀着的虚真空的巨大泡沫海中的一个。要是两个泡泡相碰会怎样呢？它们的相遇会驱动一场宇宙容积的爆炸，要破坏碰撞点附近的泡泡内部的一切。幸好，因为泡泡的集结过程极其半生不熟，所以这样的灾变可能性不大。即使发生一次，众泡泡的主要部分不至于受到影响。对于虽在泡泡内但保持着安全距离的观察者来说，这样的事件犹如看望天空的酷热区。

确实证据

　　怎样来验证这一理论呢？解释宇宙为什么是均匀的确实是件好事，但要证实一种理论却须要将那些定量的预示去同观察结果相比较。特殊的开暴涨效应是1994年计算出来的；这是普林斯顿大学B · V ·拉特赖(Ratra)和J · E ·彼布拉斯(Peeblee)为主的两个组的贡献，他们还使理论精密化。

　　老的和新的暴涨概念作出了基于量子效应的明确预报。量子效应使空间不同点经历程度稍有不同的暴涨。暴涨结束时，有些能量在暴涨场中遗留下来，并成为普通的辐射；它是接着的大爆炸的燃料。由于暴涨的延续时间是处处变化的，因而遗留能量的数量随之辐射密度亦处处变化。

　　宇宙背景辐射提供了这些波动的快照。开暴涨不仅受宇宙内部产生涨落的影响，而且受泡泡外部产生而传递到内部的涨落的影响。还有的波纹是由泡泡集结过程的不完全而引起的。这些型式应当尺寸最大，也最显著。事实上它使我们可以看到我们的泡泡宇宙之外。而且，二位哥伦比亚大学的宇宙学家，还有东京大学的山杉直已认识到开宇宙应当有别种样子的纯粹的几何效应。

　　现在的观察结果的精确度水平还不能对两种暴涨论的预言加以判别。随着明年(2000年)美国航空航天局微波各向异性探测器(MAP)的部署，精确测定的时刻将会到来。更先进的欧洲伙伴——“普朗克号”预定在2007年发射。这些卫星将要执行的观察任务，与10年前的宇宙微波背景探测器(COBE)相似。但是现在的这些卫星的分辨能力要高出它们很多。它们应当能够挑选出哪种理论——是宇宙常数还是开宇宙一是正确的。也许结果两种理论都不合适，那时，研究者就不得不着手寻找新的观念，搞清甚早期宇宙究竟发生了什么。

　　[Scienific American，1999年第1期]