古斯在斯坦福第一次講解他的暴脹理論之前,專門惡補了一番溫伯格的《最初三分鐘》,以免在這個他并不熟悉的初始宇宙領(lǐng)域露怯。除了臨時抱佛腳的知識,他對宇宙研究的歷史著實不那么了解。
古斯不知道早在他出生的30年前,德西特就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個指數(shù)增長的“暴漲”宇宙。這是當(dāng)初緊跟著“愛因斯坦宇宙”之后的“德西特宇宙”,比弗里德曼、勒梅特等人的膨脹宇宙還要早很多。不過德西特自己也不知道那是一個暴脹的宇宙,他一直以為他的模型與愛因斯坦的同樣,都是隨時間不變的,只是他的模型有莫名的紅移現(xiàn)象。后來是勒梅特在沙普利指導(dǎo)下做博士論文,才證明了德西特的模型其實是一個加速膨脹的宇宙,從而解釋了紅移的來源。
當(dāng)哈勃通過觀測證實宇宙確實在膨脹之后,愛因斯坦和德西特都立即放棄了自己的模型,轉(zhuǎn)而支持弗里德曼、勒梅特的膨脹宇宙。此后他們的模型被束之高閣,再無人問津。直到1970年代末,蘇聯(lián)的一位年輕人斯塔羅賓斯基(Alexei Starobinsky)到英國劍橋大學(xué)訪問,他與霍金(Steven Hawking)合作研究宇宙的起源問題。
霍金1960年代作為研究生進入劍橋大學(xué),曾一門心想師從霍伊爾研究當(dāng)時正紅火的穩(wěn)定態(tài)宇宙。但劍橋給他分配了另一位教授,令他極為沮喪。1979年,霍金被聘請擔(dān)任劍橋大學(xué)的盧卡斯數(shù)學(xué)教授——也叫“牛頓的席位”。這時的霍金已經(jīng)嶄露頭角,成為廣義相對論的新星。他與彭羅斯(Roger Penrose)一起從數(shù)學(xué)上證明廣義相對論在宇宙起源時的那個數(shù)學(xué)奇點不可避免,從此終結(jié)了霍伊爾穩(wěn)定態(tài)宇宙以及狄克等人鐘情的來回振蕩宇宙等一些試圖避免那個奇點的努力。
但對于物理學(xué)家來說,那個奇點不可能真實存在,這只是表明了廣義相對論本身的局限?;艚鹫J為唯一的出路是引入量子力學(xué)概念。斯塔羅賓斯基在引入量子修正時發(fā)現(xiàn)一個宇宙可以指數(shù)式加速膨脹的方程,他把它稱做宇宙最初期可能經(jīng)歷的一個“德西特階段”(de Sitter phase)。除了理論上有趣之外,他沒有發(fā)現(xiàn)這有什么實際意義。直到回國后,他才用俄語發(fā)表了這個成果,而在蘇聯(lián)之外基本上無人知曉他的這個工作。
在溫伯格等人完成弱、電磁相互作用的統(tǒng)一后,基爾茲尼茨最早看出這個新理論與金茲堡與朗道早年提出的相變理論有很多相似之處。盡管后者應(yīng)用于低溫固體超導(dǎo)和液體超流現(xiàn)象,似乎與基本粒子毫不相干,但基爾茲尼茨還是開始研究起規(guī)范場論中的相變。
1972年,24歲的林德(Andrei Linde)從莫斯科大學(xué)畢業(yè),成為列別捷夫物理研究所的新科研究生。他父母都是物理教授,14歲時就讀父母的兩本書:一本狹義相對論、一本天體物理,便一門心思地要成為一個物理學(xué)家。
林德在大學(xué)期間已經(jīng)跟著基爾茲尼茨做過一點有關(guān)基本粒子碰撞的計算工作。當(dāng)他找到導(dǎo)師準備繼續(xù)這方面研究時,不料基爾茲尼茨一看到他便大叫道:忘記其它一切,溫伯格的理論剛剛被證明可以“重整化”(在場論中,只有數(shù)學(xué)上可重整化(renormalizable)的理論才可能有物理意義。),我們得趕緊搶上這趟車。
很快,他倆一起發(fā)表了第一篇大統(tǒng)一理論中對稱破缺和相變的論文,比溫伯格等早了近兩年。那時林德還只是一個羽毛未豐的研究生。及至1974年左右,林德和基爾茲尼茨已經(jīng)發(fā)現(xiàn),如果早期的宇宙出現(xiàn)過冷式的延遲相變,會引發(fā)宇宙指數(shù)式的“暴脹”。但他們同時也意識到這樣會帶來宇宙能量、物質(zhì)分布不均勻的荒謬結(jié)局。他們淺嘗輒止,認定那只是一個科研中經(jīng)常遇到的死胡同。
那時,林德和基爾茲尼茨對宇宙的視界問題還不甚了解,狄克也沒有提出平坦性問題,普雷斯基爾、古斯和戴自海更遠遠沒有動起計算磁單極數(shù)量的念頭。對于林德他們來說,這個指數(shù)式增長的宇宙模型沒有任何意義。
林德沒有像古斯、戴自海等西方年輕人那樣在博士后生涯中蹉跎,他獲得博士學(xué)位后就直接留在列別捷夫物理研究所擔(dān)任研究員。1978年林德與導(dǎo)師一起因為宇宙初期相變理論獲得蘇聯(lián)科學(xué)院的羅蒙諾索夫獎。那個時候,比林德大1歲的古斯還在對戴自海鼓吹的大統(tǒng)一理論嗤之以鼻。
當(dāng)古斯發(fā)現(xiàn)暴脹宇宙的新聞傳來時,有人打電話詢問林德是否讀了論文。林德沒有讀,他并不需要論文,隨即便一五一十地描述了他認為古斯論文應(yīng)有的思路,與之基本不差。那都是他過去已經(jīng)做過的演算。至于林德怎么舍棄了這個工作,他后來輕描淡寫地說道:既然沒有發(fā)現(xiàn)其中的價值,誰會去發(fā)表那樣的“垃圾”呢?
霍金1973年曾訪問莫斯科。他那著名的“黑洞蒸發(fā)”(black hole evaporation)理論正是他訪問時看到澤爾多維奇和他的學(xué)生斯塔羅賓斯基所做的工作而受到的啟發(fā)。1981年10月,霍金再度訪問蘇聯(lián),在莫斯科做學(xué)術(shù)講座,做現(xiàn)場翻譯的便是林德。
霍金的漸凍癥已經(jīng)相當(dāng)明顯,不得不使用輪椅。他口齒很不清,只有長期貼身照顧的學(xué)生才能聽懂。講演時霍金先嘟喃幾聲,他的學(xué)生用英語復(fù)述成幾個單詞,然后再由林德翻譯成俄語。因為整個過程非常緩慢,林德往往越俎代庖,根據(jù)自己所知把那幾個詞膨脹為有聲有色的一整段俄語。
霍金介紹的是宇宙起源問題的最新進展,包括古斯的暴脹理論以及帶來的問題。他和古斯等人都各自花了很長時間尋找解決方案,還沒有頭緒。講著講著,霍金突然提起他剛剛了解到這里的林德也有一個新的理論。林德頗為得意地翻譯了這句話,沒料到霍金卻又話鋒一轉(zhuǎn):卻也是同樣地不靠譜。
林德不得不把霍金批駁自己工作的話一句一句地翻譯給滿滿一屋子的同事、朋友,還沒法當(dāng)場辯解。演講結(jié)束后,林德將霍金連帶輪椅推進一間教室,關(guān)上門單獨爭辯了一個半小時,直到發(fā)現(xiàn)霍金失蹤而驚慌失措的人闖進來為止。他們倆當(dāng)晚又在旅館里研討良久,霍金終于被說服,原來是他沒有完全明白林德的思路。
雖然古斯所發(fā)表的大都是林德已經(jīng)廢棄的“垃圾”,林德對古斯用這個暴脹一舉解決磁單極、宇宙平坦和視界三大困境的創(chuàng)見卻還是欽佩不已,確信這個糟粕中一定藏有精華。他想,如果上帝在創(chuàng)造宇宙時有這么一條捷徑可走,定然不會舍近求遠。他為此幾個月寢食不安,以至于得了嚴重的胃潰瘍。
與古斯相似,林德也習(xí)慣在妻子和他們的兩個小兒子都睡了以后自己一個人深夜坐在桌前演算、思考。1981年夏天的一個夜晚,他終于有了突破,忍不住搖醒熟睡的妻子告訴她:我知道宇宙是怎么來的了。
林德的新想法其實很簡單:古斯的困境在于相變時宇宙中出現(xiàn)大量的泡泡。因為宇宙本身的暴脹,這些泡泡互相之間越離越遠,沒法合并到一起完成相變。泡泡的碰撞同時也帶來不應(yīng)有的物質(zhì)不均勻分布。如果反過來,設(shè)想我們今天所能看到的宇宙——我們的視界之全部——當(dāng)初都只存在于單一的泡泡里面,就不再會有這個問題?;艚鸨闶且虼撕懿焕斫猓涸趺磁菖葸€能長得比宇宙還大?
古斯也已經(jīng)考慮過這個問題,但他沒法自圓其說。他的暴脹理論基于宇宙處于巨石被卡在半山坡上的那種亞穩(wěn)態(tài),只在過冷狀態(tài)出現(xiàn)。如果整個宇宙在一個泡泡中,便無法暴脹,因為在古斯眼里,暴脹的是泡泡之外的宇宙。
林德卻將這個暴脹概念整個地里外翻了個來。他發(fā)現(xiàn)暴脹并不是只有在過冷、亞穩(wěn)態(tài)的情況下出現(xiàn),也可以通過完全不同的途徑。他的宇宙不是卡在陡峭山峰的半山坡上,然后通過隧道效應(yīng)“遁入”穩(wěn)定態(tài)。他的宇宙開始在山頂,而且是一個相當(dāng)平緩的山頂。如果宇宙依然是一塊巨石,這塊石頭會“慢慢地”向邊緣滾動——即所謂的“慢滾暴脹”(slow-roll inflation)——直到最后掉下懸崖抵達山底的穩(wěn)定態(tài)。
1983年,林德在美國講解他的新暴脹理論
有意思的是,林德的這個新圖像其實來源于科爾曼和他的一個學(xué)生早在1973年提出的一個模型。這個學(xué)生一直在與古斯合作尋找暴脹理論的出路,但他和古斯沒能想到可以這樣換一個暴脹的模式。
林德在那個夏天很快就寫好了論文。但蘇聯(lián)的審查制度致使三個月后霍金來訪時還沒能寄出發(fā)表,以至于惹出那番口舌之爭。他的論文題目毫不含糊,保留著古斯的口氣但也膨脹了許多:《一個新暴脹宇宙方案:視界、平坦、均勻性、各向同性和宇宙初期磁單極問題的一個可能解決》(A New Inflationary Universe Scenario: A Possible Solution to the Horizon, Flatness, Homogeneity, Isotropy and Primodial Monopole Problems)
古斯的理論這時問世也才一年,卻已經(jīng)被林德的這篇“新暴脹理論”驅(qū)逐,成為“舊暴脹理論”而進入歷史檔案。除了“暴脹”這個概念本身被作為精華保存,古斯原初的所有具體內(nèi)容都已被作為糟粕遺棄。
作為已經(jīng)是麻省理工學(xué)院副教授的古斯還在持續(xù)地受邀到各處做學(xué)術(shù)報告。他的演講這時有了一個新的副標題:“林德和斯泰恩哈特是如何在我睡著的時候解決了宇宙學(xué)問題”。(斯泰恩哈特與他的研究生合作提出了與林德相同的理論。)
林德論文的題目中強調(diào)了宇宙的“均勻性、各向同性”,因為那正是他所解決的、古斯“舊暴脹理論”帶來的難題。單一泡泡中的宇宙自然會非常均勻,處于同一平衡態(tài),沒有舊理論中泡泡互相碰撞所帶來的不均勻。
然而,曾在莫斯科被說服的霍金還是給這個新理論挑出一根大刺:如果宇宙只是在一個單一的泡泡中,那么暴脹后的整個宇宙會處于理想的熱平衡,沒有任何能量、質(zhì)量分布差異。這樣的宇宙進入膨脹之后,演變到今天也依然會是一張白紙、空空如也,沒有哪個地方能夠聚集出星球、星系,更不可能出現(xiàn)太陽、地球和地球上的人類。也就是說,林德在解決古斯的困境時矯枉過正,讓宇宙提前進入了“熱寂”狀態(tài),沒有了活力。
要產(chǎn)生今天的星系結(jié)構(gòu),即使是原初的宇宙也不能是理想的光滑平坦。宇宙不同的區(qū)域應(yīng)該存在有微量的差異?;艚鹩X得,這應(yīng)該又是一個量子力學(xué)可以對廣義相對論施以援手的地方:在量子世界里,即使是理想的真空也會存在隨機的漲落。
恰巧也是在1970年代,宇宙中的物質(zhì)分布在大尺度上的均勻性——或者更準確地說,不均勻性——已經(jīng)引起一些物理學(xué)家的注意。他們之中有蘇聯(lián)的澤爾多維奇,也有普林斯頓的皮布爾斯——狄克當(dāng)年的學(xué)生。
來源:程鶚 的博客