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星空中遥远而美丽的星星,离我们多远,又从何而来?| 图源:pixabay.com 

编者按

诺贝尔奖并非完美,有错发,有漏发,有遗珠,也不颁发集体,甚至获奖理由表述还出过错等等。获得诺奖在公众中能得到一定的知名度,但没得奖绝不意味着其工作没那么重要。

比如,在宇宙天文领域,暗物质的发现者、瑞士天文学家弗里茨·兹维克(Fritz Zwicky,1898-1974)和美国天文学家维拉· 鲁宾(Vera Rubin,1928-2016)一直到去世也没能获得诺奖。在此,我们认为,提出宇宙暴胀理论的三位先驱——阿兰·古斯(Alan Guth),安德烈·林德(Andrei Linde)和阿列克谢·斯塔罗宾斯基(Alexei Starobinsky),他们的工作也是值得诺贝尔奖的,希望将来他们可以等到。这其中还有一位华人,与这个发现擦肩而过,不过并不影响他其他方面的成绩。

撰文|任鑫  李嘉睿  蔡一夫

责编|邸利会
 

图1 从左到右分别是阿兰·古斯(Alan Guth),安德烈·林德(Andrei Linde)和阿列克谢·斯塔罗宾斯基(Alexei Starobinsky)

 

1、暴胀拯救大爆炸

星空中遥远而美丽的星星,离我们多远,又从何而来?

人类从文明诞生之初就开始仰望星空,试图去探索和理解这浩瀚宇宙所蕴含的奥秘和规律。在早期,人们只是做简单的观测和记录。

在爱因斯坦建立了广义相对论后,现代宇宙学建立了起来,人们终于可以对宇宙的整体演化进行系统研究。这就是理论的重大意义。在天文学里,理论和观测是其两条臂膀,缺一不可:理论指引观测的方向,观测检验理论的对错。

然而,即使是伟大的爱因斯坦也会“犯错”,受限于当时的观测手段和人们长久以来对宇宙“永恒不变”的认知,他起初的宇宙模型是静态的。到了1929年,天文学家哈勃发现,离我们越远的星系远离我们的速度越快,人们才知道了真实的宇宙不是恒定不变,而是在膨胀。

既然宇宙在不断膨胀,那么沿着时间线向前反推,在最初的时刻,宇宙中的一切将汇聚于一个密度无限大,温度极高的点。宇宙的一切都源自于这个点的“爆炸”,这便是大爆炸宇宙论(Big Bang)。

大爆炸宇宙论听起来天马行空,提出之初也没能得到科学界的认同,然而其预言的大尺度结构的形成和宇宙核合成过程得到了宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background,CMB)和宇宙轻元素丰度观测结果的支持。这些观测事实使得大爆炸理论逐渐被学界接受,并成为了目前的标准宇宙学模型。

大爆炸宇宙论虽然获得了巨大成功,但也不是完美无缺,比如它还存在着“平坦性疑难”和“视界疑难”等问题。

平坦性疑难是指,宇宙各个组分的密度是如此的“恰到好处”,以至于宇宙的空间高度接近三维欧氏空间,而这需要早期宇宙非常平坦,微小的一点曲率都会导致宇宙进行完全不同的演化,从而产生一个微调问题。

视界疑难是指,既然宇宙的时间有个起点,如果一段空间距离在宇宙的年龄内连光都无法跨越,那么这段距离两端理应是毫无关联的,然而宇宙微波背景辐射的观测结果表明,相距如此远的地方,它们之间的温度差异非常微小,也就是说,它们通过某种物理联系达到了热平衡。科学家们为了解决这个问题进行了许多尝试和研究。

在20世纪70年代末和80年代初,古斯、林德和斯塔罗宾斯基发现,如果在大爆炸之后的极短时间内经历指数爆炸式的膨胀,那么这些难题就会迎刃而解。由于这个膨胀过程就像通货膨胀一样离谱,在英文中便直接借用通货膨胀(inflation)来进行命名,这便是暴胀宇宙模型。

 

2、幸运和遗憾

1979年,拥有理论物理博士学位的古斯在康奈尔大学做第三期博士后,此时的他在粒子物理领域还没有什么出名的工作,正为未来的科研道路迷茫犯愁,谁也未曾想到不久后他会在另一个领域做出重大的突破,而这段故事还有一位华人科学家的参与。

彼时,同为康奈尔大学博士后的戴自海(Henry Tye)不久前从粒子物理领域跳槽到宇宙学,他经常劝导古斯和他一起做宇宙学。虽然古斯一开始并没有接受,但他在听到一个有关宇宙学平坦性的报告后,意识到解决这一疑难的重要性,也被宇宙学深深吸引,于是转而研究宇宙学。

一开始,古斯和戴自海一起专注于磁单极子问题:大统一理论提出,宇宙早期的温度低于大统一温度后,由自发对称性破缺引起的相变过程会产生众多稳定的磁单极子(可以想象为冷却的宇宙岩浆中析出磁单极子这样的“矿石”),然而在我们当今的宇宙中却没有探测到磁单极子的存在。

就在二人的研究将要有所成果时,戴自海回国参加了一个会议,在那个通讯非常不便利的年代,二人只能结束合作。当戴自海回到康奈尔大学时,古斯已经去了斯坦福大学开始了他的第四期博士后。就在这个时期古斯提出,早期宇宙如果处于一个“假”真空状态,随着温度下降,假真空向真真空演化的过程中,宇宙会发生指数膨胀,这个过程会使得磁单极子的密度猛烈下降,从而解决磁单极子问题。

不久后,古斯又意识到,暴胀过程的存在,还可以使当前宇宙没有因果联系的区域在暴胀前产生联系,并且早期存在的曲率也会被暴胀过程稀释(就仿佛一个迅速吹大的气球可以“抹平”原来的褶皱),因此他的理论不仅可以解决磁单极子疑难,也可以解释视界疑难和平坦性疑难。他发表了《膨胀宇宙: 视界问题和平坦性问题的一种可能解决方案》一文,凭借这个工作,古斯终于如愿以偿,在完成四期博士后之后获得了麻省理工学院的副教授职位。

古斯的办公室非常杂乱,他甚至因此“荣获”《 波士顿环球报》评选的“最凌乱办公室奖”,但古斯对此并不在意,甚至引以为豪,杂乱的办公室加上有着发散思维的科学家,成就了一个伟大的理论模型。

由于恰不逢时的会议和时代局限,戴自海没能成为这篇文章的作者。古斯也说,如果戴自海当时没有回中国开会,那他应该也是提出暴胀理论的文章的主要作者,虽然戴自海错过了暴胀理论的提出,但是之后他提出了膜暴胀的学说,并在超弦理论和膜宇宙学也做出了很多工作,取得了不少成就。

 

3、引领者

在古斯的暴胀理论中,假真空的衰变必须经过量子穿隧达到真真空态,而这一过程不仅会使宇宙变得很不均匀,也无法产生辐射,因此无法自然地和之后宇宙热膨胀演化过程衔接。

Andrei Linde基于古斯的“旧暴胀”,提出了改进的“新暴胀”,即“慢滚暴胀”(slow-roll inflation)理论。

在新的暴胀理论中,假真空状态衰变由标量场沿着平坦的势能曲线缓慢滚动到真真空态来刻画,这个过程即是指数膨胀过程,而当势能曲线变得陡峭,暴胀就会结束,同时标量场减少的势能衰变成各种粒子和辐射,使宇宙温度升高,宇宙进入到辐射为主时期。

林德改进的新暴胀模型被更多人接受,此后他继续研究暴胀理论,提出了混沌暴胀(Chaotic inflation)和多场的混合暴胀模型(Hybrid inflation),还在暴胀多元宇宙理论和弦理论领域做了很多工作,成为宇宙学,尤其是早期宇宙研究的引领者。

莫斯科朗道理论物理研究所的斯塔罗宾斯基也是暴胀理论研究的先驱者。他认为,早期宇宙处于一个极高能量的状态,此时需要考虑广义相对论中的量子修正,在引力的作用量中加入平方曲率的修正项,而这个平方项在曲率很大的时候可以作为等效的宇宙学常数,引发早期宇宙的指数膨胀。

斯塔罗宾斯基成功提出了第一个具体的暴胀模型“Starobinsky模型”,虽然是最早的暴胀模型,但它依旧与当前最新的宇宙微波背景辐射观测结果保持一致。斯塔罗宾斯基还对暴胀时期引力辐射的产生与量子涨落的演化进行了研究,这些量子涨落导致了宇宙微波背景辐射温度涨落与原初密度扰动,是当前宇宙大尺度结构形成的种子。

 

4、宇宙图景并非一成不变

图2 暴胀宇宙学模型和早期宇宙演化的示意图

在以古斯,林德和斯塔罗宾斯基为代表的科学家们的努力下,暴胀宇宙学模型被提出并不断被完善,也成为了当今标准宇宙学模型中的重要一环。

在标准宇宙学模型的图像中,宇宙诞生于约138亿年前的大爆炸,暴胀阶段在大爆炸后约10−36秒开始,持续到大约大爆炸后10−32秒。宇宙在非常短的时间内进行了指数膨胀,宇宙的空间尺度被放大约1080倍,而暴胀时期的原初扰动也成为后来大尺度结构形成的种子。

而后宇宙的温度不断降低,在经历了短暂的辐射为主时期后,物质渐渐占据了主导地位,在宇宙诞生后38万年的时候,原子核和自由电子结合成中性氢原子,光子不再与电子发生散射,开始自由传播,形成了宇宙微波背景辐射。

在漫长的物质为主时期,宇宙首先经历没有新光源产生的黑暗时代,之后第一代恒星形成,继而早期星系和大尺度结构开始形成,宇宙渐渐演化为今天的模样,并进入到当今加速膨胀的暗能量为主时期。

图3 当前标准宇宙学模型和宇宙整体演化的基本图像

在现代宇宙学建立的100年间,该领域在观测和理论两个方面都得到了很大的发展,二者相辅相成,使得宇宙学不断被完善。

在哈勃对遥远星系进行观测后,人们知道宇宙是动态的,从而导致了大爆炸理论的诞生。随后,宇宙微波背景辐射的观测结果不仅验证了大爆炸理论的正确性,也打开了精确测量宇宙学的大门,而宇宙微波背景辐射的各向同性以及支持平直宇宙的观测结果也促进了暴胀理论的提出。1998年,在发现宇宙加速膨胀后,暗能量的概念被引入标准宇宙学图像,引力波和中微子的探测则打开了多信使天文学的时代。
我们看到,标准宇宙学图像并非一成不变,而是随着观测和理论的进步而不断改进的。

21世纪以来,宇宙微波背景辐射观测,宇宙加速膨胀和引力波探测等天文学和宇宙学的重要发展都获得了诺贝尔物理学奖。古斯,林德和斯塔罗宾斯基三人也因为开创了宇宙暴胀理论而获得了2014年的卡夫利奖。

有理由相信,在这个天文学蓬勃发展的时代,人类会在探索宇宙的道路上获得更多的突破,描绘出一个更加完整和丰富多彩的宇宙图景。

 

(任鑫、李嘉睿分别为中国科学技术大学天文学系博士和在读博士生,蔡一夫为中国科学技术大学天文学系教授)

 

参考文献:

https://www.science.org/content/article/did-nobel-committee-get-physics-wrong


 

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由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,现任主编为周忠和、毛淑德、夏志宏。知识分子致力于关注科学、人文、思想。我们将兼容并包,时刻为渴望知识、独立思考的人努力,共享人类知识、共析现代思想、共建智趣中国。

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