普朗克帶來的喜和憂

陳壯叔

自2 0 0 9年發(fā)射升空以來，“普朗克”探測器一直在繪制來自嬰兒宇宙的輻射圖像。它的靈敏度比過去所有的探測衛(wèi)星都高3倍以上，有助于我們了解宇宙暴脹的情況。按現(xiàn)在的主流宇宙學(xué)說（大爆炸論），在大爆炸后的一個瞬間，宇宙發(fā)生了高速膨脹，即為暴脹。

2 0 1 3年3月，歐空局公布了“普朗克”的探測數(shù)據(jù)。在歐空局召開的巴黎會議上，科學(xué)家宣稱：“‘普朗克獲得的數(shù)據(jù)與現(xiàn)有全部理論匹配了，若我是一名暴脹論理論學(xué)家，一定會十分高興。”但在閱讀

了“普朗克”小組的論文后，美國哈佛大學(xué)的天體物理學(xué)家安娜· 伊堯什得出了一個相反的結(jié)論。此后，普林斯頓大學(xué)的宇宙學(xué)家斯坦因哈德和哈佛大學(xué)天文學(xué)系系主任勒布也感到這個結(jié)果很棘手。斯坦因哈德說：“‘普朗克的數(shù)據(jù)使得暴脹論產(chǎn)生了過去沒有的問題。”

不過，其他的研究者不同意這個看法。在他們眼里，如果這三人的說法是正確的，那么暴脹論就會陷入麻煩，而這對整個宇宙學(xué)來說，都將是一場劫難。

暴脹論認(rèn)為，在大爆炸后的一個極短時間內(nèi)，宇宙空間以1 0 2 5的數(shù)量級開始快速膨脹。這相當(dāng)于一個點在一眨眼的時間中，就擴(kuò)展到1 0 0萬光年。這個非凡的理論，因其成功地解釋了幾個天文學(xué)中的難

題，成為我們宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的組成部分。

首先，宇宙驚人地平坦。觀察表明，充滿著微波背景輻射的宇宙，各處的溫度都是相同的，溫差在0.0 0 0 3℃之內(nèi)。這是很驚人的，因為天空各部分相距甚遠(yuǎn)，光沒有足夠的時間跑完這些路程。也就是說，沒

有辦法讓熱輻射抹平溫差。暴脹論為這一問題提供了一個解釋，即在暴脹開始前，空間的各處是可以相互觸及的，只是在空間突然脹大后，它們才被推離開來。

對另一個問題，暴脹論也給出了答案，那就是若宇宙各處都是相同的，星系、恒星和行星等是如何出現(xiàn)的。暴脹論認(rèn)為，能量中持續(xù)不停的量子起伏在時間中產(chǎn)生了凹痕。在大爆炸后不久，暴脹即開始，它

把這些凹痕擴(kuò)展到宇宙的尺度上。這些凹痕有如落入物質(zhì)的巢穴，最終成為現(xiàn)在可見的結(jié)構(gòu)。它們在宇宙微波背景上呈現(xiàn)為點。德國慕尼黑大學(xué)的麥克哈諾夫說：“‘普朗克的數(shù)據(jù)表明，宇宙結(jié)構(gòu)源于量子起伏。”

那么，跟主流理論不相符的又是什么呢？是“普朗克”的數(shù)據(jù)不能解釋產(chǎn)生暴脹的真正原因。理論物理學(xué)家的一種觀點是，暴脹是由一種假想粒子（暴脹子）的量子場引發(fā)的，在空間的每一個點上，暴脹場

有一定的強(qiáng)度。這種情況極像一個電場，隨著電荷的距離而變化。

一個電場所儲的能量，跟其強(qiáng)度的平方成正比。把這一關(guān)系畫成圖形，就像一個U 形的碗。這意味著若場增強(qiáng)1倍，其所含的能量將是之前的4倍。若暴脹場存在的話，空間的膨脹速度將由其勢能來決定。因此，暴脹場的勢能必須為正值，并隨著空間的膨脹逐漸降為零。但這個勢能最初有多高？隨著暴脹，它又是如何變化的？對這些問題，有幾個模型可以給出答案。斯坦因哈德說：“你可以創(chuàng)造你需要的任何能量曲線。”

“普朗克”改進(jìn)了CMB 的溫度分布圖，發(fā)現(xiàn)暴脹速度的變化更傾向于沿著一只“淺碗的外壁”下滑。安娜說，這是最復(fù)雜的情況。因為相較于簡單模型（具有陡峻的能量曲線），這種平穩(wěn)模型要求宇宙必須始于1 0億倍的平滑。安娜說：“這是一個大問題，科學(xué)家之所以引入暴脹，就是用來解決宇宙平滑問題的。”勒布也同意這個說法，他說：“如果你認(rèn)為宇宙始于均一性，那么你并沒有解決任何問題。”他們將這一問題稱為暴脹平穩(wěn)模型的“初始條件問題”。他們認(rèn)為，那種更多、更容易產(chǎn)生暴脹的模型多半是不可能的。平穩(wěn)模型就是這一類。安娜說：“現(xiàn)在為（普朗克）數(shù)據(jù)認(rèn)可的模型，從理論上說，已經(jīng)大為減少了。”

“普朗克”小組領(lǐng)導(dǎo)人之一、巴黎大學(xué)的布赫認(rèn)為，并非每個潛在的模型都是有理的。但他說，測量并沒有排除所有的陡峻曲線。那是因為，暴脹把宇宙的大部分推到很遠(yuǎn)，來自遠(yuǎn)處的光線在1 4 0億年之內(nèi)還無法到達(dá)地球。我們所看到的，僅是宇宙的一部分。

從我們可觀察宇宙獲得的能量曲線，似乎像一個向上的淺碗，但它可能具有陡峻的部分。2 0 1 3年4月，在加利福尼亞召開的物理學(xué)會議上，斯坦福大學(xué)的安德烈·林德（暴脹理論的奠基人之一）提出了新

的能量曲線的模型。他認(rèn)為，勢能在開始時較高，因此就不需要假設(shè)這個新生宇宙，“也就不存在初始條件的問題”。

按林德的說法，在曲線的扁平和陡峻之間有一個“肩”，這意味著調(diào)整1%的勢能，才能符合“普朗克”測得的數(shù)據(jù)。但安娜等人認(rèn)為，這種調(diào)整都是不需要的。勒布說：“你可以一直往前走，找到你需要的勢能。

但你正在做一種初始條件的反向工程。這不是一個好方法，它不能把你引向具有預(yù)言性的模型。”

他們對暴脹的第三個疑義，涉及“普朗克”未能看到的事物。暴脹一旦開始，肯定無法馬上停下來，這將導(dǎo)致無數(shù)的宇宙。但是，“普朗克”沒有找到無數(shù)宇宙的明顯信號。“普朗克”探測到了一個大冷點，研究者聲稱，這可能是一個與別的宇宙相互作用的信號，但也可能是一個統(tǒng)計學(xué)上的偏差。斯坦因哈德說：“理論認(rèn)為，暴脹可以產(chǎn)生無數(shù)宇宙，不應(yīng)該只看到一個冷點。”

安娜等人提出的最后一個問題與2 0 1 2年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子有關(guān)。新生宇宙中的大部分能量來自量子場，這個場與希格斯粒子結(jié)合起來，可以產(chǎn)生某些效應(yīng)。斯坦因哈德說，這個圖像也會因粒子的質(zhì)量有

所改變。

理論物理學(xué)家說，現(xiàn)今宇宙的真空態(tài)能量為1 2 6 0億電子伏特（即希格斯真空，因它受到希格斯場的作用），這是一種亞穩(wěn)態(tài)，并不是可能的最低能量態(tài)。這意味著，在某個瞬間，它可能衰變到最低能量態(tài)。

如果真的發(fā)生，將使宇宙塌縮成一個無限密集的點。若暴脹真的發(fā)生過，必然產(chǎn)生極大能量，使得希格斯真空衰變，從而徹底摧毀宇宙。

可是事實并非如此。斯坦因哈德因此提出另一個觀點，來避免這一結(jié)果。他和圖羅克做了理論研究，認(rèn)為宇宙處于膨脹和收縮相互交替的狀態(tài)。在這個模型中，大爆炸并非（宇宙）創(chuàng)生而是再生，宇宙是一

只“不死鳥”。在這個循環(huán)過程中，就出現(xiàn)了遼闊的宇宙空間。斯坦因哈德說：“時間是如此漫長，什么物理過程都有可能發(fā)生。”

不過，也不少有理論家對這一循環(huán)模型提出了疑問。目前，斯坦因哈德等人正在完善這一模型。在一些理論家看來，暴脹模型正陷入一種絕境。暴脹應(yīng)振動時空本身，從而激發(fā)出散布于整個宇宙的引力波。但是，正是在這一振動有多強(qiáng)、我們今天如何測得引力波的問題上，其答案是隨模型變化的。溫爾特（“普朗克”小組的領(lǐng)導(dǎo)人之一）等人認(rèn)為，問題出在粒子物理學(xué)中。因為迄今沒有令人滿意的指導(dǎo)原則來闡明暴脹的機(jī)理。面對暴脹的不確定性，他說：“它正是我們生活著的這個時代的壓力。”“普朗克”為我們提供了一個觀察宇宙最初瞬間的窗口，研究者急切地想取得更好的見解。溫爾特說：“在人類思想史中，這是一個十分、十分特殊的時刻。”endprint