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，美國哈佛大學的天體物理學家安娜· 伊堯什得出了一個相反的結(jié)論。此后，普林斯頓大學的宇宙學家斯坦因哈德和哈佛大學天文學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，而這對整個宇宙學來說，都將是一場劫難。

暴脹論認為，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。這相當于一個點在一眨眼的時間中，就擴展到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中的難

題，成為我們宇宙學標準模型的組成部分。

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，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?！?/p>

“普朗克”改進了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：“如果你認為宇宙始于均一性，那么你并沒有解決任何問題?！彼麄儗⑦@一問題稱為暴脹平穩(wěn)模型的“初始條件問題”。他們認為，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)認可的模型，從理論上說，已經(jīng)大為減少了?！?/p>

“普朗克”小組領(lǐng)導人之一、巴黎大學的布赫認為，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，來自遠處的光線在1 4 0億年之內(nèi)還無法到達地球。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會議上，斯坦福大學的安德烈·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?！捌绽士恕碧綔y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)計學上的偏差。斯坦因哈德說：“理論認為，暴脹可以產(chǎn)生無數(shù)宇宙，不應(yīng)該只看到一個冷點?！?/p>

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、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)導人之一）等人認為，問題出在粒子物理學中。因為迄今沒有令人滿意的指導原則來闡明暴脹的機理。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?！薄捌绽士恕睘槲覀兲峁┝艘粋€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