普朗克带来的喜和忧

陈壮叔

自2 0 0 9年发射升空以来，“普朗克”探测器一直在绘制来自婴儿宇宙的辐射图像。它的灵敏度比过去所有的探测卫星都高3倍以上，有助于我们了解宇宙暴胀的情况。按现在的主流宇宙学说（大爆炸论），在大爆炸后的一个瞬间，宇宙发生了高速膨胀，即为暴胀。

2 0 1 3年3月，欧空局公布了“普朗克”的探测数据。在欧空局召开的巴黎会议上，科学家宣称：“‘普朗克获得的数据与现有全部理论匹配了，若我是一名暴胀论理论学家，一定会十分高兴。”但在阅读

了“普朗克”小组的论文后，美国哈佛大学的天体物理学家安娜· 伊尧什得出了一个相反的结论。此后，普林斯顿大学的宇宙学家斯坦因哈德和哈佛大学天文学系系主任勒布也感到这个结果很棘手。斯坦因哈德说：“‘普朗克的数据使得暴胀论产生了过去没有的问题。”

不过，其他的研究者不同意这个看法。在他们眼里，如果这三人的说法是正确的，那么暴胀论就会陷入麻烦，而这对整个宇宙学来说，都将是一场劫难。

暴胀论认为，在大爆炸后的一个极短时间内，宇宙空间以1 0 2 5的数量级开始快速膨胀。这相当于一个点在一眨眼的时间中，就扩展到1 0 0万光年。这个非凡的理论，因其成功地解释了几个天文学中的难

题，成为我们宇宙学标准模型的组成部分。

首先，宇宙惊人地平坦。观察表明，充满着微波背景辐射的宇宙，各处的温度都是相同的，温差在0.0 0 0 3℃之内。这是很惊人的，因为天空各部分相距甚远，光没有足够的时间跑完这些路程。也就是说，没

有办法让热辐射抹平温差。暴胀论为这一问题提供了一个解释，即在暴胀开始前，空间的各处是可以相互触及的，只是在空间突然胀大后，它们才被推离开来。

对另一个问题，暴胀论也给出了答案，那就是若宇宙各处都是相同的，星系、恒星和行星等是如何出现的。暴胀论认为，能量中持续不停的量子起伏在时间中产生了凹痕。在大爆炸后不久，暴胀即开始，它

把这些凹痕扩展到宇宙的尺度上。这些凹痕有如落入物质的巢穴，最终成为现在可见的结构。它们在宇宙微波背景上呈现为点。德国慕尼黑大学的麦克哈诺夫说：“‘普朗克的数据表明，宇宙结构源于量子起伏。”

那么，跟主流理论不相符的又是什么呢？是“普朗克”的数据不能解释产生暴胀的真正原因。理论物理学家的一种观点是，暴胀是由一种假想粒子（暴胀子）的量子场引发的，在空间的每一个点上，暴胀场

有一定的强度。这种情况极像一个电场，随着电荷的距离而变化。

一个电场所储的能量，跟其强度的平方成正比。把这一关系画成图形，就像一个U 形的碗。这意味着若场增强1倍，其所含的能量将是之前的4倍。若暴胀场存在的话，空间的膨胀速度将由其势能来决定。因此，暴胀场的势能必须为正值，并随着空间的膨胀逐渐降为零。但这个势能最初有多高？随着暴胀，它又是如何变化的？对这些问题，有几个模型可以给出答案。斯坦因哈德说：“你可以创造你需要的任何能量曲线。”

“普朗克”改进了CMB 的温度分布图，发现暴胀速度的变化更倾向于沿着一只“浅碗的外壁”下滑。安娜说，这是最复杂的情况。因为相较于简单模型（具有陡峻的能量曲线），这种平稳模型要求宇宙必须始于1 0亿倍的平滑。安娜说：“这是一个大问题，科学家之所以引入暴胀，就是用来解决宇宙平滑问题的。”勒布也同意这个说法，他说：“如果你认为宇宙始于均一性，那么你并没有解决任何问题。”他们将这一问题称为暴胀平稳模型的“初始条件问题”。他们认为，那种更多、更容易产生暴胀的模型多半是不可能的。平稳模型就是这一类。安娜说：“现在为（普朗克）数据认可的模型，从理论上说，已经大为减少了。”

“普朗克”小组领导人之一、巴黎大学的布赫认为，并非每个潜在的模型都是有理的。但他说，测量并没有排除所有的陡峻曲线。那是因为，暴胀把宇宙的大部分推到很远，来自远处的光线在1 4 0亿年之内还无法到达地球。我们所看到的，仅是宇宙的一部分。

从我们可观察宇宙获得的能量曲线，似乎像一个向上的浅碗，但它可能具有陡峻的部分。2 0 1 3年4月，在加利福尼亚召开的物理学会议上，斯坦福大学的安德烈·林德（暴胀理论的奠基人之一）提出了新

的能量曲线的模型。他认为，势能在开始时较高，因此就不需要假设这个新生宇宙，“也就不存在初始条件的问题”。

按林德的说法，在曲线的扁平和陡峻之间有一个“肩”，这意味着调整1%的势能，才能符合“普朗克”测得的数据。但安娜等人认为，这种调整都是不需要的。勒布说：“你可以一直往前走，找到你需要的势能。

但你正在做一种初始条件的反向工程。这不是一个好方法，它不能把你引向具有预言性的模型。”

他们对暴胀的第三个疑义，涉及“普朗克”未能看到的事物。暴胀一旦开始，肯定无法马上停下来，这将导致无数的宇宙。但是，“普朗克”没有找到无数宇宙的明显信号。“普朗克”探测到了一个大冷点，研究者声称，这可能是一个与别的宇宙相互作用的信号，但也可能是一个统计学上的偏差。斯坦因哈德说：“理论认为，暴胀可以产生无数宇宙，不应该只看到一个冷点。”

安娜等人提出的最后一个问题与2 0 1 2年发现的希格斯玻色子有关。新生宇宙中的大部分能量来自量子场，这个场与希格斯粒子结合起来，可以产生某些效应。斯坦因哈德说，这个图像也会因粒子的质量有

所改变。

理论物理学家说，现今宇宙的真空态能量为1 2 6 0亿电子伏特（即希格斯真空，因它受到希格斯场的作用），这是一种亚稳态，并不是可能的最低能量态。这意味着，在某个瞬间，它可能衰变到最低能量态。

如果真的发生，将使宇宙塌缩成一个无限密集的点。若暴胀真的发生过，必然产生极大能量，使得希格斯真空衰变，从而彻底摧毁宇宙。

可是事实并非如此。斯坦因哈德因此提出另一个观点，来避免这一结果。他和图罗克做了理论研究，认为宇宙处于膨胀和收缩相互交替的状态。在这个模型中，大爆炸并非（宇宙）创生而是再生，宇宙是一

只“不死鸟”。在这个循环过程中，就出现了辽阔的宇宙空间。斯坦因哈德说：“时间是如此漫长，什么物理过程都有可能发生。”

不过，也不少有理论家对这一循环模型提出了疑问。目前，斯坦因哈德等人正在完善这一模型。在一些理论家看来，暴胀模型正陷入一种绝境。暴胀应振动时空本身，从而激发出散布于整个宇宙的引力波。但是，正是在这一振动有多强、我们今天如何测得引力波的问题上，其答案是随模型变化的。温尔特（“普朗克”小组的领导人之一）等人认为，问题出在粒子物理学中。因为迄今没有令人满意的指导原则来阐明暴胀的机理。面对暴胀的不确定性，他说：“它正是我们生活着的这个时代的压力。”“普朗克”为我们提供了一个观察宇宙最初瞬间的窗口，研究者急切地想取得更好的见解。温尔特说：“在人类思想史中，这是一个十分、十分特殊的时刻。”endprint