暴脹假說與CMB結(jié)果令人驚奇地符合，一個(gè)理論表現(xiàn)出如此高的預(yù)測能力，無論它背后的物理學(xué)原理是什么，都引起了人們極大的興趣。人們企圖為它建造一個(gè)完善的理論模型，解釋暴脹到底是什么？暴脹時(shí)期事件的細(xì)節(jié)如何？為什么那段時(shí)期宇宙會暴脹？如今，存在多種模型來解釋暴脹理論的物理機(jī)制，諸如混沌暴脹、永恒暴脹等。

古斯是得到大統(tǒng)一理論的啟發(fā)而想到暴脹理論的。根據(jù)大統(tǒng)一理論，在宇宙早期，強(qiáng)作用、弱作用及電磁力都統(tǒng)一在一起，真空中布滿了“上帝粒子”構(gòu)成的希格斯場。之后，希格斯場的存在促使自發(fā)對稱破缺，從而才使三種作用分離，并形成了各種不同質(zhì)量的粒子。古斯受此理論啟發(fā)，認(rèn)為希格斯場可能也同時(shí)是促成暴脹過程的量子場，想利用希格斯對稱破缺引起真空相變的機(jī)制來解釋宇宙暴脹。

所謂自發(fā)對稱破缺，指的是物理規(guī)律理論上所具有的某種對稱性，在實(shí)際發(fā)生的現(xiàn)象（作為物理方程的一個(gè)具體解）中被破壞，因此只表現(xiàn)出更低的對稱性。直立于桌子上的鉛筆向某一個(gè)方向倒下是一個(gè)典型的例子。當(dāng)鉛筆豎在桌子上的時(shí)候，無論是鉛筆本身、初始條件、物理規(guī)律，對過鉛筆中心的垂直線而言都是軸對稱的，倒下之后這種對稱性破缺了，不再存在，如圖1左圖。

圖1右圖中是一個(gè)暫時(shí)平衡于重力勢場中的小球，或者說可以看作是一個(gè)在山坡上滾動的石頭。當(dāng)石頭位于頂端A時(shí)，看起來具有左右對稱性，但這種對稱性很容易被輕微的擾動所破壞，擾動后的石頭將因?yàn)橹亓Φ淖饔醚刂鴪D中所示的路徑滾到山坡下一個(gè)新的引力勢能更低的平衡位置B。

圖1：自發(fā)對稱破缺

圖1右圖所示的情形，經(jīng)常被用來比喻由于真空中某標(biāo)量場的量子漲落而引起的自發(fā)對稱破缺。在真空標(biāo)量場情形下，圖形不再表示重力勢能，而代之以某個(gè)標(biāo)量場的“勢能-場強(qiáng)”曲線。重力場中的小球總是滾向能量更低的地方，與滾動小球類似，系統(tǒng)的真空場也總是要“相變”到某個(gè)真空能量最小的狀態(tài)。雖然圖中的A點(diǎn)和B點(diǎn)都是極值點(diǎn)，但是A點(diǎn)不穩(wěn)定，能量高于B，所以是一個(gè)“假”真空平衡態(tài)，量子漲落將使它過渡到真正的最低能量態(tài)B。

問題是：用什么來構(gòu)造宇宙暴脹時(shí)期的這個(gè)動力學(xué)標(biāo)量場呢？古斯最開始企圖用希格斯場來解決問題，但多數(shù)學(xué)者認(rèn)為引起暴脹的不是希格斯場，是另一種標(biāo)量場，可稱之為暴脹場。暴脹場需要滿足一些必要的條件，并且，暗能量應(yīng)該由這個(gè)標(biāo)量場的能量所主導(dǎo)，對應(yīng)的粒子則被稱為暴脹子。后來，俄國的安德烈·林德（Andrei Linde，1948年--）以及其他物理學(xué)家基于暴脹標(biāo)量場提出慢滾暴脹的模型。

在前一篇博文中曾經(jīng)提到，荷蘭天體物理學(xué)家德西特從引力場方程得到的解可以用來解釋暗能量。德西特空間僅與宇宙常數(shù)L有關(guān)。在德西特空間中，沒有原來意義下（不包括暗能量）的那種“物質(zhì)”和能量，只有與L成正比的真空能量。

數(shù)學(xué)上而言，如果愛因斯坦場方程中僅僅包含宇宙常數(shù)L這一項(xiàng)的話，可以求出三類常數(shù)量曲率的時(shí)空解。德西特時(shí)空對應(yīng)于正的常數(shù)時(shí)空曲率，相應(yīng)于正宇宙常數(shù)；閔可夫斯基時(shí)空的曲率為零，相應(yīng)于宇宙常數(shù)為零；還有一種對應(yīng)于宇宙常數(shù)為負(fù)值時(shí)的負(fù)常數(shù)曲率時(shí)空，叫做反德西特時(shí)空。這三種時(shí)空分別是球面、平面、馬鞍面三種二維曲面的4維時(shí)空的洛倫茨類比。

在宇宙演化過程中，如果宇宙常數(shù)為正數(shù)，并且起主要作用的話，空間將以指數(shù)形式增長。因此，暴脹所需要的時(shí)空與德西特空間很相似，在暴脹時(shí)期，我們的宇宙可以看作是一個(gè)準(zhǔn)德西特時(shí)空。

慢滾暴脹模型與上面所舉的重力勢場中小球的運(yùn)動很類似，如圖2a所示。

圖2：（a）慢滾暴脹場（b）從暴脹到結(jié)構(gòu)形成

在圖2a中，雖然有“現(xiàn)在”和“暴漲期”等時(shí)間標(biāo)誌，但是，圖中橫坐標(biāo)表示的是暴脹場的強(qiáng)度，并非時(shí)間。因此，圖2a中的曲線所描述的是暴脹場的能量與場強(qiáng)之間的關(guān)系，不是與時(shí)間的關(guān)系。曲線上有兩個(gè)特殊點(diǎn)（A和B），A代表假真空，B點(diǎn)才是能量最低的穩(wěn)定的真正真空態(tài)。在暴脹未發(fā)生之前，暴脹場的強(qiáng)度比較小，宇宙位于高能量密度的假穩(wěn)定真空狀態(tài)（A點(diǎn)）。之后，暴脹場強(qiáng)度增大，但能量變化很小，由曲線的左半部所表示，是一段較為平坦的高地。隨著暴脹場強(qiáng)的增大，宇宙的狀態(tài)向右邊移動，有點(diǎn)類似于前面所舉的例子中山坡上往下滾動的石頭。因?yàn)楦叩仄椒€(wěn)，石頭滾動得很慢。但是，在宇宙模型中雖然也使用了“慢滾”一詞，但實(shí)際上這一切只發(fā)生在一段極短的時(shí)間內(nèi)，即暴脹期，從10^-35秒到10^-33秒左右，宇宙空間急劇地指數(shù)膨脹至少10²⁶倍?！奥凉L”的意思指的是在勢能曲線上“慢慢滾”。從圖2a中可見，暴脹場“滾”到高地的邊緣就碰到了“懸崖”，前面所舉例子中的山坡上的石頭掉到懸崖下能量最低的位置后，重力勢能轉(zhuǎn)換為石頭的動能，使石頭具有很大的速度。

在宇宙暴脹模型中，暴脹場能量的效應(yīng)十分類似于宇宙常數(shù)，亦即暗能量的作用。當(dāng)早期宇宙溫度下降時(shí)，假真空的高能量產(chǎn)生很強(qiáng)的排斥引力效應(yīng)。因?yàn)楸┟?/span>標(biāo)量場是“慢慢”地滾下勢能峰，使得勢能一直保持很大，強(qiáng)大的排斥作用大大超過物質(zhì)間的引力吸引，使空間發(fā)生越來越快的膨脹（暴脹），物質(zhì)粒子越分越開，越來越被“稀釋”，最后成了一個(gè)幾乎不包含任何粒子，由真空能主導(dǎo)的過冷膨脹的宇宙（這也是磁單極子被稀釋的原因）。直到暴脹場能量降到懸崖邊緣，勢能峰變得陡峭，意味著排斥作用將很快地減弱，暴脹即將結(jié)束。之后，便開始了傳統(tǒng)模型中描述的大爆炸，即我們在前面博文中描寫的宇宙演化過程。因?yàn)楸┟泩鲈瓉硖幱谀芰亢芨叩奈恢?，碰到懸崖后，能量大幅度降低，即宇宙的暴脹場真空能轉(zhuǎn)換為其它種類的能量，比如基本粒子的熱能，使得宇宙“重新加熱”，溫度升高。再后來，宇宙遵循標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的演化過程，形成物質(zhì)，形成結(jié)構(gòu)，圖2b描述的便是宇宙從暴脹到星系等大尺度結(jié)構(gòu)形成的時(shí)間過程。

勢能懸崖的最低點(diǎn)B（真真空），是宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)。B點(diǎn)所對應(yīng)的剩余的暴脹場能量，可以理解為目前被認(rèn)為是宇宙中暗能量的部分。也就是說，在暴漲期間的暗能量（A點(diǎn)所對應(yīng)的暴脹場能量），比現(xiàn)在的暗能量大多了，這也正是造成暴脹的原因。

解釋暴脹的物理機(jī)制模型往往導(dǎo)致“平行宇宙”的結(jié)論。存在多種有關(guān)平行宇宙的假說，其中最容易理解的是與宇宙“視界”有關(guān)的平行宇宙說。

因?yàn)楣馑僖杂邢匏俣葌鞑?，而宇宙的年齡只有137億年，所以無論使用多么先進(jìn)的儀器，我們應(yīng)該都只能觀察到距離我們137億光年以內(nèi)的宇宙。再考慮在這137億年中宇宙一直都在膨脹的事實(shí)，這個(gè)距離被修正到460億光年。對于視界外的宇宙，無法觀測，也無法對它施加任何影響，說明視界外的宇宙與我們完全獨(dú)立，這是被“視界”所限制了的可觀測區(qū)，稱之為該星系的“可觀測宇宙”。這個(gè)“可觀測宇宙”對我們來說已經(jīng)非常之大，但即使從邏輯來推斷，我們沒有任何理由認(rèn)為真實(shí)的宇宙就終止在我們目力所限的范圍以內(nèi)。大多數(shù)人相信，在宇宙之外仍然有星系，天外還有天！不過我們完全不知道我們看不見的真正“大宇宙”到底有多大？有限還是無限？封閉還是開放？但無論如何，在“大宇宙”中存在有大量的可觀測區(qū)，我們看到的宇宙不過是其中一個(gè)而已，這樣的話，我們宇宙之外其它的可觀測區(qū)便可被看作是獨(dú)立的“平行宇宙”。

如果真實(shí)的“大宇宙”是無窮大而開放的，上面描述的那種“視界”平行宇宙便有無限多個(gè)。但是，因?yàn)槊恳粋€(gè)可觀測宇宙是有限的，其中也只包含有限多個(gè)“粒子”。那么，這些數(shù)目有限的粒子進(jìn)行各種排列組合的方式也是有限的。盡管這是一個(gè)非常大的數(shù)值，但卻有限。用這些有限的排列方式來組成無限多個(gè)平行宇宙，將產(chǎn)生什么結(jié)果呢？至少能夠根據(jù)抽屜原理得出一個(gè)有趣的結(jié)論：這些平行宇宙中一定會有（至少兩個(gè)）排列方式一模一樣的宇宙！

如果某個(gè)宇宙與我們“宇宙”的排列方式一模一樣的話，那就意味著其中會有一個(gè)一模一樣的你！還有一個(gè)一模一樣的你的朋友，朋友的朋友……。不過，那個(gè)“你”雖然和你長得一模一樣，但是卻不見得行為一樣，你的朋友在那個(gè)平行宇宙中也可能變成那一個(gè)“你”的敵人？重要的是，這一切和我們宇宙中的你沒有任何關(guān)系，你也不可能見到那個(gè)與你一模一樣的“你”，所以就無需多言了。

剛才所述可以算是經(jīng)典概念下的平行宇宙，在量子物理理論中，原來就有一個(gè)平行宇宙的假說，稱之為“多宇宙詮釋”，那是與“薛定諤的貓”，量子態(tài)塌縮之類有關(guān)的概念，和宇宙學(xué)暴脹的平行宇宙是兩碼事，在此不表。

不過，量子理論經(jīng)常會導(dǎo)致一些不可思議之事。如果我們將量子波動理論應(yīng)用到暴脹宇宙中，似乎也難以避免平行宇宙的結(jié)果。并且，暴脹也必須考慮量子效應(yīng)，一來暴脹期前后的宇宙都是高熱高密度狀態(tài)，正是量子理論的用武之地，二是暴脹理論還得靠量子漲落之類的說法來解釋暴脹機(jī)制和宇宙后來的結(jié)構(gòu)形成。因此，我們將此類平行宇宙歸類為“暴脹平行宇宙”

古斯當(dāng)初建立“舊暴脹”理論時(shí)，碰到一個(gè)如何讓暴脹“停止”的困難，林德（現(xiàn)任斯坦福大學(xué)教授）修正了古斯的模型，提出混沌暴脹理論。

如前所述，我們的宇宙在暴脹期之前只是大宇宙中的一個(gè)“小點(diǎn)”，每個(gè)小點(diǎn)后來都成為一個(gè)（獨(dú)立的？）“平行宇宙”。我們也知道，暴脹的動力學(xué)可以用暴脹標(biāo)量場來描述，但由于量子漲落，這個(gè)標(biāo)量場在每一個(gè)點(diǎn)的數(shù)值應(yīng)該有所不同，那么，暴脹的速度和期間都會有所不同，后來演化出來的所有“平行宇宙”也都會各不相同。

如果使用混沌暴脹理論，那時(shí)候的大宇宙應(yīng)該是一堆大大小小的形成分形結(jié)構(gòu)的“泡泡”。加上量子理論，宇宙中會不斷地有暴脹發(fā)生，也就是說，新泡泡不斷地產(chǎn)生出來，舊泡泡不斷消失。如此描述的宇宙圖景，不需要解決古斯的暴脹如何停止的問題，因?yàn)楸┟浻钪鎻膩砭蜎]有停止過，暴脹實(shí)際上是無時(shí)無刻都在不斷地發(fā)生和湮滅的過程。由于量子機(jī)制導(dǎo)致的隨機(jī)性，某一個(gè)泡泡宇宙中的暴脹突然停止了，碰到了勢能曲線的“懸崖區(qū)”，暴脹場的能量轉(zhuǎn)化成了粒子的能量，又形成了各種物質(zhì)、星系、太陽、地球、生命、我和你。

還有一種平行宇宙，說的是時(shí)間上無限循環(huán)的宇宙。大爆炸接著另一個(gè)大爆炸，一直推下去以致無窮。著名物理學(xué)家兼數(shù)學(xué)家彭羅斯（Penrose）便有一個(gè)奇特的“共形循環(huán)宇宙學(xué)”理論。利用數(shù)學(xué)上共形不變的Weyl曲率，描述了一個(gè)從初始奇點(diǎn)（大爆炸）走向終結(jié)奇點(diǎn)（黑洞）無限循環(huán)的宇宙“輪回”。一些平行宇宙說想象各個(gè)平行宇宙之間可以通過黑洞或蟲洞互相穿來穿去，無奇不有?？傊@一切都是當(dāng)下宇宙學(xué)的未解之謎，它們給予了人們豐富而巨大的想象空間。然而，這許多假想的多宇宙模型，也許永遠(yuǎn)不可測量，不可證偽?？茖W(xué)在這些領(lǐng)域已經(jīng)幾乎等同于科幻，那么，這個(gè)空間就留待小說家們?nèi)ハ胂篑Y騁吧。