泡沫宇宙

理查德·戈特

研究泡沫宇宙的歷史始于1968年，當(dāng)時(shí)我在麻省理工學(xué)院，在那里我遇到了羅伯特·柯什納。他這個(gè)人活潑、好玩、有趣。幾年以后，我們又在加州理工學(xué)院相遇，他在那里讀研究生，而我剛?cè)ツ抢镒霾┦亢?。在加州理工學(xué)院，他的一次好運(yùn)改變了自己職業(yè)生涯的方向，最終有助于重塑現(xiàn)代宇宙學(xué)。

柯什納在加州理工學(xué)院時(shí)，看到一顆明亮的超新星。幸運(yùn)的是，他能夠使用帕洛瑪山上5米口徑的海爾望遠(yuǎn)鏡對(duì)它進(jìn)行研究。結(jié)合他的發(fā)現(xiàn)和當(dāng)代的一些創(chuàng)新方法，他開發(fā)了一種巧妙的測(cè)距法。當(dāng)時(shí)人們對(duì)宇宙的距離規(guī)模知之甚少，因此獲得更準(zhǔn)確的數(shù)字對(duì)更好地理解宇宙結(jié)構(gòu)及其演變至關(guān)重要。

柯什納從20世紀(jì)90年代中期開始組建團(tuán)隊(duì)，利用超新星來測(cè)量宇宙的擴(kuò)張速度——這是宇宙隨著時(shí)間的推移而變化的一個(gè)特別明顯的指標(biāo)。當(dāng)時(shí)天文學(xué)家認(rèn)為，自大爆炸以來，由于星系之間的引力拉動(dòng)，擴(kuò)張速度一直在減緩。最大的問題是：宇宙減速有多快？

為了得到答案，柯什納和他的團(tuán)隊(duì)測(cè)量了超新星的距離，并將這些距離與它們的衰退速度進(jìn)行了比較。實(shí)質(zhì)上，他們使用超新星作為已知固有亮度的標(biāo)準(zhǔn)參照，其距離可以從其明顯的亮度確定。然后你可以通過宇宙展開來看光線被拉伸了多少（朝向光譜的紅色端），并比較不同距離的超新星的擴(kuò)展速率。

由于光速有限，我們看得越遠(yuǎn)，看到的歷史越久。1光年大約為10萬億千米，是光一年中可以旅行的距離。如果我們看到的是6500萬光年的距離，那就是一次6500萬年前的超新星爆發(fā)，那個(gè)時(shí)候古老的恐龍仍然在地球上漫游?？率布{回顧了數(shù)億甚至數(shù)十億年的歷史。與此同時(shí)，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)團(tuán)隊(duì)，使用類似的技術(shù)進(jìn)行相同的測(cè)量。

然后事情奇怪起來。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)宇宙的擴(kuò)張并沒有放緩，反而加速了！柯什納以前的學(xué)生亞當(dāng)·黎斯和布萊恩·施密特以及伯克利分校的索爾·珀?duì)栺R特因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)而分享了2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。超新星的數(shù)據(jù)表明，在我們的宇宙構(gòu)成中，有一些不同的和無法解釋的東西。這些結(jié)果還暗示了宇宙幾何奇怪的內(nèi)容：我們知道的宇宙可能只是許多不同的宇宙泡沫之一，它可能獨(dú)立存在，或者在一定條件下相互作用，甚至相互破壞。

宇宙加速擴(kuò)張的解釋起初雖然令人驚訝，但是可以從物理學(xué)家的理論工具箱中獲得。這可以追溯到阿爾伯特·愛因斯坦的一個(gè)觀念，即宇宙常數(shù)。1922年， 俄國數(shù)學(xué)家亞歷山大·弗里德曼證明，沒有宇宙常數(shù)的最簡(jiǎn)形式的相對(duì)論似乎意味著宇宙的擴(kuò)張或縮小。當(dāng)哈勃的觀察結(jié)果確定宇宙正在擴(kuò)張時(shí)，愛因斯坦放棄了他的宇宙常數(shù)，但是它存在的可能性從未消失。

然后，比利時(shí)物理學(xué)家喬治·萊馬蒂證實(shí)，宇宙常數(shù)可以用物理方法來解釋為空間的真空具有有限的能量密度以及負(fù)壓。這個(gè)想法乍聽起來可能很奇怪，畢竟我們習(xí)慣于認(rèn)為真空區(qū)的真空應(yīng)該具有零能量密度，因?yàn)槟抢餂]有物質(zhì)。但是，假設(shè)空間有有限但很小的能量密度，這種情況也有可能存在。

由于相對(duì)論的緣故，真空能量暗示著負(fù)壓。真空區(qū)應(yīng)該缺少固有的優(yōu)選的靜止標(biāo)準(zhǔn)。兩艘火箭上的乘員在真空區(qū)相互經(jīng)過的時(shí)候，每個(gè)人都會(huì)認(rèn)為自己靜止未動(dòng)，而對(duì)方在移動(dòng)。如果真空也具有相等量級(jí)的負(fù)壓，不同的火箭以不同的速度相互經(jīng)過的唯一方式可以測(cè)量真空能量密度的相同值。

7×10-30克/立方厘米是一個(gè)微小的暗能量，但是穿越巨大的空間時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的影響

負(fù)壓具有排斥引力效應(yīng)，但同時(shí)能量本身具有吸引重力效應(yīng)，因?yàn)槟芰康扔谫|(zhì)量。（這就是E=mc2描述的關(guān)系，即狹義相對(duì)論的另一個(gè)含義。）負(fù)壓在左右、前后、上下三個(gè)方向上的作用產(chǎn)生的排斥效應(yīng)是真空能量吸引效應(yīng)的3倍，使整體效果具有排斥性。我們稱這種真空能量為暗能量，因?yàn)樗划a(chǎn)生光。現(xiàn)在，人們已廣泛接受用暗能量來解釋宇宙的加速膨脹。

通過測(cè)量超新星和其他指標(biāo)，宇宙學(xué)家現(xiàn)在可以準(zhǔn)確地測(cè)定宇宙的膨脹率作為時(shí)間的函數(shù)，并使用愛因斯坦的廣義相對(duì)論方程來確定真空能量的值。最新的測(cè)量值是7×10-30克/立方厘米。我們還可以確定當(dāng)今暗能量中壓力與能量密度的比值——-1.008±0.068。

這個(gè)比值表明能量隨時(shí)間的變化如何變化，以及宇宙如何變化。在觀測(cè)不確定度內(nèi)，測(cè)量值等于-1。如果正好為-1，則真空能量將保持在其當(dāng)前的恒定值；7×10-30厘米/立方厘米是一個(gè)微量的暗能量，但它穿越巨大空間時(shí)有著巨大的影響，足以讓現(xiàn)今的可見宇宙在未來的每122億年翻一番。也就是說，它的容量比現(xiàn)在要大2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024……倍。

據(jù)我們所知，一直可以這樣持續(xù)下去。由于我們與它們之間的空間不斷擴(kuò)大，遙遠(yuǎn)的星系將離開我們。經(jīng)過充分的翻番后，它們與我們之間在空間擴(kuò)展上會(huì)非?？欤鼈兊墓鈱⒉辉倌軌蚩缭竭@個(gè)日益擴(kuò)大的差距而到達(dá)我們。遙遠(yuǎn)的星系將從視野中消失，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)自己似乎孤零零地存在于可見宇宙之中。

真空能量不僅僅是解決宇宙孤獨(dú)問題的有效辦法，也可能是變化、破壞和重生的主體。真空能量的值取決于滲透真空區(qū)的不同場(chǎng)的值，其中之一是使正常粒子具有質(zhì)量的希格斯場(chǎng)。新澤西州普林斯頓高級(jí)研究所的物理學(xué)家阿卡尼·哈米德已經(jīng)證明，希格斯場(chǎng)創(chuàng)造了一個(gè)在10130年的時(shí)間尺度上不穩(wěn)定的真空狀態(tài)。如果這個(gè)場(chǎng)衰減，它可能形成較低密度真空狀態(tài)的泡沫，從根本上講，是一種不同形式的真空空間。

10130年是很長的一段時(shí)間。我們的宇宙目前只有138億歲。然而，理論上的含義是令人著迷的。變化了的真空能量狀態(tài)的出現(xiàn)類似于火爐上的沸水，液體中形成較低密度（蒸汽）的氣泡，只有在這種情況下，液體才是不斷膨脹的暗能量的海洋。還有另一個(gè)很大的區(qū)別：低密度真空的氣泡會(huì)以接近光速擴(kuò)張。

說得婉轉(zhuǎn)一點(diǎn)，如果與其中一個(gè)泡沫相遇就會(huì)惹來麻煩。氣泡內(nèi)希格斯場(chǎng)的值與外界不同，這就意味著你體內(nèi)的粒子物質(zhì)也將不同，因此無法進(jìn)入擴(kuò)張氣泡的內(nèi)部。按照阿卡尼·哈米德的說法，泡壁會(huì)撞擊你，就像汽車的風(fēng)擋玻璃撞到東西那樣，東西就會(huì)粉碎在風(fēng)擋玻璃上。

泡沫中的生活會(huì)很難。在這些氣泡中，真空能為負(fù)能，很大，且具有很大的正壓。由于壓力占主導(dǎo)地位，整體引力較強(qiáng)，具有粉碎作用。由于陰極真空能量的整體引力很大，所以在氣泡內(nèi)部，您能想象到的任何物體都會(huì)被迅速壓碎。

如果在280億光年半徑內(nèi)形成一個(gè)泡沫， 那么我們就會(huì)像蒼蠅撞在風(fēng)擋玻璃上那樣死去

這些氣泡將形成一個(gè)大約10-16厘米的微小半徑，小于質(zhì)子的半徑，其內(nèi)部將是伴有正壓的負(fù)真空能。因此，氣泡壁內(nèi)部會(huì)有正壓，外部是輕微的負(fù)壓，正壓會(huì)將氣泡壁向外推，而外面的輕微負(fù)壓也會(huì)向外拉。結(jié)果，氣泡會(huì)像氣球一樣爆炸。大約10-26秒的時(shí)間，它就會(huì)加速到接近光速。

以這樣的速度，如果一個(gè)泡壁即將擊中你就不會(huì)有任何預(yù)警。來自泡壁的光信號(hào)不會(huì)比泡壁本身早多少，你會(huì)覺得它幾乎是在你看到它的同時(shí)撞到你。幸運(yùn)的是，宇宙的加速膨脹提供了一定的保護(hù)。

如果泡沫與我們的距離超過280億光年，那么泡壁就永遠(yuǎn)不會(huì)碰到我們，那是因?yàn)槲覀兒团菽g的空間像橡皮筋一樣伸展，每122億年翻一番。狹義相對(duì)論告訴我們，在太空不能以快于光速超過另一艘火箭，但是沒有人說空間本身不會(huì)以快于光速的速度膨脹。對(duì)那些非常遙遠(yuǎn)的泡沫來說，泡壁永遠(yuǎn)不會(huì)跨越與您越來越大的差距。但是，如果在280億光年半徑之內(nèi)形成一個(gè)泡沫，這個(gè)泡壁就會(huì)撞到我們，那么我們會(huì)像撞在風(fēng)擋玻璃上的蒼蠅那樣死去。

如果阿卡尼·哈米德是正確的，這種破壞的風(fēng)險(xiǎn)就非常低。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來說，又一個(gè)10

130年不可能再發(fā)生，因?yàn)榕菽纬傻乃俣葮O其緩慢。人類生存面臨更加緊迫的威脅，真空能泡可能在明年到來之前就撞到我們身上，但是這種可能性只有1/10130。

處于中間狀態(tài)的情況特別有趣：不在泡內(nèi)或泡外，而是在泡的表面。現(xiàn)在想象你是一個(gè)巨大的基本粒子，坐在剛形成的泡上。比如說，我們認(rèn)為你可能是一個(gè)大質(zhì)量弱相互作用粒。

子（WIMP），是你這樣的粒子將星系群聚集在一起。這種粒子的質(zhì)量可能具有質(zhì)子質(zhì)量大約1000倍的量級(jí)。泡壁正在向外加速，向你施加越來越快的加速度。你會(huì)覺得加速度是地球表面重力加速度的1034倍，而宇航員在宇宙飛船上只能忍受10倍的重力加速度。作為一個(gè)基本粒子，你很堅(jiān)強(qiáng)。

根據(jù)愛因斯坦的等效原則，運(yùn)動(dòng)引起的加速度（如火箭起動(dòng)自己的發(fā)動(dòng)機(jī)）和重力加速度（如在地球表面）是不可區(qū)分的。你這個(gè)強(qiáng)壯的WIMP粒子，可以認(rèn)為你不是坐在加速的玻璃狀真空泡上，而是在一個(gè)半徑為10-16厘米的巨大的玻璃球行星上。如果你應(yīng)用牛頓的法則，從你的加速度（1034重力加速度）和你的測(cè)量半徑10-16厘米，就會(huì)推斷出你的玻璃泡行星質(zhì)量為150萬噸。

隨著泡壁向外推動(dòng)，你越來越接近光速，你的時(shí)鐘會(huì)越來越慢，運(yùn)動(dòng)方向的長度會(huì)縮小，你的同時(shí)性概念也會(huì)改變，這是狹義相對(duì)論的影響。當(dāng)你接近光速時(shí)，你會(huì)感覺到當(dāng)時(shí)的時(shí)間與制造泡沫的時(shí)間相同。由于長度縮小，你也會(huì)覺得你距離泡沫的中心和最初一樣遠(yuǎn)。

這聽起來有點(diǎn)奇怪，但是你根本體驗(yàn)不到膨脹的泡沫，你會(huì)認(rèn)為泡沫是靜止的，你是坐在一個(gè)固定半徑的巨大的玻璃行星上。

你可能會(huì)好奇，并嘗試進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)。如果你向外發(fā)射光束，它會(huì)逃脫到無限遠(yuǎn)，因?yàn)樗匀粫?huì)超過膨脹的泡壁。但是，如果你保持光束在玻璃行星表面的水平方向，就會(huì)看到它像沿著軌道在表面運(yùn)行一樣，泡沫會(huì)跟著光束向外移動(dòng)而膨脹。如果你以低于光速從表面向上投擲一個(gè)球，那么當(dāng)泡壁繼續(xù)向外加速時(shí)，您最終會(huì)趕上這個(gè)球。

隨著泡的永久擴(kuò)張，這個(gè)宇宙的體積將會(huì)無限制地?cái)U(kuò)展下去

這種情景就是我們今天理解的物理學(xué)規(guī)律的作用。但是，阿卡尼·哈米德認(rèn)為，在極高的能量下可能會(huì)有其他的作用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了物理學(xué)家利用發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)來探測(cè)的這些效應(yīng)。如果是這樣的話，我們可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)地逃脫了以前計(jì)算的那種泡災(zāi)。根據(jù)斯坦福大學(xué)宇宙學(xué)家安德烈·林德的觀點(diǎn)，我們可能會(huì)看到僅僅1034年之后，在我們可見的宇宙內(nèi)形成很多泡。

額外的高能物理效應(yīng)也將以一種相當(dāng)有趣的方式改變泡內(nèi)的條件。在這種情況下，我們期望泡內(nèi)的真空能量小于目前7×10-30克/立方厘米的真空能量密度，但是會(huì)大于0。這樣的泡還會(huì)永遠(yuǎn)擴(kuò)大。泡內(nèi)的正密度將小于外部，所以外面更大的負(fù)壓會(huì)占上風(fēng)并將泡壁永遠(yuǎn)向外拉，泡壁會(huì)更快地加速到接近光速。

但是，泡內(nèi)的日子就不會(huì)那么悲慘了。從理論上來講，低正真空能量可以衰減成粒子，泡內(nèi)會(huì)形成一個(gè)自給自足的宇宙。隨著氣泡永遠(yuǎn)擴(kuò)大，這個(gè)宇宙的體積將無限增加，理論上可以形成無限數(shù)量的低能“星系”或其他物體。

1981年，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家艾倫·古斯發(fā)明了一種膨脹理論，提出當(dāng)我們的宇宙首次形成時(shí)，有一個(gè)非常高的真空能量和非常高的負(fù)真空壓力的短暫時(shí)期。在這個(gè)早期階段，宇宙非常迅速地膨脹，其體積可能每3×10-38秒翻一番。這個(gè)膨脹理論解決了宇宙學(xué)中的許多重大謎團(tuán)，但是也給自身帶來了一些問題。哈佛大學(xué)的西德尼·科爾曼表示，這樣一個(gè)真空狀態(tài)會(huì)通過形成泡而衰退，就像我們?cè)谶@里討論的情況一樣。大量的低密度泡的膨脹極其不均勻，而我們可以觀察到的宇宙總體上比較平滑。

一年后，我提出了一個(gè)解決方案：也許我們的宇宙只是不斷擴(kuò)大的泡之一。在其中一個(gè)泡的內(nèi)部，宇宙會(huì)顯得均衡一致，因?yàn)槲覀冎粫?huì)看到我們自己的那個(gè)泡以及之前一致擴(kuò)充的泡沫海洋?；谶@個(gè)觀點(diǎn)，我提出我們的宇宙只是在高密度膨脹的海洋中形成和膨脹的無數(shù)泡沫宇宙之一。

在很短的時(shí)間內(nèi)，林德和另外兩位物理學(xué)家，加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的安德里亞斯·阿爾布雷希特和普林斯頓大學(xué)的保羅·斯坦哈特分別發(fā)表了自己的論文。他們提出了詳細(xì)的粒子物理學(xué)場(chǎng)景，其中有這樣的泡狀多元宇宙出現(xiàn)。這個(gè)方案被稱為新膨脹論，解決了古斯的問題。

膨脹應(yīng)該永遠(yuǎn)持續(xù)下去，創(chuàng)造出永遠(yuǎn)產(chǎn)生泡沫宇宙的多元宇宙

1982年晚些時(shí)候，劍橋大學(xué)的斯蒂芬·霍金撰寫了一篇關(guān)于單泡膨脹的文章，其中參考了我們的論文。他注意到，一個(gè)快速膨脹的泡將產(chǎn)生隨機(jī)的量子波動(dòng)，這將得到極度拉伸而成為大型結(jié)構(gòu)。1986年，我與同事阿德里安·梅洛特和馬克·迪金森一起，說明這樣的結(jié)構(gòu)自然會(huì)產(chǎn)生與星系絲狀結(jié)構(gòu)聯(lián)系的海綿狀星團(tuán)。自此之后，這種模式已經(jīng)被許多大型宇宙調(diào)查證實(shí)，被稱為宇宙網(wǎng)。

早期的宇宙膨脹理論解釋了宇宙在138億年前大爆炸最初時(shí)期開始膨脹的情形，并以美麗的細(xì)節(jié)描述了我們?cè)谖⒉ū尘跋驴吹降拇蟊ǖ奈⑿〔▌?dòng)。膨脹說的成功使我們相信，我們的宇宙是從一個(gè)非常高密度的真空狀態(tài)出現(xiàn)的，伴隨著同等量級(jí)的負(fù)壓，一旦開始膨脹，就很難停下來。膨脹應(yīng)該永遠(yuǎn)持續(xù)下去，創(chuàng)造出永遠(yuǎn)產(chǎn)生泡沫宇宙的多元宇宙。

到這里，我們的故事應(yīng)該畫上一個(gè)句號(hào)了。也許我們不必揣測(cè)泡沫里面的生活是什么樣的，這可能是我們知道的唯一現(xiàn)實(shí)。