摘自《环宇孤心》 13、不情愿的宇宙学家 和 14、免费的午餐

13、不情愿的宇宙学家
在大苹果①的三年，古思已成为对称破裂的专家，能熟练计算希格斯场在冻结时的扭曲数学值并试图把其中的皱褶弄平。1977年，当他在哥伦比亚的任期快结束的时候，他感到自己有了一些进展。他们的小组发表了几篇论文。这时他拒绝了洛克菲勒大学提供给他的博士后任期。
①纽约市的绰号。
“在哈佛，我被认为是一个助理教授职位的最后人选，这就等于判了我死刑。”他有些讥讽地说。众所周知，哈佛的助理教授不可能在哈佛长期任教。幸运的是，古思逃脱了。哈佛从康奈尔大学聘了两个人，这样就在康奈尔空出了一个职位。于是，古思得到了康奈尔的三年博士后任期。
古思夫妇再次整装，向北部前进。这时苏姗已经怀孕。过了曼哈顿，伊萨卡显得又冷清又狭小。这是他第三次做博士后。他在这条道路上似乎走得长了些。我问古思。当他的同伴都在赚大钱时，他为什么能保持如此乐观？“在我的记忆中，我没有失望过。这也许看起来有些奇怪，”他承认说，“我并不担心是否能有个稳定的工作。我只要能搞物理就行了，不想操心将来的事儿。”
古思一向就爱回避物理学的热门话题，这一次照例还是这样。当温伯格、格拉肖和萨拉姆的电弱理论已经向诺贝尔奖发起最后攻势时，古思才刚刚涉足这个理论的浅层研究，他决定放弃这个课题。尽管他从哥伦比亚带来了一些工作，他还是打算回到夸克的研究。

这一次，他的决定是明智的。古思在康奈尔的第二年，亨利·泰伊来了。泰伊出生在香港，在麻省理工学院比古思晚两届。他曾经作为博士后在斯坦福直线加速器中心和费米实验室搞过研究，试图预测高速运动的摹本粒子撞击的后果。当时康奈尔正在建造电子和正电子对撞的加速器，需要泰伊来工作。可当他1978年到那里时，设备还没有安装好。泰伊急于想搞一些基础性的研究，比如宇宙学，他需要一个搭档。
泰伊的记忆中，古思非常聪明，和他在一起探讨问题总是很有意思。他非常高兴地看到，做了多年博士后的古思仍然和以前一样，仍然对物理学充满了孩子般的热情。他周围的人都泄气了，担心搞不出什么名堂，纷纷退出经商去了。泰伊认为最容易泄气的应是古思，但相反，他依旧热情似火，才华横溢。古思觉得这其中一半的成绩应归功于苏姗，一个不折不扣的支持者。
泰伊也对磁单极感兴趣，但他比古思在哥伦比亚的伙伴们的视野要开阔。尽管他对磁单极不了解，但他知道从哪里人手。一天，他问古思磁单极是否可以在大统一理论中产生。
古思天真地问，“什么是大统一理论？”其实，大统一理论，简称GUTs，是物理学中最热门的话题。泰伊的解释是，大统一理论试图把三种量子力——电磁力、弱力和强力——统一到一起，就像电弱理论把电磁力和弱力统一起来一样。大统一理论中有两个对称破裂阶段。首先，强力和电弱力分离，它们各具特点；然后，电弱力按相同的方式分裂成它现在的组成部分。所以根据大统一理论，在宇宙史最早的那个瞬间，希格斯场至少有两个机会可以和能量块儿结合在一起。古思点了点头。于是泰伊开始给古思讲授大统一理论——不是理论的全部，而是能让他们着手进行单极子问题的研究就可以了。
从这以后，古思的研究开始突飞猛进。
早期的大统一理论是格拉肖和他哈佛的同事霍华德·格奥尔吉的智力产儿。在所谓的规范理论中，这是继使物理学家激动无比的电弱统一理论成功之后的第二个步骤。原理是一样的。根据这些理论，每一个所谓的基本力对应一种对称性。格拉肖认为，弱力和电磁力的对称是一种更广义的对称的一部分。他和格奥尔吉的推理是，电弱力和强力对称性本身还有可能是一个更深层次和更广泛意义的自然界对称的一部分。
下面就是物理学家写出的地址：我们住在……的室女座超星团，本星系群，银河星系，太阳系，地球，北美洲，美国，纽约州，纽约市，曼哈顿岛，西第四大街。弱力是电弱力的一部分，电弱力是大统一力的一部分，大统一力是原始超大统一力的一部分（如果它们能在引力作用下凝聚到一起），依次类推。在理论上，他和格奥尔吉总是可以借助更广泛意义和更强大的原则（直到没有力为止），把更多的基本力包合在大统一模式中。

法国数学家埃利·卡尔唐用了大半生的时间，把对称性的各种可能表现形式进行列表和分类。从最简单的镜中物体的对称，到496维度的旋转对称。电磁属于一种比较简单的对称——圆圈的旋转。弱力和强力可以表示成某种二维和三维的旋转。
为了构建他们的理论，格奥尔吉和格拉肖利用了卡尔唐的对称性列表。能够把电磁力、弱力和强力包含在一起的最简单的对称形式叫做SU(5)，它是五维数学空间的某种旋转。
这个理论还把夸克（能组成类似质子和中子的重粒子）和较轻粒子（所谓的轻子，比如电子和中微子）视为兄弟。现有的这些不同种类的粒子、夸克和轻子，可以通过交换X玻色子（一种重量较大，能传递力的粒子）相互转化。这就意味着，中微子和电子的种类数应该和夸克的种类数一样，也就是说，施拉姆、冈恩和斯泰格曼对中微子种类的确定具有重要的意义。
夸克和其他较轻粒子之间的可互换性，有两个重要的后果，一个关于宇宙的过去，另一个关于宇宙的将来。在膨胀的宇宙中，这是一个漏掉的因素，它可以解释早期宇宙中物质和反物质的不匹配是怎样演化的。在大统一的极高能量下，物质或者反物质可以独自地毁灭和生成：一个质子没有必要一定遇到一个反质子才灭亡——它可以自行解体。从长远的观点看，这是对由普通物质形成的宇宙，即由原子、星球、苹果和宝马车构成的宇宙，宣判了死刑。这意味着，我们熟知和喜爱的构成物质的质子，最终会不稳定地辐射；最后在1030年以后，如果宇宙能坚持到那时，质子会释放出X玻色子而消散。在命途多舛的永恒宇宙中，物质只是瞬间的存在，只是昙花一现；任何东西都不会保留下来，包括米开朗基罗、巴赫或特朗普的作品。所有的文字材料都将不复存在，墨水中的原子会消散，纸张也会消散；所有计算机的存储器也都将灰飞烟灭。
根据计算结果，力的大统一需要的温度是l022K或能量是1014京电子伏，这样才能使对称恢复并被直接观察到。这个能量是费米实验室改进后能量的1000亿倍。瓦格斯认为一个粒子加速器需要用几光年的时间才能达到这个能量。物理学家们检测大统一理论的惟一希望，就是那个可怜人的加速器——宇宙。1016京电子伏的温度对应的是大爆炸中刚刚10-35秒时的宇宙，当时它只有葡萄柚大小。大统一理论打开了一条通向时间联想王国的道路，这使得电弱力和核合成的时代看起来是那么得久远。如果有可能，现在我们可以把宇宙膨胀的电影回放到第一秒中的某个时刻，那时的万物只是一个火花，一颗精巧的压缩着无限可能性的种子。
如果我们把时间进行切分，量子不确定性可以决定我们能在多大程度上接近那个假设的开端——奇点。在大爆炸后兆兆兆分之一的千万分之一秒时，写下的数字是10-43，有一个普朗克时间。这时，时空几何中的量子不确定性和宇宙一样大，这就意味着，小于这一点的时空是不可理解的。它们和没有测到方位或运动的电子一样，呆在那个被人遗忘的角落。
随着70年代末大统一理论的出现，引力变得不再适合，它成为量子扔球游戏中惟一无法解释的力。被惠勒称为前几何的所有定律的定律，也就是使宇宙飞起来的原理，仍然是无法想像的，但它至少不再是一个荒诞的思想。有这样的可能，在统一理论的数学范围内，引力被某种更广义更强大的对称性包围着。有些人半开玩笑地把它称为“全能理论”。在费米园地的宇宙历史中，宇宙肇始时的对称性遮掩了一切，然后宇宙就走下坡路了。在普朗克时间以前，可能讲同一种语言（已消失）的广义相对论和量子理论，在这之后开始讲不同的语言。
随着宇宙的膨胀和冷却，它内部的能量———个辐射和粒子密集的地狱——在减少；每当温度降到临界值以下，就出现一次相位跃迁。这期间，各种力不断地分裂再分裂。物理学定律一点点变得不对称了。
据估计，引力是在宇宙第10-43秒，温度是1022K时，退出原始统一体的。这是第一次分裂，之后宇宙受两个规则的统辖：引力和大统一理论。然后是强力，最后是弱力和电磁力分裂出来。当宇宙到了10亿分之一秒时，根据标准物理学，兴盛的宇宙中有四种力和大约24种基本粒子在喧嚣。
这个模式中的第二次分裂。是宇宙在10-35秒，大小是葡萄柚时发生的，大统一力分裂为强力和电弱力。也正是在这个时刻，泰伊考虑希格斯场是否会和单极于连到一起。

他和古思白天讨论，然后古思晚上回到家在厨房的桌子上进行计算。古思的习惯是个夜猫子。他总是工作到很晚，在实验室的笔记本上，用清秀的字迹刻苦地钻研着方程式。他在一步步地接近答案。第二天，他回到办公室和泰伊对笔记。当然他还要接电话，要接待客人，要参加各种研讨会。问题会提出，矛盾会出现。他如饥似渴地学习着统一理论。
“我想当亨利向我介绍SU(5)大统一理论的时候，我很惊叹，一个简单的理论竟能容纳这么多物理学的东西。”
几周以后，他所学的知识已经足够能回答泰伊的问题了。确实，单极子可以在SU(5)对称性破裂的过程中形成。但古思的深入研究表明，对于基本粒子来说，单极子的重量异乎寻常的大，质量-能量相当于1016京电子伏，所以一个单极子的重量相当于10000兆个质子，相当于一个细菌——一个小生物了。
这说明，单极子没有什么魅力了，古思解释道，就像大统一理论预测的其他疯狂的重粒子一样。一般来讲，物理学侧重的是粒子加速器可以到达的，能量相对较低的情况下理论所能预测的东西——这样你可以做实验，检测这些想法。
泰伊没有被难住。“为什么我们不试着计算一下大爆炸中产生了多少这样的磁单极子呢？”他建议说。
古思吓了一跳。“起初，我对摘这样一项工作是很警惕的，”他狡黠地笑着说。“这个工作与以前所做的完全不同，因为这是一个没有答案的题目。尽管当时我不置疑大爆炸的存在，但我的确认为我们对它的细节了解得太少太少，要解决像产生了多少单极子这样的问题几乎是不可能的。”1978年到1979年的冬天，泰伊不断地和古思唠叨这个事情，但没有什么结果。
古思想法的改变一部分要得益于温伯格对康奈尔进行的一次春季拜访。温伯格把研究宇宙学作为一种爱好，并鼓励其他的人也加人进来。拜访期间，他做了一系列有关大统一理论如何能解释宇宙中物质和反物质不平衡的讲座。除了特纳、科尔布和其他许多人以外，他也在搞基本粒子起源的研究，采用的是霍伊尔和福勒研究元素起源和丰度的方法。如果我们能对大统一理论物理学和早期宇宙的详情做出合理的推测，那么计算的结果应该与我们从微波背景辐射中做出的推测大体一致：宇宙中，每一个质子大约对应10亿个光子，而且根本不存在反质子——反物质。这个物理学的伟大胜利对泰伊的触动很大。一旦你认为宇宙中盛行物质而没有反物质的问题属于物理学领域而不是神学领域时，他说，你就必须要想到某种大统一理论了。
这个思想甚至对古思触动也很大。“很大程度上由于受到了斯蒂芬的影响，我才认为也许宇宙学的确值得一个受人尊敬的物理学家去研究，并得出合理的结论。”他说。
在温伯格的拜访期间，有一次古思和他，还有其他一些人谈起了对称性破裂和希格斯场的问题。宇宙学中的希格斯场会是什么样子的呢？有人问。在太空里的所有地方它们会取向一致吗？或者会有域壁分隔出不同的区域吗？这些人认为这是一个有趣的题目，如果能找到答案就太好了。
古思受到的另一个间接的、有点儿预先警世作用的影响是1978年罗伯特·迪克对康奈尔的拜访和所做的讲座。迪克描述了他和皮布尔斯论文中提到的难题和矛盾，就是那个所谓的平面问题。古思听得很仔细，但他对此的领悟是后来的事情。
“听这个讲座时，我还没有考虑搞宇宙学研究。”古思谈到迪克的讲座时这样说，“当时觉得新奇，尽管和我的研究没有关系，但我还是受到了很大的影响。他论述的问题是，对大爆炸后一秒时宇宙的膨胀速度应该进行精确计算。我记得他给出的数字是小于1014。如果这个速度小于1014，比实际的速度大，宇宙就会飘散，不会有星系的形成。如果宇宙的膨胀速度小于1014，比实际的速度小，宇宙早就坍塌了。”这就是他的头脑中关于所谓的宇宙科学的一个新奇的想法。
最后，古思向泰伊屈服了。
一次我问古思，在长达几个月的时间里，泰伊为什么不先搞起这个研究，自己进行计算呢？“这个嘛，他当时还有别的工作。我可没说，好像他整天做的事就是催我搞这个研究，”他说，“大多数的粒子理论学者喜欢小组合作搞科研，亨利当然也一样。几乎所有他写的论文都是与别人合作的，我的也是一样。”
他停了一会儿。“独自完成什么是有困难的。如果很多人一起解决问题，你的进步会很快。我们的合作很好地说明了这一点。有时惟一痛苦的事就是，如果你想坐下来写点东西，休得把草稿给很多人传看，还要和每一个人商讨。有时这是件痛苦的事。”
古思和泰伊通过计算互相促进。快到夏天时，他们已经对早期的粗略测算进行了整理，并逐渐相信大统一理论将推理出充斥在宇宙中的单极子和质子一样多。
这是一个坏消息。首先，根据实验的推测，要探测到这么多种的单极子是件出奇困难的事情。其次，由于每一个假想的单极于的重量相当于10000兆个质子，这么大数量单极子的总重量早在几十亿年以前就把宇宙毁掉了，并把它拖回大坍塌。事实上，单极子密集的宇宙的预计寿命大约是6000年。
实际上，这是个很重要的消息——如果这是正确的，就注定了大统一理论的毁灭。这个理论预测到了单极子，但实际上宇宙中没有单极子。可怜人的粒子加速器已经说话了。
当古思和泰伊还在琢磨这个消息的重要性时，他们发现温伯格的学生约翰·普雷斯基也在做相同的计算。他们被别人抢了先。他们很大度地把他邀请到康奈尔，发现他已经得出相同的答案。普雷斯基确信他已经否定了大统一理论；大量的单极子与150亿年的宇宙不相称。他回到家后发表了一篇很快成为宇宙学经典的论文。
古思和泰伊很自责，也许他们过于谨慎了。“为什么我们没有早一点儿发表呢？我认为我们对这个问题还没有理解透彻。”古思笑着说。他们不想写出一篇只是摆出问题的论文。他们决定，与其在SU(5)的坟墓上跳舞，不如下决心解决单极子的问题。“他的论文发表以后，我觉得我和亨利还有必要说一些他没有说出的东西，所以我们睫后的工作一直围绕着这个问题：有多少种可能会导致大量磁单极子的产生？”
他们的解决办法利用了希格斯场和一杯水之间的另外一个物理学上的类似，叫做过度冷却。物理学家们知道，如果他们非常小心的话，是可以使一杯水冷却到32华氏度以下仍保持液态，只要水不受外界影响，这个状态就会持续。敲击杯子或是晃动杯子都会使这种状态结束，水会迅速结成冰，这就是正常的过度冷却。古思和泰伊的推理是，希格斯场可能会经历宇宙过度冷却的过程。
他们说，假设当宇宙冷却到临界温度1027度以下，希格斯场没有马上结冰，而是保持了一段时间的对称状态。在这段延续的时间里，尽管宇宙在膨胀和冷却，但它还继续保持大统一物理学的简单状态。如果这段延续时间仅仅在兆分之一秒以内，最终当希格斯场结冰并和单极子块儿连接时。宇宙就会有一段较长的时问来做调整。结果是，只有很少的单极子块儿形成——也许这就解释了今天宇宙中单极子的缺少。
“我们觉得有点儿奇怪，”古思回忆说。“相位跃迁对我来说是个新的东西。我感到有些不自在，因为我知道，有许多物质压缩方面的物理学家在这方面比我懂得多得多。”
在这一点上，他们不是完全孤立的。其他一些粒子物理学家，像哈佛著名的西德尼·科尔曼也在研究这种可能性，是否在对称破裂过程中有一段“耽搁”，也就是对宇宙冷却作出的迟缓的反应。他把这种短暂的完美，也就是宇宙继续有对称性的支持，称为“假真空”。
古思在剑桥时就认识科尔曼，且对假真空的概念比较熟悉。他和泰伊认为，假真空的这段插曲可以延迟单极子的产生，延迟的这段时间足以使它们安全地分散开。初步的计算结果让人充满信心，当秋天快来时，古思变得越来越兴奋。他知道这是物理学中重要的一点。这些计算并不是有关玩具模型或是过时理论的技术性的练习；他和泰伊正在探求我们这个时代最有前景的理论的深层后果。通过追寻一种不存在的粒子的踪迹，古思悄悄地驶入了未知的领域。他所学的东西是任何人都不曾知道的。
就宇宙学而言，古思发现自己走在了队伍的前面，是的，这看起来并不很糟糕，或很草率。正如泰伊经常说的，当你真正钻了进去，做了计算，宇宙学就会显得惊人地有限：它很难对所有的思想做出解答。

“那天晚上，我真的很兴奋，”古思回忆道，“我的确意识到，哦，我是说，我对整个的事情感到惊惶。我虽然不自信取得了什么成果，但我预感到也许取得了什么成果，并因此很激动。”
是的，那一晚的工作是有趣的，他也的确取得了成果。如果古思是正确的，到那时为止我们记述的整个宇宙史就是错误的。宇宙并不是像爆炸那样膨胀，开始速度快，然后逐渐地趋于平稳，速度减慢，显然它是在痉挛似地膨胀。宇宙膨胀的速度没有放慢，而是至少有一次或几次在加速。这种加速的宇宙学后果是巨大的，但古思用了很长时间才认识到这一点，一个原因是，他对宇宙学的了解太少了。
一个重要的新闻是，如果古思是正确的，那么宇宙的广大是让人难以置信的。是任何天文学家不敢想像的。宇宙在以指数成倍增长时，速度是惊人的，就在一眨眼的瞬间，今天我们从望远镜中观测到的宇宙就从大爆炸一个比质子还小的碎片中喷发出来。这里有必要对可观测宇宙和真实宇宙加以区分，可观测宇宙是真实宇宙中微不足道、甚至不具任何代表性的一部分。谁会料想到，在粒子物理学家寻求物理学隐藏的美时，顺畅地找到的对称破裂这个细节会给宇宙带来如此混乱的影响？当然，这也会影响到单极子，在这次特级膨胀爆发后，它们被喷洒得相距有几十光年远。
古思的大脑还在超时地运转。当他刷牙准备上床睡觉时，他的思绪回到了1978年迪克在康奈尔作的一个深奥的讲座，那时古思还不是宇宙学家。迪克的困惑是。宇宙的密度无论是出于计算方便还是出于巧合，都太接近那个有魔力的值1.0了。几何上讲，这等于在问，当平衡的任何偏离都会使时空皱折或弯曲的时候，时空是如何保持平面状态的。这时古思的脑子里装满了膨胀宇宙的方程式，他隐约意识到，把这种向外的飞逝退回到微观时间也许能解释这个问题。
转天早晨起床后，他骑着自行车，呼吸着半岛上清爽的空气，准时到达办公室，他熟练地打开笔记本，在新的一页上写道：
惊人的发现：这种过度冷却可以解释为什么今天的宇宙是难以置信的平坦——因此可以解决鲍伯·迪克在爱因斯坦纪念日的讲座中提出的困惑。
然后，他给这段文字圈了两个方框，又开始算起来。
下面这个例子将又一次说明，头脑中的画面并不是总有帮助。数学上，在加速膨胀的过程中，欧米嘎受引力作用很快达到完美的平衡值1.0。古思和其他许多宇宙学家认为，思考这个问题最好的方法是把宇宙想像成一个表面上点缀有星系的气球。桑德奇小组和冈恩小组认为，我们用望远镜看到的是气球很大的一部分——要记住，“气球”可以是内凹、中凸，或是任何其他形状的——但这是错误的。在暴胀中，宇宙这个气球被发疯的假真空能量吹得很庞大。古思的结论是，我们所看到的实际只是宇宙无限小的一部分，是当大统一理论对称破裂或者将要破裂时量级比原子还小的小碎片。这个碎片看起来应该是乎坦的，因为任何弯曲的表面，在你仔细观察其足够小的～部分时，看起来都是平坦的。因此橄榄球队员在打三分球和前场长传时，没有必要把地球的弯曲度考虑进去。古思得出结论，宇宙之所以看起来是这样，因为它太大了，被假真空的炸弹吹得有点儿像一个磨得光秃秃的轮胎。
当然，桑德奇小组和冈恩小组并不认为宇宙是平坦的。经过几十年望远镜的观测，他们想说明，可观测的宇宙是明显内凹的，还只需要10%的质量密度就可以使宇宙变平坦。一方面，如皮布尔斯和迪克指出，差10%已经与整体很接近了，在大爆炸中是微不足道的，不值得理论学家们对它吹毛求疵。另一方面，古思的理论预测，今天的欧米嘎应正好是1.0，这使得那个失踪的10%成为一个显著的异例。1979年以后，理论学家越来越把观测者的任务视为使欧米嘎接近1.0，找到以前没有发现的质量一能量，使宇宙和理论的预测一致起来。而观测者则认为理论家与现实脱离得越来越远。
古思兴奋地给泰伊打电话，告诉他这个有趣的膨胀。泰伊半信半疑。他不想因为添加这个讨论而使论文耽搁的时间过长。古思问泰伊是否介意自己先进行这个课题的研究。
古思知道，他和泰伊的关于过度冷却的论文如果不描述其对宇宙膨胀速度的影响就给予发表的话，是冒风险的。任何看了论文的有经验的宇宙学家都会进行他刚刚做的计算。其实，他和泰伊已经了解到至少还有一个小组在做相同的工作。

下一步古思去找科尔曼，他好像对古思的计算结果很感兴趣，这一点让人鼓舞。经过两天的计算，他逐渐认识到整个事情是错误的。他用了两个星期的时间才重新振作起来。
现在，他把全部的时间都投入“暴胀”的研究，他给自己的发现起了这样的名字。他也记不清是什么时候想出这个词的。“暴胀通常是经济学的用语，但宇宙确实好像在急剧膨胀，所以这个词也很合适。”古思的信心和对宇宙学的感悟力在不断增强。
1月初，在斯坦福直线加速器中心餐厅的饭桌上，一些物理学家开始讨论宇宙学的另外一个难题。这就是天文学家称为视界的问题：正如宇宙背景辐射的均衡性所证明，宇宙为什么如此均匀呢？
古思让他的朋友给他解释这个问题，这使得他更加兴奋了。现在他认识到，宇宙尺度的难题是可以由暴胀理论来解决的。当他回到家里的书房时，确信视界确实是一个问题，同时也意识到暴胀确实是这个问题的答案。
古思认识到，这个问题和大爆炸其他难题出现的原因是，当我们把宇宙的大小在时间上往后推的时候，传统的大爆炸理论的假设是，宇宙是以缓慢降低的速度膨胀。然而，暴胀给了宇宙一个突发力，使宇宙是由一个非常小的种子爆发而来的说法成为可能。如果古思的理论是正确的，就意味着，可见宇宙——到那时为止，天文学家认为我们置身其中的这个宇宙——的起源是一个比所有天文学家想像的都要小许多的原始火球的斑点。
占思预见到，从那个斑点开始，随之而来的将是巨大的宇宙学和天文学后果。原始斑点太小了，以至于先前任何不稳定的小点儿都已经消失。比如，在当时的温度下，任何小点儿周围的撞击和摇摆都会被巨大的膨胀因素烫平，就像人变胖以后，脸上的皱纹被抚平一样，于是暴胀后的时空看起来没有皱折，甚至像网球场一样平整。单极子被稀释为每个可见宇宙只有一个。简言之，几乎可以得出，无论宇宙是如何开始的，暴胀理论保证它的结果，用古思的话说，一定是“平淡的”。
对于初始原理来说，暴胀是一个令人振奋的胜利。在科学中，显而易见的问题是最难看到——最难提出——因而也是最难回答的。经过在粒子物理学边缘短短一个月的论证，古思已经在原则上征服了宇宙学家从来没有足够的勇气和洞察力提出的三个问题。
当泰伊从中国回来时，发现古思已经变成一个“狂热的宇宙学家”，他像一个拿着新玩具在斯坦福直线加速器中心周围奔跑的孩子。有一段时间，苏姗·古思发现，她的丈夫在和泰伊投入到这项研究之后，变得越来越兴奋了，但不知道因为什么。后来直到1979年12月份，她才意识到他们的研究有了重人的转机。艾伦·古思不是那种冲回家里或冲入隔壁办公室里大喊发生了大事的人。他从没有告诉过妻子，他已经使宇宙翻了个个儿。
到了1月下旬，他已经准备好向全世界宣布了。

14、免费的午餐
自从加莫夫试图用核反应解释大爆炸以来，粒子物理学和宇宙学走得越来越近。天体物理学家已经学会利用越来越小和越来越奇怪的东西来阐释宇宙。当理论学家的研究在时间上一步步倒回宇宙肇始的时候，原子、微波光子、夸克和中微子都在中央舞台上亮相。1980年1月底，缓缓涌进斯坦福直线加速器中心会议大厅的科学家们还不知道，他们即将见证这样两个概念——极其大的和极其小的——神奇而又漫长的圆满结合；他们即将见证，在会议室前排坐着的那个狡黠而紧张地笑着的不知名的博士后将重创宇宙，宇宙不是来自亚原子粒子或作用力之中，而是来自这些粒子和作用力驰骋的真空之中。简言之，宇宙从虚无中诞生。

古思在即将为人瞩目的这一天显得有些紧张，但他充满信心。这之前的几天他一直在读天文学方面的书。他就像一个知道自己做对了考试中最难的题目的孩子，自然而然地表现出一种自负。这次，他的主题是存在本身。
古思描述的场景从普朗克时间以后不久开始。起源于能量适当的火球或是完全混沌的宇宙——无论是哪一种情况——现在正在膨胀和冷却。引力已经显而易见，但强力、弱力和电磁力仍被束缚在大统一体中。在孕育着原始时空的蠕动的混沌中，温度降到l027K以下，这正是大统一对称应该破裂的时刻。但事实上，希格斯场存在其间，一个斑点一样的质子大小的空间在过度冷却。对称性在不祥的沉寂中徘徊。
在那个极小的区域里有相当于大约20磅的假真空，它在积蓄着希格斯能量。它受到一种超级爆炸力的推动，像50年代科幻电影中疯狂的变形虫一样开始成倍地增长。每隔10-34秒，这个气泡就增成两倍，内部的能量就增到8倍。大约在那个质子大小的原始气泡肿胀到一个葡萄柚大小时，也就是顷刻之间，在暴胀的气泡中的某个地方，对称性最终破裂，希格斯场冻结，“真实真空”的小口袋开始出现，就像沸水中的气泡。已经开始的相位跃迁像水痘一样蔓延开来。真实真空的气泡在暴胀的宇宙中向外散开并相互结合。在气泡内部，随着对称性的破裂和假真空衰变为真实真空，希格斯能量凝聚为真正的物质和辐射。就是这些物质和能量将来有一天会变成氢、氦、星系、花朵和人类。古思鼓吹道，“显然，暴胀对宇宙中所有物质和能量的生成提供了第一可信的科学解释。”
暴胀过程中不断充斥在宇宙中的希格斯能量是从哪儿来的呢？正如古思所解释的，这就是广义相对论出色的特征之一。在任何一个宇宙模型中，能量都由两部分组成。一部分是与宇宙中的物质和辐射有关的质量-能量；另一部分是使所有东西相互吸引的引力场能量。数学上，引力场代表的是负能量，因为你必须花费常规能量来克服它，就像火箭燃烧燃料才能脱离地球一样。
“在许多宇宙模型中，”古思解释道，“这种负引力能量能精确地把产生物质的正能量抵消。换句话说，宇宙的总能量为零。”随着宇宙的暴胀，正能量以假真空希格斯能量的形式大量涌入。当暴胀结束时，这种能量凝聚成物质，于是希格斯场的质量，进而宇宙的质量急剧增长，从开始的20磅增长了100个量级。但与此同时，随着一切变得越来越分散，引力能量也变为负能量。所以，宇宙保持着平衡，最终的结果仍是什么都没有。
他停了一会儿，整理着思路，胜利地笑着。“经常说，没有付出就没有获得，但宇宙可以说是最后一顿免费的午餐。”
当暴胀结束的时候，宇宙的年龄大约是10-32秒。接下来的是常规的安静的膨胀。将来某一天成为可观测宇宙的东西，现在是一个均匀膨胀的火球。这个火球的爱因斯坦时空几何形态已经在恢弘的暴胀中被熨平；这个极早极早期宇宙的欧米嘎恰好是1.0。现在，施拉姆、特纳还有皮布尔斯千心万苦写出的“标准的”全部宇宙史展现在了我们的面前。
看起来，古思仅仅用基本定律就成功地刨造了宇宙。除非那根本不是普通的宇宙——而一定意义上，它肯定是那个最普通的宇宙，熨得很平坦，内部成分很近似。
古思和苏姗都不愿回康奈尔做最后一年的博士后。古思决定搞巡回讲座，一方面可以宣扬暴胀理论，另一方面看看是否能弄到一个永久的职位。研讨会好像是对找工作的科学家们的试听，这是一个他们在家人面前炫耀才华的机会。古思开始填写工作申请表。
对自己胆识的回忆使古思振作起来。“当时我确实决定，我要干的工作对于那些感兴趣的人来说是重要的，而且要有挑战性。”古思解释着，身体向后仰，把厚重的鞋底抬到了桌子上。“我以前没有经历过真正的挑战。有时压力袭来，我会很轻松地给别人打电话，告诉人家我要到他们那儿去，其实他们会对我讲的东西感兴趣吗？”
同时，他不断地充实暴胀理论，并发现了一个问题。逃亡式的暴胀并不是按照他所希望的那样有一个美满的结局。他的想像是，一个正常的时空气泡应该钻入假真空，就像沸水锅中的一个气泡，然后平静地膨胀成星系、尘埃、星球和人类。不幸的是，当他进行这部分的计算时，这个理论形成的气泡太小，小得不可能演变成任何类似今天的宇宙的东西。古思必须要想办法使这些气泡融合。他需要把大约1030个彼此分离的气泡结合成一个宇宙。它们在大爆炸的沸水锅里会相遇并融合吗？
问题的答案存在于一个叫渗滤理论的烦人的数学分支中，这对于古思这个数学天才来说也是棘手的问题。于是他在讲学中各处搜寻数学家，也许他们能告诉他，他所宣扬的理论是否有致命的缺陷。同时，他并不放弃自己的观点。他坚信这个理论会成功，它不可能不成功。
那年春天，一个讲座的任务让他跑遍了全国。现在他已记不清跑了多少个地方，跑了哪些地方。开始在明尼苏达大学，然后是费米实验室、哈佛、普林斯顿、康奈尔、宾夕法尼亚大学、马里兰大学和纽约市的某个地方——他记不清是哥伦比亚大学，还是洛克菲勒大学。
人们对古思的思想一开始反应极好。这要得益于科尔曼，他已经成为古思的宣传者。“我觉得这是一个极大的帮助，”古思说，“不然的话，人们是不可能听我的讲座的。总的来说，粒子物理学领域好像因为这个思想而荣耀起来。我想，天体物理学家是经过了很长时间才愿意接受这个想法的。”
最后，他在康奈尔找到了一位数学家。叫哈里·凯斯滕。他向古思展示了如何解决渗滤问题，但没有成功。互相碰撞的气泡会破坏暴胀创造的和谐统一，留下一个噩梦般的、向一边倒的宇宙。看来，他被难住了，宇宙会无限地暴胀下去。
对他来说，幸运的事是，明尼苏达大学、宾夕法尼亚大学、哈佛，还有其他一些学校同时接受了他的工作申请。挑战自己一向是古思的特点。他于是给在麻省理工学院的一个朋友打电话，说他的母校应该让他回去。“麻省理工学院接受我以后，我逐渐发现这个模型不成功。”古思说。
然而那时，古思坚信暴胀的力量能够创造我们今天的宇宙，并能解决许多难题。尽管暴胀理论开始是解决宇宙问题的答案，后来变为对这个答案的规范，古思仍然充满信心。认为从某个角度去看这个理论，一定会取得成功。8月份，他终于把论文寄给了《物理评论》。论文中，他叙述了气泡的问题，并寻求解决的办法。
尽管他的家搬到了麻省理工学院，但他还是不断地出去宣讲暴胀理论。随后的几年，古思继续接受了几乎所有让他演讲的邀请。“在讲过150次以后，我就不做记录了。”他说。
我第一次结识他是在1980年12月份的一个晚上，在巴尔的摩举行的得克萨斯研讨会的会议室里。晚上召开研讨会效果实在不佳。发言都很短，只有15分钟。屋子里很拥挤，吃完饭喝完酒匆匆赶回来的物理学家们脑子直发热。有个人总在打吨，还有个人琢磨着到大街上逛逛，看看巴尔的摩那个声明狼藉的聚集酒吧和衣舞夜总会的地方。
古思被安排在一个小会议室里，里边已经挤进了一大群人。“真让人感到兴奋，”他回忆道，还是那么直爽。脸上还带着中学辩论队员认真的神情。他有胆识，有创造力，比你想像的还要自信。他那么深入地探索躁动神奇的过去的世界，而且比任何信心十足的宇宙学家走得都远。他描述了暴胀的气泡，然后承认他还没有找到这个状态的“完美出口”。没有人能够找出答案。
古思已经争取到一些暴胀理论的追随者。最早的人当中有施拉姆，1978年，他就认为一个平坦的宇宙是爱因斯坦方程的惟一美学意义的解决办法。当然，暴胀理论预测和要求的也是～个平坦的宇宙，所以他喜欢这个观点。1979年秋天，施拉姆拜访了康奈尔并和泰伊进行了交谈。施拉姆令人鼓舞的话传到了在加利福尼亚的古思的耳朵里。他说他知道施拉姆是谁（当然不是因为他们是大学同学），他是从《今日物理》杂志的一篇文章中知道这个名字的。
然而，1980年，特别是在得克萨斯研讨会上，古思走入了其他发现的阴影当中。他的理论尚在形成之中，还没有最后完成。他因急于搞宣传而没有时间对其进行完善。
他的生活中还出现了一些其他的压力。他和苏姗在布鲁克林买了一套公寓，是靠近波士顿郊区的一个繁华地方。这个地方因其完善的学校体制而闻名，并得到麻省理工学院和哈佛大学的人的喜爱。但他们发现卷入了一场和布鲁克林公寓所有权转让限制法有关的纠纷之中，这个法律纠纷耗时长久，他们打了两次官司。

最糟糕的是古思发现自己生病了。在麻省理工学院的第一年中，他的肠胃开始疼痛。这一状况持续起来，结果医生在他的结肠发现了肿瘤。这是个生长缓慢的肿瘤，显然在他身体里已经很多年了。古思说他从没有想过后果会怎样。“我得知这个事情也有一段时间了。”他耸了耸肩解释道。他补充说，“不是没有想过要把它取出来。”1981年夏天，古思接受了手术，结肠被切除。和往常一样，幸运之神又一次降临在古思身上。肿瘤没有扩散的迹象，他没有进行化疗和放疗。古思对这一连串的事情表现得很沉着。“公寓纠纷花的时间几乎和结肠花的时间一样长。”他说。
于是和霍金一样，日常生活对古思来说比对正常人显得有些困难了。然而疾病并没有妨碍他的工作，他说。“回想起来，”他半开玩笑地承认，“这对我的生活最主要的影响是阻止了我去发明新暴胀。”
新暴胀回答了古思暴胀理论中的一些问题。这个理论是1981年12月份的一天，莫斯科理论学家安德烈·林德在给他寄来的信中提到的。那时古思正和他哥伦比亚的老合作者埃里克·温伯格在写一篇关于渗滤问题的论文，试图解释为什么暴胀产生的气泡如此之小，以至于不能形成整个宇宙。当林德的论文稿寄到时，古思浏览了一下摘要，发现其中提到单一气泡的宇宙，这正是他们在驳斥的一个观点，他自己咕哝了一句“简直是胡扯”。
他差点儿把文章搁到一边儿，但还是读了下去。当他意识到林德已经解决了暴胀问题时，变得兴奋起来。
林德解决办法的关键是对称性破裂时希格斯场冻结的方式。在古思、科尔曼和其他人的原始理论中，迟早发生的相位跃迁几乎是稍纵即逝的：希格斯场在顷刻间冻结。林德提出希格斯场的另外一种可能，在这个可能性中冻结的过程是缓慢柔和的。当宇宙进入过冷的状态时，希格斯能量开始缓慢衰变。就像从长长的缓坡上滚落下的小球。在漫长的衰变过程中，宇宙仍然处于假真空状态，充满能量，并继续暴胀。实际上，宇宙是在缓慢地凝结而不是瞬问冻结。
当不断下降的能量水平最终达到零时，暴胀会自己停止。那时，真正的零能量真空，即非对称的时空，会以光速扩展开来。到那时，暴胀已经把一个气泡吹得足够大，足以形成宇宙了。
这是个出色的论证，古思立刻认为它是成功的。古思想，如果自己不对暴胀进行系统阐述的话，也许林德已经发现了暴胀。事实上，林德本人的确发现了暴胀，但他抛弃了。因为他没有意识到这可以解决宇宙的平面性和视界问题，而且他被渗滤问题弄得泄了气。当他了解到古思的思想时，倍受鼓舞，决定从新的角度构建这个理论。这期间，宾夕法尼亚大学的两个物理学家保罗·斯坦哈特和安德烈亚斯·阿尔布雷克也在探索这个想法。林德的论文稿到后不久。他们的论文稿也摆到了古思的桌子上。斯坦哈特一年前见过古思，当时他是哈佛年轻的教授。他认为暴胀理论很优秀，不应该夭折。于是他投入精力开始对这个理论进行拯救。
这件事对古思没有影响，结果却和斯蒂芬·霍金闹了个不愉快。一场围绕谁是“新暴胀”发明者的激烈斗争悄无声息地展开了，斗争一方是霍金，另一方是众多美国宇宙学家。
霍金比较接近莫斯科学派。1981年他去莫斯科拜访了林德，当时林德正在研究新暴胀。那年秋天，霍金到美国接受费城富兰克林学院的奖章。他在德雷克塞尔大学有个讲座。后来他声称自己在那次讲座中提到了林德的想法，并说当时在场的斯坦哈特还把这一观点写进了自己的论文。霍金担心他泄露了朋友林德的秘密。
当斯坦哈特听到对自己的指控时，非常生气。他在宾夕法尼亚只是一个资历很浅的教授，而霍金是剑桥的卢卡斯讲座数学教授，是牛顿和迪拉克曾拥有的职位。他不记得霍金谈过林德的理论。其他听了霍金讲座的美国物理学家也不记得。但是霍金很固执，他一向如此。
当斯坦哈特发现我也知道那场有关新暴胀的争论时，又一次感到气愤。他生气地说，把这件事公之于众，只能更大程度地毁坏他的事业。当霍金在他的畅销书《时间简史》中再次对此事有所讥讽地暗示时，斯坦哈特火冒三丈。他几经周折找到了霍金在费城讲座的录像带，录像带证实霍金确实没有提过林德的新暴胀，于是他给霍金寄去了一盘录像带。霍金宣称这本书以后再版时。对斯坦哈特有所冒犯的这一段内容将被删掉。
特纳是霍金的崇拜者，同时也是斯坦哈特的朋友和合作者。他曾经试图劝说霍金是他冤枉了斯坦哈特，但没有效果。由于霍金的固执和强硬，特纳感到自己对他越来越不抱幻想了，与他的关系显得有些疏远。
后来，1988年在圣芭芭拉举行的一个会议上，霍金走到特纳跟前，问他：“你还打算和我讲话吗？”特纳承认当时他还在生气。霍金主动给《今日物理》写了一封信，刊登在1990年2月份的那期上。霍金称自己从未有意暗示过斯坦哈特剽窃了林德的成果。“我很肯定斯坦哈特和阿尔布雷克的研究是独立于林德的研究的，”他做了这样的结论，“如果因为我以前写的文章给一些人留下了错误的印象，我表示歉意。”斯坦哈特对此并不十分满意，但事情也就这样结束了。这个小事情表明霍金传奇的固执与强硬是有其负面影响的。
霍金·斯坦哈特的争端只是一个开始。当时这些科学家都在你争我抢地要取得暴胀理论给宇宙学带来的最后一个巨奖：得出星系从何而来的答案。根据皮布尔斯这些人的观点，星系是在引力的作用下从小种子或是密度扰动（原始火球中的细小波纹，否则其中的物质和能量的分布是平滑均匀的）中成长起来的。但还没有理论能解释这些波纹的存在，或预测出它们的相对大小和数量。宇宙学家们只是把他们喜欢的数字放入了计算之中。
1982年初，几个人几乎同时顿悟，把暴胀和一个通常不用于宇宙膨胀的概念，即著名的神秘的不确定性原则结合起来，可以解决宇宙起源问题的谜团。根据不确定性原则，希格斯场在太空中不是严格地均匀分布的，而要受到随机量子波动的影响。当暴胀结束，希格斯场凝聚成物质和辐射的时候，这些波动就会在物质能量密度中产生细小的波纹，这也许就是皮布尔斯和泽利多维奇这些星系理论学家早已假设存在的那些波纹。经过一段相当长的时间之后，这些波纹会成长为星系和星团。
也许这就是费米园地的倒数第二个梦想——把整个星系，一个壮观的由上千亿个太阳（宇宙中最大的独立物体）组成的大风车的形成，归因于宇宙在兆兆兆分之一秒时，一个半神秘的任何人不曾看到的作用场中的一个量于波动。最后一个梦想可能就是把宇宙本身描述为某种量子的作用。
很早就有人开始计算导致宇宙从暴胀中产生的实际团块，霍金是其中之一。同时，斯坦哈特和特纳也联合起来做相同的计算。那年春天，霍金发行了一个论文稿，文章称，暴胀确实可以产生大小和数量合适的团块以形成今天的星系；这正是宇宙学博士曾经预言的。但计算是极其困难的。特纳和斯坦哈特得出了另外一个答案，产生于暴胀中的团块太小，而不可能形成星系。谁是正确的呢？

天文学家习惯把他们看到的宇宙——一个从类星体到类星体的星系和星球的小球，直径大概是100亿光年——视为我们生存的宇宙。但如果古思是正确的话，这只是更大更广阔的整体中一个小小的斑点。有时他称之为元宇宙。我们这个暴胀大的气泡，直径可能是几兆光年，而不是几十亿光年。这个气泡以外还会有其他气泡，有许多其他暴胀的宇宙岛正在经历着它们自己的膨胀和演化的英雄史，域壁或是假真空海洋把它们与我们隔离开，它们有自己独立的时空。
当我憧憬着这个伟大的画面时，不禁感到失望。暴胀就像一个损失惨重的胜利，几乎在和我们开玩笑。它使宇宙变得比我想像得更加野蛮，夏加不可理解。“我们的隔壁还有一个伟大的宇宙——让我们去吧。”然而，我们对更加宏伟的宇宙又了解多少呢？能使我们这个温馨的小宇宙保持平滑、安全的进程，也同样能让所有有意思的和基本的东西无望地分散开来，最终超出我们力所能及的范围。对这个魔术我们付出的代价是无知。有5种力或16维的线，壁和区域可能正从几兆光年远的地方以光速朝我们奔来。也许代价就是我们自身的存在，我们生活在一个时代的早期，所有的广袤还没有越过地平线。
宇宙的起源已被抹掉。正如古思所承认的，你永远不可能知道暴胀以前发生了什么。在那一秒极小的部分里，宇宙获得了新生，它的历史被抹去。会有原始创生的痕迹从假真空的爆炸中幸免吗？
暴胀作出的可观测到的预言之一是，可观测宇宙——也就是，我们一直希望看到的暴胀的气泡的一部分——的物质密度，应该无限接近临界密度。我们这个暴胀的气泡的命运取决于欧米嘎是比绝对值1.0大一些还是小一些的那一串小数，取决于宇宙在l060的距离上稍微中凸还是稍微内凹——甚至对桑德奇这样的人来说，这也是一个不可能回答的问题。弄懂我们这个宇宙的弯曲度比弄懂一句顶风传来的谣言还要困难，我们必须等待兆兆年，才能了解它的意思。
什么是宇宙的命运？这是一个不明智的问题——也许答案一直在某个地方。古思带着忧郁的判断表示同意，但这个问题似乎没有难住他。“理论上讲，是可以预测出我们这个气泡的命运的。”他非常审慎地承认说。因为这是我们惟一能居住的地方，所以，这是有用的信息，但离我们知道整个宇宙的命运还相距甚远——整个宇宙中，所有其他的气泡，在顺流的时间中，在假真空或没有暴胀的原始碎片中，侧滑着离我们而去。实际上，古思已经找到了这里的乐趣。
“在大得难以想像的规模上，宇宙是不均匀的。”他狡黠地笑着告诉我。他告诉我的越多。宇宙看起来就越不确定：在宇宙学本身当中就有某种不确定性原则。“宇宙的某个地方是开放的，某个地方是闭台的。会有一次大挤压。它看起来像个黑洞。”
“现在还不清楚整个区域是否在经历同一种命运，”他继续说，“量子波动会在比可观测宇宙的更大规模上产生扰动。可观测宇宙的坍塌可能不包括暴胀的区域。”最终，产生的黑洞会像瀑布一样倾泻到越来越大的黑洞中去。
这时，古思还需要处理后方的混沌，这把他带到了“地下室宇宙”。由于从免费午餐宇宙的概念中获得灵感，古思成为“不必付出理论”的狂热者。由于只用了25磅假真空的投入就得到了一个宇宙，古思考虑如果把少量的物质挤压成很高的密度和温度，从而使它再次达到大统一的温度并钻入假真空中，会发生什么情况呢？
这个模型会不会以指数力向外爆炸，而毁掉我们生存的宇宙呢？那个高密度团块的引力场会不会用黑洞把自己包起来而隐藏在宇宙中呢？
古思和麻省理工学院的另一位教授埃德·法赫里有趣地发现，答案是两个。如果你能把25磅的物质压缩到直径为10-24厘米，其质量密度大约是水的l075倍，那么，在其他条件适合的情况下，假真空的气泡，或者古思称做的“婴儿宇宙”，就会形成。从外表看，它像一个黑洞。从里面看，它像一个暴胀的宇宙。“这是一个安全的实验。”古思解释说。婴儿宇宙会偏离我们滑走，然后膨胀成自己的时空。
它的黑洞的脐带会在10-34秒内消失，使这个婴儿宇宙彻底与我们分开。尽管从外面看它像一个蒸发的黑点儿，但从内部看，它是一个行将羽翼丰满的宇宙，会膨胀到直径为几十亿光年的宇宙，然后有星系成长。
把物质压缩成假真空密度，除了有能量的问题外，古思和法赫里只发现地下室宇宙的另外一个障碍。为了避免使它成为普通的黑洞，这个高密度的小针孔必须用线穿到一个已经存在的奇点上——这被认为是普通的地下室所缺少的东西。
但有一个漏洞，古思解释道。根据量子理论，太空会由于这些以实际黑洞形式存在的奇点而密度大增。它们扭动的坍塌和不断的蒸发会在很小的程度上，使连续的空间和时间脱节，这也许会给新的宇宙提供种子。所以，量子波动随时都可能在我们的脚下繁衍出无数的宇宙。会有一个无限的可以衍生宇宙的宇宙链，林德称这个现象为“永恒暴胀”。至于开始新的宇宙所需的能量问题，我们目前的科技还无法达到，但这并不意味着，将来的技术无法达到，也不意味着，在由许多宇宙组成的元宇宙中的某个地方存在的先进种族无法达到。
“实际上，”古思的结论是，“我们的宇宙也许就是从谁家的地下室里开始的。”他略咯地笑了起来。

End

暴胀理论（Inflation theory）于1980年由麻省理工学院（MIT）的科学家阿兰·固斯（Alan Guth）提出。该理论指出，早期宇宙的空间以指数倍的形式膨胀。这种快速膨胀过程叫做“暴胀”，意指宇宙在一段时间里，是以非常大的增长速率膨胀。按照固斯理论，暴涨过程发生在宇宙大爆炸之后的10-36 秒~10-32秒之间。在暴涨结束后，宇宙继续膨胀，但是膨胀速度则小得多。