程鹗
宇宙膨胀背后的故事(二十):泡泡中的宇宙 精选
2019-10-15 06:37
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古斯在斯坦福第一次讲解他的暴胀理论之前专门恶补了一番温伯格的《最初三分钟》,以免在这个他并不熟悉的初始宇宙领域露怯。除了临时抱佛脚的知识,他对宇宙研究的历史着实不那么了解。

他因此不知道,早在他出生30年前,德西特就已经发现了一个指数增长的“暴涨”宇宙。那就是当初紧跟着“爱因斯坦宇宙”之后的“德西特宇宙”,比弗里德曼、勒梅特等人的膨胀宇宙还早很多。

只是即使德西特自己也不知道那是一个暴胀的宇宙。他一直以为他的模型与爱因斯坦的同样,都是随时间不变的,只是他的里面有莫名的红移现象。后来还是勒梅特在沙普利指导下做博士论文时才证明了德西特的模型其实是一个加速膨胀的宇宙,解释了其红移的来源。

哈勃通过观测证实宇宙的确在膨胀之后,爱因斯坦和德西特都立即放弃了自己的模型,转而支持弗里德曼、勒梅特的膨胀宇宙。他们当初的模型也就被束之高阁,再无人问津。直到1970年代末,苏联的一位年轻人斯塔罗宾斯基(Alexei Starobinsky)来到英国的剑桥大学访问,与霍金(Steven Hawking)合作研究宇宙的起源问题。

霍金在1960年代作为研究生进入剑桥大学时,曾一门心思要师从霍伊尔研究当时正红火的稳定态宇宙。死板的剑桥却不允许学生自己选导师,给他分配了另一位教授,令他极为沮丧。但更大的打击随之而来:他被诊断患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症(俗称渐冻症),被告知只有两年可活。

乃至1979年,霍金不仅还活着,更被聘请担任也许是全世界最著名的学术职务:剑桥大学的卢卡斯数学教授——也叫做“牛顿的席位”。这时的霍金已经崭露头角,成为广义相对论的新星。他的一个著名成就是与彭罗斯(Roger Penrose)一起在数学上证明广义相对论在宇宙起源时的那个数学奇点不可避免,由此终结了霍伊尔稳定态宇宙以及狄克等人钟情的来回振荡宇宙等一些试图避免那个奇点的努力。

但对物理学家来说,奇点是不可能真实存在的。这只是表明了广义相对论本身的局限。霍金认为唯一的出路是引入量子力学概念。斯塔罗宾斯基便是在引入量子修正时发现一个宇宙可以指数式加速膨胀的方程。他把它称做宇宙最初期可能经历的一个“德西特阶段”(de Sitter phase)。除了理论上有趣之外,他没有发现这有什么实际意义。直到回国后,他才用俄语发表了这个成果,在苏联之外基本上无人知晓。

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1962年,苏联的三位著名物理学家泽尔多维奇(Yakov Zeldovich)、金兹堡(Vitaly Ginzburg)和卡皮察(Pyotr Kapitsa)联名向苏联科学院提交了一份调查报告,指出李森科在苏联推行的生物研究是伪科学,并抗议他利用政治权力打压、迫害甚至肉体消灭科学界持不同意见者的暴行。1965年,物理学家萨哈罗夫(Andrei Sakharov)也在科学院大会上发表讲话斥责李森科。这些科学家的行动在相当程度上导致了李森科在苏联科学界长达40多年统治的垮台。

相对于几乎被完全摧毁的生物学界,苏联的物理学界一枝独秀,保存了相当的人才和活力。当年曾导致伽莫夫叛逃、朗道坐牢的“辩证唯物主义”思想挂帅并没能延续多久。二战之后核武器和军备竞赛的需要为物理学家提供了有效的庇护,保证他们相对优越的科研条件。由于交流的匮乏,苏联和西方的物理学家往往“各干各的”,保持着两个分立而平行的进展轨迹。

泽尔多维奇曾经是苏联核武器项目的技术领袖。他后来将热核爆炸的新知识与伽莫夫的宇宙大爆炸理论结合,在苏联开辟了现代宇宙学的研究。他培养、影响了其后一整代的苏联宇宙学家,成为该领域的开山鼻祖。霍金便是在1973年访问莫斯科时,看到泽尔多维奇和他的学生斯塔罗宾斯基正在做的工作受启发而发展出他那著名的“黑洞蒸发”(black hole evaporation)理论的。

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俄国2014年发行的泽尔多维奇纪念邮票。

1970年代,曾经在泽尔多维奇的领导下研制核武器,因为他们的贡献被誉为苏联的“氢弹之父”的金兹堡和萨哈罗夫因为各自的“问题”都离开了军工业,转向纯理论研究。他们俩都在苏联科学院历史悠久的列别捷夫物理研究所供职。因为萨哈罗夫已经成为国际知名的“异议人士”而问题更大,金兹堡“不得不”担任理论研究室的主任。所里还有他们的一个好友、泽尔多维奇的学生基尔兹尼茨(David Kirzhnits)。

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列别捷夫物理研究所内展示的该所诺贝尔奖获得者的肖像。右一、右二分别为金兹堡和萨哈罗夫。

在温伯格等人完成弱、电磁相互作用的统一后,基尔兹尼茨最早看出这个新理论与金兹堡与朗道早年提出的相变理论有很多相似之处,虽然后者应用于低温的固体超导和液体超流现象,似乎与基本粒子毫不相干。他因此开始研究起规范场论中的相变。

1972年,24岁的林德(Andrei Linde)从莫斯科大学毕业,成为列别捷夫物理研究所的新科研究生。他得天独厚,父母都是物理教授。14岁时,他们带他开长途车去黑海度假,给了他两本书在后座上读:一本狭义相对论、一本天体物理。度假归来后,他便一门心思地要成为一个物理学家。

林德在大学期间已经跟着基尔兹尼茨做过一点有关基本粒子碰撞的计算工作,这时找到导师准备继续。不料基尔兹尼茨一看到他便大叫道:忘记其它一切,温伯格的理论刚刚被证明可以“重整化”(在场论中,只有数学上可重整化(renormalizable)的理论才可能有物理意义。),我们得赶紧抢上这趟车。

很快,他们俩一起发表了第一篇大统一理论中对称破缺和相变的论文,比西方的温伯格等早了近两年。那时林德还只是一个羽毛未丰的研究生。一次基尔兹尼茨在系里讲座上专门提及他这个学生的功劳。一位年轻女教师忍不住插问:“林德是谁?”讲座之后,林德与她相识,在两年后结为夫妻,从此成为一辈子的生活伴侣和科研合作者。不过,林德打动芳心的不是他物理上的天赋,而是他偷偷为她背诵的一系列长诗——当时在苏联的违禁作品,那些诗人都早已在肃反时被镇压。

及至1974年左右,林德和基尔兹尼茨已经发现,如果早期的宇宙出现过冷式的延迟相变,会引发宇宙指数式的“暴胀”。但他们同时也意识到这样会带来宇宙能量、物质分布不均匀的荒谬结局。他们浅尝辄止,认定那只是一个科研中经常遇到的死胡同。

那时,他们对宇宙的视界问题不甚了了。狄克还没有提出平坦性问题。普雷斯基尔、古斯和戴自海更还远远没有动起计算磁单极数量的念头。对于林德他们来说,这个指数式增长的宇宙模型没有任何意义。

在苏联的体制下,林德不需要像古斯、戴自海等西方年轻人那样在博士后生涯中蹉跎。他获得博士学位后直截了当地留在了列别捷夫物理研究所担任研究员。1978年,才获得学位3年的林德与导师一起因为宇宙初期相变理论获得苏联科学院的罗蒙诺索夫奖。那个时候,比林德大1岁,博士毕业还早了3年的古斯还在对戴自海鼓吹的大统一理论嗤之以鼻。

古斯发现暴胀的新闻传来时,有人打电话询问林德是否读到了论文。林德没有。但他回答说并不需要论文,随即便一五一十地描述了他认为古斯论文应有的思路,基本不差。那都是他过去已经做过的演算。

至于他自己被舍弃的工作,林德后来轻描淡写地说道:既然没有发现其中的价值,谁会去发表那样的“垃圾”呢?

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1981年10月,霍金再度访问苏联,在莫斯科做学术讲座。被指派给他当现场翻译的便是林德。

霍金的渐冻症已经相当明显,不得不使用轮椅。他虽然还能自主说话,但口齿很不清,只有长期贴身照顾的学生才能听懂。讲演的过程是霍金先嘟喃几声,他的学生用英语复述成几个单词,然后再由林德翻译成俄语。整个过程非常缓慢。林德往往越俎代庖,根据自己所知把那几个词膨胀为有声有色的一整段俄语。

霍金介绍的是宇宙起源问题的最新进展,包括古斯的暴胀理论以及带来的问题。他和古斯等人都各自花了很长时间寻找解决方案,还没有头绪。讲着讲着,霍金突然提起他刚刚了解到这里的林德也有一个新的理论。林德颇为得意地翻译了这句话后,霍金却又话锋一转:却也是同样地不靠谱。

接下来,林德不得不把霍金批驳自己工作的话一句一句地翻译给满满一屋子的同事、朋友,还没法当场辩解。霍金讲完后,林德才将他连带轮椅推进一间教室,关上门单独争辩了一个半小时,直到发现霍金失踪而惊慌失措的人们闯将进来。他们俩当晚又在旅馆里研讨良久,霍金终于被说服,原来是他没有完全明白林德的思路。

虽然古斯所发表的大都是林德已经废弃的“垃圾”,林德对古斯用这个暴胀一举解决磁单极、宇宙平坦和视界三大困境的创见却还是钦佩不已,确信这个糟粕中一定藏着有精华。他想,如果上帝在创造宇宙时有这么一条捷径可走,定然不会舍近求远。他为此几个月寝食不安,以至于得了严重的胃溃疡。

与古斯相似,林德也习惯在妻子和他们的两个小儿子都睡了以后自己一个人深夜坐在桌前演算、思考。1981年夏天的一个夜晚,他终于有了突破,忍不住摇醒熟睡的妻子告诉她:我知道宇宙是怎么来的了。

林德的新想法说起来其实很简单:古斯的困境在于相变时宇宙中出现大量的泡泡。因为宇宙本身的暴胀,这些泡泡互相之间越离越远,没法合并到一起完成相变。泡泡的碰撞同时也带来不应有的物质不均匀分布。如果反过来,设想我们今天所能看到的宇宙——我们的视界之全部——当初都只存在于单一的泡泡里面,就不再会有这个问题。霍金便是因此很不理解:怎么泡泡还能长得比宇宙还大?

其实,古斯自己也已经有过这个念头。但他没法自圆其说。他的暴胀理论基于宇宙处于巨石被卡在半山坡上的那种亚稳态,只在过冷状态出现。如果整个宇宙在一个泡泡中,便无法暴胀。因为在古斯眼里,暴胀的是泡泡之外的宇宙。

林德却将这个暴胀概念整个地里外翻了个个。他发现暴胀并不是只有在过冷、亚稳态的情况下出现,也可以通过完全不同的途径。他的宇宙不是卡在陡峭山峰的半山坡上,然后通过隧道效应“遁入”稳定态。他的宇宙开始在山顶,而且是一个相当平缓的山顶。如果宇宙依然是一块巨石,这块石头会“慢慢地”向边缘滚动——即所谓的“慢滚暴胀”(slow-roll inflation)——直到最后掉下悬崖抵达山底的稳定态。

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1983年,林德在美国讲解他的新暴胀理论。

有意思的是,林德的这个新图像其实来源于科尔曼和他的一个学生(Eric Weinberg,他与文中的温伯格同一个姓,但没有亲属关系)早在1973年就发表了的一个模型。这个学生一直是在与古斯合作寻找暴胀理论的出路。他和古斯却都没能想到可以这样换一个暴胀的模式。

林德在那个夏天很快就写好了论文。但苏联的审查制度致使三个月后霍金来访时还没能寄出发表,以至于惹出那番口舌之争。等到一切就绪时,他论文的题目毫不含糊,保留着古斯的口气但也膨胀了许多:《一个新暴胀宇宙方案:视界、平坦、均匀性、各向同性和宇宙初期磁单极问题的一个可能解决》(A New Inflationary Universe Scenario: A Possible Solution to the Horizon, Flatness, Homogeneity, Isotropy and Primodial Monopole Problems)

古斯的理论这时问世也才一年,却已经被林德的这篇“新暴胀理论”驱逐,成为“旧暴胀理论”而进入历史档案。除了“暴胀”这个概念本身被作为精华保存,古斯原初的所有具体内容都已被作为糟粕遗弃。

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古斯收到林德的论文后不久也收到科尔曼的另一个学生斯泰恩哈特(Paul Steinhardt)寄来的一篇论文。斯泰恩哈特刚刚成为宾夕法尼亚大学的助理教授(可能就是当初授予过古斯的那个位置),他与他的研究生合作的这篇论文提出了与林德完全相同的理论。

霍金曾经在他那著名的《时间简史》中记录:他离开莫斯科后便又飞往美国,在宾夕法尼亚大学所在的费城做了学术报告,顺带介绍了林德的新成果。斯泰恩哈特当时在座,但后来表示不记得霍金提到过林德。《时间简史》出版后,这几句并不那么引人注意的话在圈子里引起轩然大波。斯泰恩哈特找出霍金讲演的录像证明霍金的确没有提到过林德的理论。霍金不得不专门致信美国物理学会的《今日物理》杂志,澄清他认为斯泰恩哈特的成果是独立做出的,并没有指责他们借鉴甚至剽窃林德的意思,并在《时间简史》后来的版本中删除了这段内容。

斯泰恩哈特坚持他和他的研究生很早就完成了这一工作,只是迟迟没有发表。他们直到看到林德的论文时才匆匆投稿,并附加了对林德论文的援引,尊重林德的优先权。

林德只是表示不解:既然别人已经占先了,还有什么必要再发表自己同样的工作呢?

已经是麻省理工学院副教授的古斯还在持续地受邀到各处做学术报告。他的演讲这时有了一个新的副标题:“林德和斯泰恩哈特是如何在我睡着的时候解决了宇宙学问题”。

× × × × ×

林德论文的题目中强调了宇宙的“均匀性、各向同性”,因为那正是他所解决的、古斯“旧暴胀理论”带来的难题。单一泡泡中的宇宙自然会非常均匀,处于同一平衡态,没有旧理论中泡泡互相碰撞所带来的不均匀。

在莫斯科时被说服的霍金因此还是给这个新理论挑出一根大刺:如果宇宙只是在一个单一的泡泡中,那么暴胀后的整个宇宙会处于理想的热平衡,没有任何能量、质量分布差异。这样的宇宙进入膨胀之后,演变到今天也依然会是一张白纸、空空如也。没有哪个地方能够聚集出星球、星系,更不可能出现太阳、地球和地球上的人类。

也就是说,林德在解决古斯的困境时矫枉过正,让宇宙提前进入了“热寂”状态,没有了活力。

要产生今天的星系结构,即使是原初的宇宙也不能是理想的光滑平坦。宇宙不同的区域应该存在有微量的差异。霍金觉得,这应该又是一个量子力学可以对广义相对论施以援手的地方:在量子世界里,即使是理想的真空也会存在随机的涨落。

恰巧也是在1970年代,宇宙中的物质分布在大尺度上的均匀性——或者更准确地说,不均匀性——已经引起一些物理学家的注意。他们之中有苏联的泽尔多维奇,也有普林斯顿的皮布尔斯——狄克当年的学生。


(待续)

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