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【王爽专栏 】(宇宙学)诺奖级的大战、三个宇宙学难题、慢滚暴胀

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发表于 2018-1-26 13:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 zhangms 于 2018-1-26 13:59 编辑

                                        一场诺奖级的大战:大爆炸竟然不是宇宙的真正起源?

原创  2017-11-09  王爽  果壳科学人
https://mp.weixin.qq.com/s/MpmR8DDrRHzrtHx3YjKVl  
   
作者:王爽 中山大学物理与天文学院研究员,科普作家
编辑:婉珺

很多人都知道,我们的宇宙起源于一场大爆炸,这就是著名的宇宙大爆炸理论。这个理论影响深远,以致于一部非常有名的美剧直接用它作了自己的名字。

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但我可以负责任地告诉你,这种看法是错的。大爆炸并不是宇宙的真正起源。或者说得更准确一点,大爆炸并不是宇宙诞生后发生的第一件事。当前的科学研究已经毋庸置疑地表明,在宇宙大爆炸之前一定还有别的事情发生。那到底是什么事呢?让我们从一则今年5月的新闻说起。

今年5月,33名世界顶级的物理学家发表了一封联名公开信,痛批今年2月刊登在《科学美国人》上的一篇攻击暴胀理论的文章。所谓的暴胀,是目前最主流的解释宇宙如何起源的理论,也是我要为你讲述的重点。不过为了连贯起见,我还是继续讲这条新闻,以后再来解释到底什么是暴胀。

这封公开信的作者阵容豪华至极,不是诺贝尔奖得主,就是各国科学院的大牌院士。其中名气最大的包括:斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking),《时间简史》作者;斯蒂文·温伯格(Steven Weinberg),诺贝尔物理学奖得主;弗朗克·韦尔切克(Frank Wilczek),诺贝尔物理学奖得主;乔治·斯穆特(George Smoot),诺贝尔物理学奖得主;爱德华·威顿(Edward Witten),普林斯顿高等研究院教授;胡安•马尔达西那(Juan Maldacena),普林斯顿高等研究院教授;马丁·里斯(Martin Rees),英国皇家学会前会长。不过我要告诉你一件特别好玩的事,上面这些物理学界大腕中没有一人因研究宇宙起源而出名。没错,他们全都是被拉来充门面的“吃瓜群众”。

这封联名信的作者中,真正研究宇宙起源的大佬有3人,分别是:艾伦·古斯(Alan Guth),麻省理工学院教授,暴胀概念的提出者;安德烈·林德(Andrei Linde),斯坦福大学教授,慢滚暴胀概念的提出者;阿列克谢·斯塔罗宾斯基(Alexei Starobinsky),朗道理论物理研究所教授,第一个暴胀模型的提出者。这3大巨头花了这么大力气,找了这么多大牌科学家站台,真正的目的只有一个,那就是为暴胀学派清理门户

你可能会觉得有些好笑了:不就是一次学术争论嘛,犯得着这么大动干戈吗?但事实上,这群学术界名流的反应已经再正常不过了。因为他们的对手已经在2月份的那篇文章里向整个暴胀学派全面宣战了——他不仅要挡住暴胀学派的这三位大佬通往诺贝尔奖的道路,甚至还要砸烂整个暴胀学派所有人的饭碗!

能挑起这场大战的人,自然也不是等闲之辈。此人就是保罗·斯泰恩哈特(Paul Steinhardt),普林斯顿大学教授,以前也是暴胀学派的领袖之一,现在则变成了暴胀学派的头号叛徒

过去近四十年,古斯、林德、斯塔罗宾斯基和斯泰恩哈特这4位大佬,在宇宙起源的山头上展开了一场诺奖级别的血战,时至今日依然胜负不明。

接下来,我将作为你的导游,与你开始一场肯定能让你脑洞大开的宇宙起源之旅。我将为你讲解这部学术界战争大片的台前幕后,也会顺便给你八卦一下这4人之间的恩怨情仇。

旅行的第一站,我们来聊一聊,让那群学术界大佬争得面红耳赤的暴胀到底是什么。

暴胀的英文名是Inflation,它的本意就是我们在日常生活中最熟悉不过的通货膨胀。通货膨胀说的是,在一段时期内,社会上流通的货币总量发生了明显的增长。而暴胀说的是,在创生之后远远不到1秒钟的时间里,宇宙的总体积发生了指数式的膨胀

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“暴胀”的津巴布韦币。

什么是指数式的膨胀呢?传说印度有一位国王,特别喜欢他的一个大臣发明的国际象棋,打算要好好地奖励这个大臣一番。大臣就跪在国王面前说:“陛下,我就想要一些麦子。请您在国际象棋棋盘的第一个格子里摆一粒麦子,在第二个格子里摆两粒,在第三个格子里摆四粒,依此类推,每一个格子里的麦子数目都是前一个格子的两倍。您只要用麦子摆满所有的64个格子,再把它们都赏赐给我就好了。”

印度国王一开始还挺高兴,心想要麦子还不简单,我的粮仓里多得是。但他很快就高兴不起来了,因为他惊愕地发现就算把全印度所有粮仓里的麦子都拿来,也无法填满这个大臣的棋盘。

这个大臣的胃口有多大呢?他总共想要1844亿亿粒麦子,这些麦子的总质量能达到368万亿吨,相当于目前全球小麦总产量的52万多倍。换句话说,即使这个印度国王能控制今天地球上所有的小麦产地,他也要花超过52万年,才能把他欠这个大臣的债全部还清。当然,更好的选择是根本不还债,直接砍掉那个贪心大臣的脑袋。

有了这个例子做铺垫,现在就能讲讲暴胀时期宇宙总体积的指数式膨胀了。

为了获取368万亿吨麦子的奖励,贪心大臣用了一个64格的棋盘。而要想膨胀出一个与目前天文观测吻合的宇宙,暴胀理论需要用一个多少格的棋盘呢?答案是至少200格。换句话说,暴胀理论认为,在创生后远远不足1秒钟的时间里,宇宙的总体积一下就膨胀了16000亿亿亿亿亿亿亿倍。这恐怕是一个你在现实生活中永远也不会听到的数字,16000后连续有7个亿!这是什么概念呢?大概相当于一座两层高的小楼,一眨眼间就变得和整个银河系一样大!在经过了这么疯狂的膨胀之后,宇宙将会达到宏观的尺度,变得和一个棒球一样大。在此之后,大爆炸才正式启动,从而让宇宙逐渐变成我们今天看到的样子。

是不是觉得有点摸不着头脑:“大爆炸就已经够虚无缥缈了,干嘛还要在它之前加上一段莫名其妙的暴胀呢?”

这得从上世纪70年代末的一段往事说起。下一次,我们就来回顾一下这段已经快被遗忘的往事。

作者名片

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发表于 2018-1-26 20:51 | 显示全部楼层
有点看电子书连载滴感觉,请听下回分解
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 楼主| 发表于 2018-1-26 14:07 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangms 于 2018-1-28 10:04 编辑

一口气解决三个宇宙学难题,暴胀理论名动天下

原创 2017-11-16 王爽  果壳科学人

作者:王爽 中山大学物理与天文学院研究员,科普作家
编辑:婉珺

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 楼主| 发表于 2018-1-26 14:06
一口气解决三个宇宙学难题,暴胀理论名动天下
                                        原创                                                            2017-11-16                                        王爽                                        果壳科学人
https://mp.weixin.qq.com/s/hYe1lou7cy81Q472lLCu6w

                                                        

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    
作者:王爽 中山大学物理与天文学院研究员,科普作家
编辑:婉珺
目前,最主流的解释宇宙如何起源的理论是暴胀理论,今天,我们就来讲讲那段发生于上个世纪70年代,关于“暴胀”的往事。(本文为宇宙起源系列之二,之一请戳这里

不得志的粒子物理博后,
华丽变身宇宙学大佬

1977年,美国康奈尔大学物理系来了一个混得不太好的粒子物理学家。他没做出过什么有名的成果,再加上运气很背,出生的时候赶上了美国战后的婴儿潮,所以一直没能在一所研究型大学里找到助理教授的职位。无奈之下,他只好跑到康奈尔大学做他的第三期博士后。

这个不得志的博士后就是暴胀学派的创始人阿兰·古斯(Alan Harvey Guth)。

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阿兰·古斯(Alan Harvey Guth)。图片来源:Betsy Devine|Wikipedia

在康奈尔,古斯遇到了一个同病相怜的第三期博士后,他是一个华人,名叫戴自海(Henry Tye)。

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戴自海。图片来源:Cornell.edu

戴自海以前也研究粒子物理,后来转行做了宇宙学。他游说古斯,说粒子物理中最重要的题目已经被别人做得差不多了,不如和他一起做宇宙学。虽然古斯完全没搭理他,但戴自海也不气馁,还是隔三岔五地来游说古斯,这一游说就是两年。

直到1979年,事情才有了转机。那年年初,著名粒子物理学家、诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)到访康奈尔大学,并在学校里进行了两场关于如何将粒子物理理论应用于宇宙学的演讲。古斯一看,连美国粒子物理学界的领袖、大名鼎鼎的温伯格都这么关心宇宙学,再加上戴自海隔三岔五的游说,古斯终于决定要放弃粒子物理,与戴自海一起转战宇宙学。

暴胀理论,
始于一个“八竿子打不着”的课题

古斯和戴自海一开始研究的是一个与宇宙起源八竿子也打不着的课题,叫磁单极子问题。听起来似乎很复杂,其实特别简单。你平时肯定见过磁铁吧?所有的磁铁都有一个共同的特征,即它一定同时具有南北两极。即使把一块磁铁从中间一切两半,新得到的两块磁铁也会自动地重新产生南极和北极。那可不可能存在一种只有南极或者只有北极的磁铁呢?理论上是可能的。像这种只有南极或北极的磁铁,就是磁单极子。

根据当时粒子物理最流行的大统一理论,磁单极子在宇宙中应该是无处不在的,但为什么在真实世界中却连一个也找不到呢?这就是在物理学界中赫赫有名的磁单极子问题,也是古斯和戴自海决心挑战的课题。经过研究他们发现,解决磁单极子问题的关键是一个被称为“假真空”的概念。这个概念说简单也简单,说复杂也复杂。

让我们先从你更熟悉一些的内容——真空谈起。

很多人认为,真空就是一片什么都没有的空间区域,但这种看法是错的,真空里其实是有能量的。这有点不好理解,不过它的确是一个事实,而且是一个已经被科学实验反复验证过的事实。它的深层原因涉及到量子场论,比较复杂,这里暂且略过。你只要知道真空有能量这个事实就足够了。

一旦知道真空也有能量,假真空就不难理解了。

想象一座延绵起伏的大山,高的地方是山峰,矮的地方是山谷。现在问题来了,如果在这座山上放一个小球,它在哪里可以静止不动呢?答案显而易见,当然是在山谷。现在我们把山的海拔高低当成是空间本身的能量大小。那么凡是能让小球静止不动的山谷,全都处于真空的状态。换句话说,真空就是一个能让置身其中的物体稳定存在的时空区域。就如果不同的山谷也会有海拔高低之分,即使是真空中的能量也会有差异。在所有的真空中,有一个能量最小的真空(对应于海拔最低的那个山谷)被称为“真真空”;而其他能量较大的真空(对应于海拔较高的那些山谷)则被称为“假真空”。换言之,假真空就是能量较高的真空。

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戴自海率先意识到了一个最关键的问题:如果宇宙在诞生之初就处于一个假真空的环境里,它将会如何演化?但就在取得重大突破的前夕,戴自海却跑回中国参加了一个为期一个半月的学术会议。这是中国科学史上时机最差的学术会议,没有之一。

要知道,那是一个没有电子邮件的年代。戴自海一回中国,他与古斯的联系便完全中断了;等他重新回到康奈尔的时候,古斯已经离开康奈尔去了斯坦福,两人的合作也就此终止。

正是在两人分开后的这段时期,古斯做出了宇宙学历史上最重大的突破之一。他发现如果宇宙诞生在一个高能量的假真空环境里,它就会被假真空的能量推动而向外膨胀。这有点像烤箱里的面团,会由于受到烤箱的热量而膨胀成面包。

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更关键的是,古斯发现这种情况下,宇宙的膨胀一定是指数式的膨胀

没错,这正是前面说过的暴胀。

有了暴胀,磁单极子问题就变得很简单了。打个比方,如果将一把花瓣撒到一盆水中,你肯定能很轻易地从这盆水中把这些花瓣都找出来,那如果把这盆水变得和太平洋一样大,你还能在太平洋里把这些花瓣都找出来吗?显然就做不到了。找不到磁单极子也是同样的道理。

除了能解决磁单极子问题以外,古斯发现暴胀还能同时解决另外两个更加棘手的宇宙学难题:平坦性问题和视界问题

是不是听起来有点不知所云?没关系,下面我们就通过打比方的方式来讲讲它们到底是什么。

平坦性问题和视界问题的通俗解释

我们日常生活中对平坦和弯曲的概念其实都局限在二维。比如说,桌子表面是平坦的,皮球表面是弯曲的,这两个表面都是二维的。由于我们是从三维世界看二维,所以可以很直观地判断这些二维物体到底是平坦还是弯曲。但如果换成是一只生活在二维空间的小蚂蚁,它该如何判断自己所处的空间到底是平坦还是弯曲呢?有一个简单的办法:在自己的空间内画一个三角形,然后测量此三角形的三个内角之和。如果内角之和等于180°,它的空间就是平坦的;如果内角之和大于180°,它的空间就被弯成了一个球的形状;而如果内角之和小于180°,它的空间就被弯成了一个马鞍的形状。

回到我们生活的三维空间,这个空间本身是平坦的还是弯曲的?由于不能从四维世界看三维,这个问题对我们这些三维生物来说就不是那么直观了,但它的本质完全没变,依然可以用画三角形的办法来判断。还真有人这么干过,那就是被称为“数学王子”的著名数学家高斯。高斯是世界上最早怀疑我们生活的三维空间可能并不平坦的人之一,为此他还专门跑到德国的深山里画过三角形。不过这事高斯是偷偷摸摸干的,因为他怕别人发现以后会嘲笑他是神经病。

言归正传。从理论上讲,宇宙既可能是平坦的,也可能是弯曲的。由于平坦的状态只有一种,而弯曲的状态有无数种,从概率的角度来说应该是处于弯曲状态的可能性要大得多。但实际的天文观测表明,我们的宇宙是平坦的。这就很奇怪了。为什么宇宙会恰恰处于那种可能性最小的平坦状态呢?这就是所谓的平坦性问题。

现在让我们来看看视界问题。视界问题是问,为什么宇宙会这么均匀,以致于到处看起来都一样?这听起来很玄奥,我们打个比方来解释。

假设有一群考生在同一间教室里参加了一场时间为两小时的考试,老师在批改卷子的时候发现所有人的答卷竟然完全相同,甚至连错误都一模一样。这该怎么解释呢?唯一的可能就是这些考生互相对了答案;或者说,他们彼此之间交流了信息。

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图片来源:《天才枪手》官方剧照|豆瓣

那如果现在有两群考生,其中一群人呆在地球,而另一群人呆在离地球4.3光年之遥的比邻星,他们也在同一时间参加了一场时间为两小时的考试。你猜怎么着?所有人的答卷竟然还是一模一样!这就很诡异了。答卷一模一样说明他们之间肯定交流了信息。但这两群考生相距4.3光年之遥,即使用速度最快的光也要花整整4.3年才能把答案给传过去。那他们是用什么办法,在短短两个小时的时间内就完成了信息的交流?

这个问题可以推广到整个宇宙。目前的天文观测表明,在足够大的尺度上,宇宙中物质分布地特别均匀,以致于到处看起来都一模一样,这说明过去一定发生过信息的交流。但整个宇宙又这么大,即使是速度最快的光也不可能跑得完,那它们如何完成了信息的交流?换句话说,宇宙如何完成超光速的信息交流?这就是所谓的视界问题。

古斯提出的暴胀,它砸扁了这两个“钉子”

你看,无论是平坦性问题还是视界问题,都很让人费解吧?不过有了暴胀理论,这两大难题全都迎刃而解。

先说平坦性问题吧。为什么宇宙会如此平坦?因为无论它在创生之初是什么形状,暴胀都能把它给弄平。举例来说,如果给你一颗小玻璃球,你可以很快判断出它并不平坦。现在把这颗玻璃球变得和地球一样大,你还能很快判断出它并不平坦吗?事实上,我们每天生活在地球上,根本察觉不到大地其实是球形的。这意味着,半径越大的圆球,它的弯曲程度就越小。暴胀迅速放大了整个宇宙的尺寸,从而把宇宙创生之初的空间弯曲给抹平了。

视界问题也变得很简单了。暴胀的效果可以想象成是把一座两层高的小楼,在转瞬之间就变得和整个银河系一样大。所以前面提到的那两群考生其实原本就呆在同一间教室,只是后来暴胀使空间本身发生了极速的膨胀,从而让这两群考生一下就相距了4.3光年——但其实在一开始,他们就已经完成了信息的交流

1981年,艾伦·古斯发表了一篇划时代的论文。这篇论文正式提出了暴胀的概念,让古斯在学术界一夜爆得大名。但耐人寻味的是,这篇论文主要在研究平坦性问题和视界问题,而对磁单极子问题只一带而过。古斯对此的解释是,磁单极子仅仅是大统一理论的一个预言;大统一理论本身就不见得对,磁单极子问题自然就不值得认真讨论了。这个解释本身当然无可厚非,但正是由于没怎么讨论磁单极子,戴自海就没能成为这篇论文的作者。

现在想来,如果戴自海当初没有回中国开会,或者当年能像现在这样方便地通过电邮或微信来交流,或许历史就会是另一个写法了吧。

一点番外,以及下集的预告

让我再讲一点关于古斯的趣事吧。一夜成名后的古斯很快就结束了颠沛流离的博士后生涯,成了麻省理工学院的一名正教授。在麻省理工学院,他很快又因生活邋遢而再度出名。

有一年,《波士顿环球报》组织评选最脏乱差的名人办公室,结果古斯的办公室以压倒性的优势获胜。此外,古斯还喜欢在听学术报告的时候睡觉。他往往会在报告结束众人鼓掌的时候醒来,然后向演讲者问几个问题。

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由于能同时砸扁三枚钉子,暴胀理论取得了巨大的成功。但很快就有人发现,古斯的暴胀理论其实存在着一个致命的缺陷。

下一次,我们就来聊聊这个缺陷到底是什么。



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 楼主| 发表于 2018-1-26 14:16 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangms 于 2018-1-26 19:12 编辑

慢滚暴胀:从山顶平台上慢慢滚下来的皮球

创 2017-11-30  王爽  果壳科学人
https://mp.weixin.qq.com/s/y-warop5Q5nJty4xUrWDow

作者:王爽 中山大学物理与天文学院研究员,科普作家
编辑:婉珺

前段时间,霍金在中文网络世界里又刷了一回屏。有新闻报道称,霍金发出最新警告,告诫人类不能随便去月球背面,因为那里已经被外星人占领了。就在网友纷纷嘲笑霍金老糊涂之际,这个消息被证明是条假新闻,霍金也实实在在地当了一回背锅侠。不过你也不用太为霍金鸣不平,这不是他第一次背锅,可能也不是做后一次。最严重的那次,他甚至还差点被人告上法院。

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霍金“背锅”往事

1981年,宇宙学家艾伦·古斯发表论文正式提出了宇宙起源的暴胀的概念,这让他在学术界爆红。同年,霍金到莫斯科参加一个关于宇宙起源的国际会议。毫无疑问,暴胀理论成了这次会议最大的热点。与会期间霍金遇到了一个对此有独到见解的苏联物理学家,他就是暴胀学派的二号人物安德烈·林德(Andrei Linde)。

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安德烈·林德。图片来源:Wikipedia

林德当时是苏联列别捷夫物理研究所一名职位不高的研究人员。不久前,他敏锐地发现古斯理论中存在着一个致命缺陷,并想出了一个非常巧妙的解决办法,这个办法被称为慢滚暴胀

对一般人而言,要是能做出这么重大的成果,肯定会守口如瓶,并以最快的速度把它写成论文发表。但林德抗拒不了在大名鼎鼎的霍金面前吹嘘自己的诱惑。于是趁着那次会议,就把自己的研究成果向霍金和盘托出了,他的想法也确实让霍金对他刮目相看。

离开苏联以后,霍金又跑到美国去访问,其中一站是宾夕法尼亚大学。按照霍金的说法,他在宾夕法尼亚大学做了一场演讲,其中提到了林德慢滚暴胀的思想。当时在场的听众中有一位宾夕法尼亚大学的助理教授保罗·斯泰恩哈特(Paul J. Steinhardt)。

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保罗·斯泰恩哈特。图片来源:Sleepy Geek

此后不久,保罗·斯泰恩哈特和他的学生安德里亚斯·亚布勒希特(Andreas Albrecht)一起发表了一篇论文;他们提出了一种不同于林德的物理机制,也能实现慢滚暴胀。由于这篇论文和林德论文的正式发表时间仅相差两个月,人们普遍把这三人视为慢滚暴胀的共同提出者。

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安德里亚斯·亚布勒希特。图片来源:ucdavis.edu

尽管没对暴胀理论做出什么实质性的贡献,霍金还是把他的这两次访问经历写进了他的超级畅销书《时间简史》里。然而让霍金万万没想到的是,这竟然给他招来了大麻烦。

林德是一个有名的狠角色。斯泰恩哈特和亚布勒希特的论文让他勃然大怒。他愤怒地指责这两个人剽窃了自己“慢滚暴胀”的思想,从而盗取了本该只属于他一个人的荣光。霍金在《时间简史》里说他曾在宾夕法尼亚大学讲过林德的思想,这正好为林德攻击那两人提供了口实。

不过斯泰恩哈特也绝不是软柿子。他公开了霍金当年在宾夕法尼亚大学演讲的录像,以此证明霍金没在宾大讲过林德的思想。不止如此,他还直接威胁霍金,要么把他的不实言论从《时间简史》里删掉,要么就等着上法院。

据霍金说,他曾与斯泰恩哈特私下会面并且交流了林德的思想,但苦于拿不出证据,最后还是不得不服软,把自己去宾夕法尼亚大学访问的经历从第二版的《时间简史》里删掉了。林德与斯泰恩哈特之间的战争,就这么把“打酱油”的霍金给拖下了水。

霍金的故事到这里就结束了,但你可能还是对让他们争得面红耳赤的“慢滚暴胀”一头雾水。艾伦·古斯提出的暴胀理论有什么缺陷?林德等人提出的慢滚暴胀又是如何解决它的呢?

艾伦·古斯理论的致命缺陷

在之前的文章中我们谈到过,真空中并非什么都没有,它是有能量的,与其说它“空”,不如说它是一个能让置身其中的物质稳定存在的时空区域。

我们可以把空间中能量的高低想象成一座延绵起伏的大山,每一个山谷都可以被称为真空——它能让放置其中的皮球静止,不会滚动。但这些山谷中只有最低的那个才是真真空,其他的都是假真空。换言之,假真空就是能量较高的真空。

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左边的真真空和右边的假真空

在创生之初,宇宙就处于一个具有高能量的假真空环境,这些能量推动空间做指数式膨胀,也就是暴胀。但宇宙要从暴胀状态顺利地演化到我们今天看到的样子,却不是一件容易的事,它必须要同时满足两个条件。

第一个条件是,它要能及时地从假真空的环境逃到真真空的环境,从而让暴胀结束。做一个比喻,你可以把假真空当成是给宇宙吃的兴奋剂。在不考虑体育道德的情况下,运动员要是偶尔吃一点兴奋剂,能够大幅度地提高运动成绩;但他要是每天都把兴奋剂当饭吃,肯定就活不久了。类似地,宇宙要是在假真空环境下呆一段时间,就能靠暴胀过程解决一系列的宇宙学难题;但要是在假真空环境下呆得太久,肯定会被暴胀扯得七零八落。

第二个条件是,它要能在逃离假真空环境的过程中获得能量,从而为宇宙大爆炸点火。这是因为暴胀本身只是一个起点,之后还必须发生一次大爆炸,才能让宇宙逐渐变成今天的样子。很明显,要想引发大爆炸就需要大量的能量。换句话说,要是不能在逃离假真空的过程中获得能量,宇宙大爆炸就不会有发生的可能。

按照古斯的理论,刚刚创生的宇宙就好比是一个处于假真空山谷中的皮球,山谷的周围都是比它更高的山坡,这个皮球要怎么才能从这个山谷中跑出去呢?古斯发现,它可以通过“量子遂穿”的方式逃离。很多书上都把量子隧穿解释成由于量子力学效应而开启的一条穿山隧道。为了让大家更明白,我们再来做一个类比。著名的魔幻小说《哈利·波特》里有很多神奇的咒语,其中一个叫“幻影移形”。只要一挥魔杖并念出这个咒语,你就能立刻从原先呆的地方消失,然后凭空出现在另一个地方。量子遂穿也能达到类似的效果。通过这样的“移形幻影”,原本诞生在假真空山谷中的皮球,就能直接幻影移形到真真空山谷了。

但问题在于,宇宙要是通过量子隧穿的方式逃离假真空,就无法获得任何能量了。在现实中,一个皮球要是从山顶上滚下来,速度会越来越快,并在山脚下达到最大的速度。这是由于皮球在山顶的重力势能转化为了它在山脚下的动能,或者更简单地说,皮球在滚下山的过程中获得了能量。但如果皮球用幻影移形的咒语到了山下,那它下山后也还是静止的。也就是说,皮球用量子遂穿的方式下山,就无法再获得能量。

这个皮球就是刚刚诞生的宇宙。宇宙要是通过量子遂穿的方式从假真空状态转变为真真空状态,同样也无法获得任何能量,从而没法为大爆炸点火。所以按古斯的理论,宇宙大爆炸根本就不可能发生。这就是古斯理论的致命缺陷。尽管古斯本人也意识到了这个问题,并且想了些办法来进行补救,但却全都以失败告终。

就在这时,林德等人站了出来,提出了一个特别简单的办法来解决大爆炸点不着火的问题:既然宇宙从假真空的山上量子遂穿下来是无法获得能量的,那让它正常“滚下来”不就好了吗?

慢滚暴胀理论

不同于古斯所说的“山谷假真空”,在林德等人的新理论中,假真空是一个位于山顶上的平台;很明显,皮球在山顶平台上也能保持静止,所以这个平台同样符合真空的定义。由于平台边缘是比它更低的山坡,皮球就可以从假真空平台上正常地滚下来,而不需要在依靠什么量子遂穿。所以,如果宇宙在诞生之初就位于一个高能量的假真空平台上,那它就能从平台边缘正常地滚落到真真空的山谷,从而自然而然地获得为大爆炸点火的能量。

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再做一个类比吧。想象一座山顶呈平台状的活火山。山顶有岩浆滚滚而出,岩浆的能量就相当于假真空自身的能量。而山顶与山底之间存在着一定的高度差,这个高度差就相当于假真空与真真空之间的能量差。

所以说,宇宙呆在假真空山顶时,才会发生暴胀;宇宙从假真空山顶上滚下来的过程,叫再加热;而宇宙掉进真真空山谷之后,才会发生大爆炸。

让宇宙从假真空平台上慢慢滚下来的暴胀,就是所谓的慢滚暴胀。慢滚暴涨的提出补齐了暴涨理论的最后一块短板,从而让暴涨理论成了宇宙起源山脉上新的珠穆朗玛峰。

其实在暴胀学派的历史上,还有一件特别诡异,同时也特别好玩的事。

手握宝藏而不自知

想象有一座极端错综复杂的地下迷宫,只要能走通它就可以找到堆满金银的地下宝藏。一个叫艾伦·古斯的探险家,在经历了千辛万苦后终于走通了迷宫,并且发现了藏在地下洞穴中的巨大宝藏。听到风声的各路探险家纷纷赶来,涌进了这个有宝藏的洞穴。当众人的火把照亮整个藏宝洞穴全貌的时候,却惊愕地发现有人比古斯更早就来过这里。那个人并没有穿越地下迷宫,而是从地面上的一个山洞里意外地掉了进来;但是由于没带火把一团漆黑,这个人根本不知道自己发现了一个巨大的宝藏,只是摸黑拿了点纪念品就走了。此人就是后来成为暴胀学派三号人物的阿列克谢·斯塔罗宾斯基(Alexei Starobinsky)。

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从左至右:阿列克谢·斯塔罗宾斯基,林德和古斯。

之所以说斯塔罗宾斯基没有穿越地下迷宫,是因为他一开始根本就没有研究宇宙学,他真正研究的是引力理论。

科学家是一个比较特殊的职业,他的竞争对手并非仅限于和他处于同一时代的人。如果把科研比作登山,要想真正名动天下,就必须比所有的前辈都爬得更高。从这个意义上讲,引力理论无疑是整个学术界中最难出人头地的行当。因为要想在这一行千古留名,你就必须翻越两座高耸入云的大山,其中一座叫牛顿,另一座叫爱因斯坦。

当然,绝大多数的物理学家并没有超越牛顿和爱因斯坦的雄心。比起公然挑战爱因斯坦的广义相对论(也就是爱因斯坦的引力理论),大多数人都选择为它做一些查漏补缺的工作。这种工作有点像是为Windows系统打补丁的程序员。最大的区别在于,程序员为Windows系统打的补丁基本上都是有用的,而物理学家为广义相对论打的补丁差不多全是没用的。

斯塔罗宾斯基就是这么一个给广义相对论打补丁的程序员,同时也是一个非常罕见的打了有用补丁的技术大拿。1979年,他对广义相对论做了一点小小的修改,然后弄出了一个自己的引力模型。

这里多说一句,科学理论与科学模型是不同的。打个比方,理论就像是一种特定的商品(如智能手机),而模型就像是这种商品之下的某个具体的品牌(如苹果手机)。所以暴胀认为宇宙创生之初发生了指数式膨胀,这是一个理论。而关于暴胀的具体细节,有成百上千种不同的观点,它们全都是暴胀模型。

当斯塔罗宾斯基用自己的引力模型去研究早期宇宙的时候,惊愕地发现在这个模型的框架下,整个宇宙都会发生指数式的急剧膨胀。当然,这其实就是暴胀。也就是说,早在古斯提出暴胀概念的两年前,斯塔罗宾斯基就已经提出了世界上第一个暴胀模型。

但问题是,斯塔罗宾斯基当时根本没意识到宇宙的指数式膨胀特别有用,能解决一系列的宇宙学难题;正好相反,他觉得这充分说明自己的引力模型存在很大的缺陷,因而不值得再去深入探讨。写完第一篇论文以后,斯塔罗宾斯基就转向了其他课题的研究,并把自己提出的模型扔进了故纸堆。

直到古斯提出暴胀的概念以后,斯塔罗宾斯基的暴胀模型才得以重见天日。人们把它捡回来重新研究。你猜结果如何?越研究,越能发现这个模型的神奇:它天生就是慢滚暴胀模型,根本不存在为宇宙大爆炸点火的问题;更夸张的是,在目前数以百计的慢滚暴胀模型中,斯塔罗宾斯基的暴胀模型竟然是与天文观测吻合得最好的。比如我们说在暴胀结束以后,宇宙会变得和一个棒球一样大,这是怎么知道的呢?就是用斯塔罗宾斯基的暴胀模型算出来的。尽管斯塔罗宾斯基不知道他发现了一个宝藏,但他摸黑拿走的,竟然是整个宝藏堆里最值钱的皇冠!

误打误撞提出了最佳暴胀模型的斯塔罗宾斯基现在已经成了暴胀学派的三号人物。不过,他之所以能得到这样的地位,是因为原来的三号人物反了水,此人就是我们的老熟人斯泰恩哈特。

斯泰恩哈特为什么要背叛暴胀学派呢?下一次,咱们就来讲讲其中的缘由。

 楼主| 发表于 2018-1-26 19:16 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangms 于 2018-1-28 10:27 编辑

因系统要审核,只能截图了。
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慢滚暴胀:从山顶平台上慢慢滚下来的皮球

原创  2017-11-30  王爽  果壳科学人
https://mp.weixin.qq.com/s/y-warop5Q5nJty4xUrWDow
作者:王爽 中山大学物理与天文学院研究员,科普作家
编辑:婉珺
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 楼主| 发表于 2018-1-26 19:50 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangms 于 2018-1-26 19:55 编辑

像伏地魔一样制造分身的永恒暴胀,被它的提出者深深厌恶

原创  2017-12-13
王爽  果壳科学人

作者:王爽 中山大学物理与天文学院研究员,科普作家
编辑:婉珺

保罗·斯泰恩哈特(Paul J. Steinhardt)和学生一起提出了一种不同于林德的实现慢滚暴胀的物理机制,所以早在1982年,学术界就已经把斯泰恩哈特视为了慢滚暴胀的共同提出者之一。由于对暴胀理论的卓越贡献,2002年斯泰恩哈特与古斯、林德一道,获得了在理论物理学界赫赫有名的狄拉克奖。

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从左至右:古斯,斯泰恩哈特和林德。

但特别讽刺的是,当评奖委员会把狄拉克奖授予斯泰恩哈特的时候,他们根本不知道此人早在一年多前就已经背叛了暴胀学派。更夸张的是,背叛的种子其实早在近20年前就已经种下了。

从20年前的“永恒暴胀”开始

1983年,斯泰恩哈特率先指出了一种相当匪夷所思的理论可能性,叫做永恒暴胀。它说的是,暴胀一旦开始,就永远都不会结束。随后一个叫亚历山大·维兰金(Alexander Vilenkin)的物理学家证明,大多数的暴胀模型都会导致永恒暴胀。目前,学术界对永恒暴胀是否无可避免还存在很大的争议。不过有不少科学家相信,几乎所有现实一点的暴胀模型都会导致永恒暴胀。潘多拉魔盒就这么被打开了。

你可能还是不清楚什么是永恒暴胀。为了给你一个直观的印象,我还是来打一个比方。

前面说过,要想制造一次暴胀,关键是要有一个假真空,也就是一个能量比较高的真空。现在把假真空想象成一棵巨大无比的苹果树。苹果树的养分能在枝头结成苹果,就像假真空的能量能在某个空间区域制造一个暴胀的宇宙。当苹果长到足够大的时候,它就会掉到地上,然后苹果树又可以结出新的苹果。类似地,当宇宙膨胀到足够大的时候,它就会掉到真真空的山谷,然后假真空又可以制造新的暴胀宇宙。也就是说,永恒暴胀理论认为,假真空是一棵能不断结出宇宙的苹果树,而我们的宇宙只是它结出的众多苹果中的一个。

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图片来源:123rf.com.cn正版图片库

要想理解永恒暴胀理论对人类宇宙观的冲击,不妨来做一个类比。400多年前,望远镜的发明让科学界意识到我们的太阳并不是唯一的恒星。100多年前,标准烛光(也就是一种能当成超大号蜡烛来测量遥远天体距离的星星)的发现让科学界意识到我们的银河系并不是唯一的星系。而在1983年,斯泰恩哈特提出的永恒暴胀理论则让科学界意识到就连我们的宇宙也不见得是唯一的宇宙。道理很简单。永恒暴胀意味着,只要发生过一次暴胀,就一定会再发生很多很多次暴胀;每次暴胀都能创造出一个宇宙,所以就会产生出很多很多个截然不同的宇宙。这就是所谓的多元宇宙。

从永恒暴胀到多元宇宙

你可能会好奇:“永恒暴胀能产生很多很多个宇宙,那到底是多少个呢?”答案是一个巨大到完全没法用日常生活经验来描述、只有用科学计数法才能表示的数字。从古至今,地球上大概生活过1000亿个人类,这就是10的11次方;银河系的直径有10万光年,大概相当于10万亿亿米,这就是10的21次方;在暴胀期间,宇宙的总体积大概膨胀了1万亿亿亿亿亿亿亿倍,这就是10的60次方。有这几个例子做对比,你就很容易理解下面我要说的是一个多么恐怖的数字了——按照宇宙学家最新的估算,永恒暴胀所能产生的宇宙的个数大概是10的500次方!

时至今日,绝大多数的宇宙学家都已经接受了多元宇宙的概念。特别有趣的是,这个诡异的概念在公众间也颇受欢迎。比如美国著名的漫画公司漫威,就把它旗下诸多超级英雄所处的世界称为漫威多元宇宙。

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图片来源:123rf.com.cn正版图片库

不过漫威多元宇宙与真正的多元宇宙之间有一个最本质的区别:漫威的诸多宇宙能彼此相连,从而让那些漫画人物可以在不同宇宙之间自由穿梭;而永恒暴胀产生的诸多宇宙却相距甚远,不同宇宙之间完全没有任何交流的可能。

当然,并不是所有的宇宙学家都能够接受多元宇宙的理念,甚至有人觉得它是一派胡言。而世界上最最痛恨多元宇宙的科学家,恰恰就是最早提出永恒暴胀概念的保罗·斯泰恩哈特本人。不仅如此,他还“恨屋及乌”,最终走上了反对暴胀学派的道路。

于是,就有了今年的一场学术界战争大片了。

“杀不死”的永恒暴胀

今年2月,宇宙学界多年来的平静被一道惊雷打破。斯泰恩哈特与普林斯顿大学博士后安娜·伊嘉斯(Anna Ijjas)及哈佛大学天文系主任艾维·劳伯 (Avi Loeb)一道,在著名科普杂志《科学美国人》(Scientific American)上发表了一篇攻击暴胀学说的重磅文章。这块大石头砸下去,顿时在整个宇宙学界掀起了惊天巨浪,33名全球闻名的物理学家随即联手反击,发表了一封联名公开信来痛斥斯泰恩哈特等人完全是在一派胡言。

是不是觉得这群科学家的反应太夸张了:不就是一次普通的学术争论嘛,犯得着这么大动干戈吗?但事实上,他们的反应已经再正常不过了。作为暴胀学派过去的三号人物以及现在的头号叛徒,斯泰恩哈特其实在向整个暴胀学派全面宣战。他不仅要挡住暴胀学派目前的三位大佬通往诺贝尔奖的道路,甚至还要端掉整个暴胀学派所有人的饭碗!

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图片来源:123rf.com.cn正版图片库

在这篇全面宣战的檄文中,斯泰恩哈特直接攻击暴胀是一个不可证伪的理论。

你要是看过《哈利·波特》就会知道,里面有一个让几乎所有人都怕得要死的大魔头,叫伏地魔。为什么人们都这么怕他呢?因为他几乎是不死之身。他曾经通过谋杀的方式把自己的灵魂分裂了7次,然后封印在7种不同的事物中。换句话说,伏地魔有7个不同的分身,只要这7个分身不全部死掉,他就永远不会被杀死。

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一个伏地魔。图片来源:《哈利·波特与死亡圣器(上)》官方剧照|豆瓣

类似地,暴胀理论通过永恒暴胀的方式创造了多达10的500次方个宇宙,而且个个都不相同。你可以把这些宇宙也理解成暴胀理论的分身,除非它们全都被天文观测排除,否则暴胀理论就不会被杀死。伏地魔只有7个分身,想杀死他都难如登天;而暴胀理论有10的500次方个分身,你觉得它还能死得了吗?

像这种不可能被实验或观测杀死的理论,就是所谓的不可证伪的理论。

最凶猛的攻击

可能你会觉得有点糊涂:斯泰恩哈特不是要全盘否定暴胀理论吗?干嘛还要宣称它不可证伪?奥秘就在这里。在科学上,一个理论要是被证明根本不可证伪,那它会比被证明错误死得还难看。

著名科学哲学家卡尔·波普(Karl Popper)曾说过一句名言:科学的本质就是可证伪。反过来说,一个理论要是没办法通过实验或观测的方式证伪,那它就属于神学或玄学的范畴,根本没资格被当成是科学。几百年来,这一直都是科学界最核心的信仰。说到这,你应该就能感受到斯泰恩哈特的攻击到底有多凶狠了。他根本不打算与暴胀学派的人争一城一池的得失,而要把人家的大本营全都连根拔起啊!

斯泰恩哈特这种斩草除根的作风犯了宇宙学界的众怒。所以才有那么一大群的学术界名流站出来,愤怒地对他进行批判和声讨。很明显,这场关于宇宙起源的大论战现在还只是刚刚开始;最终的胜败,目前根本无法断言。

当然,要想真正打倒暴胀学派,光炮轰他们的地盘是远远不够的,还得建立自己的根据地。2001年,斯泰恩哈特与另外三位宇宙学家合作,提出了一个关于宇宙起源的新理论,叫做火劫。

下一次,我就来聊聊火劫到底是什么东西。


 楼主| 发表于 2018-1-26 20:51 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangms 于 2018-1-26 21:38 编辑

宇宙到底是一直在胀大,还是忽大忽小?        
                           
  2018-01-08 王爽  中科院高能所
https://mp.weixin.qq.com/s/GkCon35C9mhoLd6ezqBlZA

作者:王爽 中山大学物理与天文学院研究员,科普作家
编辑:婉珺

暴胀理论是解释宇宙起源的重要假说。2002年,由于对暴胀理论的卓越贡献,宇宙学家保罗·斯泰恩哈特(Paul J. Steinhardt)获得了理论物理学界赫赫有名的狄拉克奖。

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2002年的狄拉克奖,从左至右:古斯,斯泰恩哈特和林德。

然而早在一年前,这位暴胀学派的重要人物就已经“背叛”了暴胀理论,他与其他人合作提出了一个关于宇宙起源的新理论,叫做火劫。

宇宙是西西弗斯的巨石吗?

为了更好地解释火劫理论,让我先来讲一个古希腊的神话故事。

传说,古希腊有一个国王叫西西弗斯,他做过很多触怒众神的事,包括直接绑架了死神,让人间很久都没人死亡。为了惩罚西西弗斯,希腊诸神把他流放到地狱的边缘。在那里,西西弗斯必须把一块沉重的球形巨石推上一座高山。每当他费尽九牛二虎之力,好不容易把这块球形巨石推到山顶的时候,这块巨石就会沿原路一直滚回到山底。于是,西西弗斯又不得不下山,重新把巨石往山上推。就这样循环往复、永无休止。

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提香的《西西弗斯》。图片来源:公有领域

这个神话故事里蕴含着一个很奇妙的概念,叫时间循环。它说的是,世界上存在一些周而复始不断循环的周期性变化。

时间循环其实是一个相当普遍的现象。比如,每日白天黑夜的交替、每年春夏秋冬的交替;起源于印度的两大宗教,印度教和佛教,都有所谓的“轮回”观念;美国大投资家威廉·江恩认为,股票市场存在着繁荣和萧条的不断交替。

烧脑的问题来了:既然时间循环是一个很普遍的现象,那能不能拿它来描述整个宇宙呢?

斯泰恩哈特的回答是,能。正是基于这个想法,他提出了前面说过的火劫理论

你可以把火劫理论理解成一部时间循环的宇宙电影。在这部电影中,宇宙处于膨胀和收缩交替的永恒循环中。在膨胀阶段,宇宙会发生一场大爆炸,然后借助大爆炸的力量向外膨胀;此后由于受到万有引力的影响,又会逐渐失去膨胀的动力。而在收缩阶段,宇宙会在达到最大体积之后,反过来进行收缩;最终所有的物质都被压缩进一个极小的区域,而这些物质的剧烈碰撞又会点燃新的大爆炸。如此循环往复、永无休止。

斯泰恩哈特之所以把这个理论命名为火劫,与古希腊四大哲学学派之一的斯多葛学派有关。“斯多葛”在希腊文中意为门廊。由于这个哲学学派特别喜欢在雅典广场的门廊下聚众讲学,所以被称为斯多葛学派。斯多葛学派认为,世界的本源是火,世间的万事万物都在火中孕育而生。有趣的是,在斯泰恩哈特的理论中,恰好有一个重要的概念与之对应,那就是大爆炸:大爆炸既是毁灭旧宇宙的可怕浩劫,又是创造新宇宙的根本动力;此外,在发生大爆炸的时候,宇宙还特别特别的炽热。因此斯泰恩哈特的这个理论被称为火劫理论。

火劫理论与暴胀理论有两个本质的区别:

  • 第一,火劫理论认为,宇宙在大爆炸之前经历的并不是指数式膨胀,而是一段相对缓慢的收缩
  • 第二,在火劫理论中,多元宇宙将不复存在,取而代之的是一个单独的、永远也不会彻底消亡的宇宙

来自暴胀学派的攻击

火劫理论自从诞生之日起,就没少挨暴胀学派的骂。其中骂得最凶的就是斯泰恩哈特的死敌安德烈·林德。

早在35年前,当斯泰恩哈特还是暴胀学派三号人物的时候,林德就曾指责他剽窃了自己“慢滚暴胀”的思想;两人为此打得不可开交,还把打酱油的霍金给拖下了水。斯泰恩哈特成了暴胀学派的叛徒以后,林德就更是变本加厉,对老对手进行了全方位的攻击。

2002年5月,也就是斯坦恩哈特提出火劫理论的第二年,林德就写了篇文章,嘲笑火劫模型根本解决不了宇宙学中的两大重要难题(平坦性问题和视界问题)。林德宣称,要想真正解决这些难题,唯一的办法是对火劫理论进行修改,在大爆炸之前加上一小段加速膨胀。但这样一来,火劫就会被纳入暴胀的理论体系。换句话说,火劫就不再是一个独立的宇宙起源理论,而只是暴胀理论框架下的一个又复杂又麻烦的模型罢了。因此林德断言,火劫理论根本就没有做暴胀理论竞争对手的资格

除了写文章攻击,林德还会去直接砸场子。在一次学术会议中,林德和斯泰恩哈特都应邀出席。当斯泰恩哈特上台宣传他的火劫理论时,林德竟然从观众席中直接站起来当场打断老对手的演讲,并对他的理论一通猛批。斯泰恩哈特也是个暴脾气,立刻对林德反唇相讥。两个超大牌的科学家,就这么在众目睽睽之下吵成了一团。

让我再补充一件关于林德的趣事。别看林德在其他理论家面前总是一副盛气凌人的样子,他在观测数据面前也会服软。我有一个师兄,目前是中科院理论物理研究所的研究员。他曾用天文观测数据比较过一些有名的暴胀模型,发现林德的模型最差,而另一位物理学家斯塔罗宾斯基的模型最好。他就此写的文章发表没多久,就收到了林德的电子邮件。林德在邮件中尴尬地辩解到:“现在就说我不如斯塔罗宾斯基还有待商榷。虽然我有一个模型不行了,但我还提出过很多别的模型嘛。”

言归正传。虽然其他人不会像林德这么富有攻击性,但绝大多数的宇宙学家对火劫理论的态度,其实和林德并没有本质上的区别。不妨做个类比。暴胀学派在宇宙起源领域的地位,大概和谷歌公司在网络搜索领域的地位差不多。谷歌公司在面对其他的网络搜索公司时,显然有不小的优越感。那么暴胀学派看不起火劫理论,也就不难理解了。

其实除了暴胀和火劫,还有两种描述宇宙起源的理论,它们都是由加拿大麦吉尔大学的罗伯特·布兰登伯格(Robert Brandenberger)提出的,分别叫弦气理论反弹理论。不过时间有限,这次我们就不多介绍了。

好了,我已经为你讲完了4位宇宙学大佬之间的恩怨情仇。如果想要回顾整个宇宙起源之旅,可以点击下面的链接。

关于宇宙起源之旅的一些想法

在对这次的宇宙起源之旅做最后的总结之前,我想先来谈一谈自己对科普的一点感悟。

如果把科学想象成一座高耸入云的大山,那怎样才能让普通人也可以登上这座大山,欣赏到山上美丽的风景?

有两种办法。

第一种是建立一所登山学校,对人们进行专业的登山训练。首先,通过严酷的选拔,筛选出一批有潜力的运动员;接着,对他们进行严格的体能训练,帮他们打好必要的基础;最后,再教给他们专业的登山技能,让他们自己去爬山。这种办法叫科学教育。

第二种是成立一个缆车公司,在山脚下修一个缆车,让它一直通到山上。这样无论是谁,无论是身强力壮还是老弱病残,无论是聪明绝顶还是资质平平,都可以到山上去转一转,看看风景,拍拍照片,再发发朋友圈。这种办法叫科学普及。

原则上,对一个好的科普作者而言,不管多复杂多艰深的科学理论,他都可以让一个没有任何基础的人明白个大概。道理其实很简单,就以物理学为例吧,不管多复杂艰深的物理学理论,最终一定能描述成一个可视化的物理图像(事实上,一个理论要是只有公式没有图像,它在学术界本身也吃不开)。只要能深刻理解这个物理图像,就一定能在日常生活中找到一个与之相似的图像,进而借助这两个图像之间的相似性,就能在日常生活与学术前沿之间架起一座沟通的桥梁。这个桥梁就是我前面说过的那个能让所有人都上山的缆车。

但实际上,很少有人会去科普最前沿最复杂的科学知识,缆车公司更倾向于把缆车修到“半山腰”。这么做主要有两个好处:第一,财务负担小,不用为修一个缆车而花费太多的资源;第二,几乎所有名气较大的成熟景点(例如相对论和量子力学)都集中在半山腰,修到这里更容易招揽顾客。但这却造成了一个问题:游客就只能在半山腰上打转,而没有机会去欣赏山顶云蒸雾绕的美景。

还有一种需要死磕的策略,那就是把缆车直接修到学术最前沿的山顶。这么做非常辛苦:首先,修建缆车的难度会急剧增大,要付出的努力和心血也将成倍增加;其次,因为没有多少前人的经验可供借鉴,所以就必须自己摸索出一条全新的路。但这么做有一个最大的好处:能让游客看到山顶之上世间罕见的美丽风景。

在这次的宇宙起源之旅中,我采用了死磕的策略,把缆车修到了宇宙起源的山顶。你应该已经注意到,与相对论和量子力学之类的著名半山腰景点相比,宇宙起源的山顶上充满了太多的不确定性。有些理论,今天看起来还是坚不可摧,但明天来一场风暴可能就被刮倒了。这种动荡不安、还经常笼罩在云雾中的状态,其实才是真实科学世界的本来面目。

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一起来回忆宇宙起源之旅吧!

在这次的宇宙起源之旅中,除了聊了不少暴胀学派大佬的八卦,我还用最生活化的比喻为你介绍了20个关于宇宙起源的重要概念。现在让我带你再重温一遍。它们是:
1.暴胀:宇宙创生之初的超级通货膨胀。
2.暴胀的影响:让两层高的小楼瞬间变得和整个银河系一样大。
3.磁单极子:只有南极或北极的磁铁。
4.真空:能让置身其中的物体稳定存在的时空区域。
5.假真空:能量较高的真空。
6.假真空的能量:推动宇宙暴胀的烤箱里的热量。
7.磁单极子问题:宇宙中为什么找不到磁单极子?
8.平坦性问题:宇宙为什么处于可能性最小的平坦状态?
9.视界问题:宇宙如何完成超光速的信息交流?
10.宇宙要逃离假真空的原因:不能常吃的兴奋剂。
11.宇宙在逃离过程中获得的能量:为大爆炸点火的源动力。
12.古斯理论中的假真空:海拔较高的假真空山谷。
13.量子隧穿:类似于使用幻影移形咒语的移动方式。
14.林德理论中的假真空:山顶之上的假真空平台。
15.慢滚暴胀:让宇宙从假真空平台上慢慢滚下来的暴胀。
16.永恒暴胀:能结出无数宇宙的苹果树。
17.多元宇宙:永恒暴胀结出的10的500次方个苹果。
18.暴胀理论的不可证伪性:拥有10的500次方个分身的伏地魔。
19.时间循环:一些周而复始不断循环的周期性变化。
20.火劫:一部时间循环的宇宙电影。

明白了这些概念,相信你就会对“我们从哪里来”这样的终极问题,有一个远超常人的理解。

这次旅行可能会给你一个这样的印象:宇宙学就是一群理论家的游戏。他们就像是神秘莫测的埃及祭司,说着一口谁也听不懂的奇怪语言,整天只知道高谈阔论,完全不关心现实世界。但事实上,过去30年间,宇宙学最重要的进展并非来自于理论,而是来自于观测。天文观测技术的突飞猛进,让人类可以用前所未有的精度来检验我们前面提到过的那些看似玄乎其玄的宇宙起源理论(至于检测精度嘛,不说别的,肯定比天气预报要靠谱得多)。

可能你会问:“有什么观测能用来研究整个宇宙啊?”下一次的山顶之旅,我就来和你一探其中的奥秘。

很高兴能和你一起完成这次宇宙起源之旅。希望它能给你带来一次充满了欢乐和惊奇的美妙体验。期待下次能在新的科学最前沿的山顶上与你重逢。

题图来源:123rf.com.cn正版图库

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 楼主| 发表于 2018-1-26 21:36 | 显示全部楼层
这是一篇非常好的介绍宇宙起源的文章,很值得一读,对很多读者来说,阅后可谓是收获满满,获益匪浅。

早些时候,作者用的是 “人人都能懂的宇宙起源 ” 这个标题,没有分章节述说,2017/08/18高能所官方微信登载了。
https://mp.weixin.qq.com/s/QUhmtBSVXq_3v76GCq62kw

后来作者重新编辑该文章,设了多个小标题,分章节述说。从11月开始,文章陆续发布在果壳网科学人中。



发表于 2018-1-27 22:37 | 显示全部楼层
‘大战’只能说明一点,大爆炸理论还很不成熟,完善大爆炸理论才是最重要的。‘大战’是好事不应该有情,仇一类的感情,科学的辩论是不影响感情的,错误与失败也并不是敌人。大爆炸理论完全可以上一个新台阶,前提是广集才不称霸。
发表于 2018-1-30 09:09 | 显示全部楼层
如果宇宙大爆炸是真实发生了的,那么问题就来了,是什么导致了这次大爆炸呢?恐怕这不是宇宙天文学的课题,而是哲学课题吧。
发表于 2018-1-30 09:13 | 显示全部楼层
因此,天文学家们应该研究一下了哲学了,比如希腊哲学中亚里士多德的第一实体是什么,黑格尔哲学的绝对精神是什么,等等,物理学已经证明所有定律在奇点处都不再适用,这就说明无穷小的奇点是物理学的边界。霍金抱怨说哲学已经死了,或者它用这种方式抱怨哲学不能再对物理学的发展提供帮助,其实这是它的错误,因为哲学早已为物理学提供了帮助,只是物理学学家们不能理解哲学为它们提供的帮助罢了。

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