宇宙到底怎样长大

苗千

世界上各种文明和宗教所相信的世界创生的故事或许不下几千种，但从20世纪起，人类科学界关于宇宙的诞生过程已经有了一个比较详细的描述，从此各种创生故事也就开始逐渐地烟消云散了。

与或神秘或浪漫的创生故事不同，物理学家们相信我们所处的宇宙起源于大约140亿年之前的一次爆炸，这次爆炸所产生的回响至今仍然留在宇宙中，这就是充斥着宇宙的微波背景辐射。

通过这一次“大爆炸”，宇宙从一个极为微小的形态变成了现在人们所认识到的近乎无边无际的时空。从极微小到极宏大，这是人类对自然界认识的两个极端，那么宇宙究竟是如何跨越了这两个极端成长起来的？关于这个问题，尽管过去几十年里在宇宙学界都有一个被广泛接受的假说，但是关于它所引起的争论还远未结束。

“宇宙暴涨假说”的产生

1979年12月7日的一个早晨，在斯坦福直线加速器中心（SLAC）工作的32岁的研究员阿兰·古斯（Alan Guth）忽然萌生了一个奇妙的想法，他急忙赶到办公室里进行计算，而后又和身边的同事朋友进行讨论。于是一个即将影响宇宙学界几十年的假说就此诞生。“宇宙暴涨”理论逐渐被宇宙学家们所广泛接受，而阿兰·古斯也作为这个假说的提出者和代表性人物被世界所熟知。

根据宇宙暴涨假说，在诞生之后极短的时间里，宇宙具有特殊性质的一部分在一瞬间以远超光速的速度迅速暴涨、拉伸，成长为一个目前人类所能够观测到的宇宙，虽然在之后100多亿年的时间里宇宙仍然在保持膨胀，但是速度已经减慢。可以说，是宇宙在一瞬间的暴涨使宇宙跨越了微观和宏观的界限（根据相对论，物质运动的速度不能超越光速，但时空本身不受此限制）。

宇宙暴涨理论能够在科学界得到如此高的认同，自然是因为它与目前人类所观测到的现象相吻合，并且具有极强的解释能力。例如，它可以解释为什么宇宙中的空间这么平坦，从各个方向上看过去又都大致相同，宇宙微波背景辐射分布得为何这么均匀……从极小的尺度一下子拉伸到极大的尺度，在极小尺度上的差异自然也几乎消失了，就如同一个人走在人行道上，并不会感觉到地球是圆的。

宇宙暴涨理论能够解决很多宇宙学的难题，但是目前它仍然是一个假说。迄今为止，宇宙学家们仍然没有找到可以证实暴涨理论成立的确切实验证据。例如根据暴涨理论的预测，在暴涨的过程中会产生出某种“原初引力波”，在2014年，一组在南极地区进行宇宙学探测的美国科学家发表论文，认为他们探测到了符合暴涨假说预测的“原初引力波”。这个发现一旦可以得到确认，自然会是证明暴涨理论正确性的最有力的证据，但可惜的是，几个月之后更加准确的来自普朗克卫星的探测结果显示，美国科学家们在南极的探测结果很可能受到了星际尘埃的影响，并不足为信。暴涨理论错过了自诞生以来，几十年里最好的验证机会。

如果始终找不到实验证据，一个假说是否还应该在科学界占有重要的地位？2017年2月，《科学美国人》（Scientific American）杂志发表了3位来自普林斯顿大学和哈佛大学的物理学家安娜·伊雅斯（Anna Ijjas）、保罗·斯泰恩哈特（Paul Steinhardt）和亚伯拉罕·勒布（Abraham Loeb）的文章《宇宙暴涨理论面临挑战》（Cosmic Inflation Theory Faces Challenges）。在文章中，3位物理学家质疑，宇宙暴涨理论有可能是错误的，在宇宙诞生的初期状态下，发生暴涨的可能性极低。更关键在于，这样一个开放式的理论，几乎可以符合一切的观测结果，从而使其无法被证明，这使它失去了成为一个真正的科学理论最重要的条件，或许宇宙学家们需要寻找一个更为可靠的宇宙学理论了。

3位物理学家事先可能没有想到的是，这样一篇并非发表在学术期刊上的文章在宇宙学界瞬间掀起了轩然大波，支持宇宙暴涨理论的一派科学家迅速做出了激烈的回应。2017年5月9日，《科学美国人》杂志刊登了一篇反击性的文章《一个宇宙学争论》（A Cosmic Controversy）。与其他文章最大的不同之处在于，这篇文章不仅有4位大有名气的作者——现任教于美国麻省理工学院的阿兰·古斯、斯坦福大学教授安德烈·林德（Andrei Linde）、麻省理工学院的戴维·凯撒（David Kaiser）、加州伯克利大学的野村泰纪（Yasunori Nomura）——除此之外还有29位科学家签名表示支持。这些签名的科学家几乎全是世界物理学界的顶尖人物，甚至包括4位诺贝尔奖得主和1位菲尔茨奖得主，另外著名理论物理学家史蒂芬·霍金教授也在其中。

33位世界著名的科学家共同发表声明指出你的错误，在大多数人的生命里可遇不到这样的事。而当它真的发生，原本质疑暴涨理论的3位物理学家并没有诚惶诚恐，他们不仅在《科学美国人》杂志上迅速做出了回应，还在普林斯顿大学的网站上设立了一个页面进一步表达自己的观点，并且开始做“事实核查”，一项一项地与对方展开讨论。

这3位科学家表示，对于对方30多位卓越科学家的回应有些失望。他们认为在科学界里，对于暴涨理论的质疑曾经是可能的（现在则会受到攻击）。有些人声称暴涨理论已经被证实，是基于已经过时的、有基础性错误的理论。他们相信在一个健康的学术社区中，指出其中的问题，并产生分歧是完全合理的。这3位科学家认为，暴涨理论建立于一系列的误解之上。实际上根据目前的研究，要发生宇宙暴涨，对于初始条件的要求相当苛刻，另一方面，暴涨一旦发生，又会导致永远的暴涨——这又会产生其他的问题。

有没有反对的声音？

在科学界，面對一个科学问题，这种联名签署的公开信确实罕见，而如此之多的著名科学家同时出现更是前所未有，以至于让这场学术辩论演变得近似为一个政治事件。旁观了整个事件的哥伦比亚大学理论物理学家皮特·沃伊特（Peter Woit）更是将这封公开信称为一个“运动”。阿兰·古斯等几位作者为了使自己的回应看上去更加有力，才需要在科学界中找到众多有名望的科学家共同签名，凯撒说，（让这场争论）看上去像是三个人不同意三个人的看法又有什么意义呢？学术辩论演变得如此声势浩大，以至于让沃伊特更感兴趣的是，是否有人拒绝在其中签名。

实际反应比看上去的更激烈。麻省理工学院的物理学家与科学史专家戴维·凯撒表示，这3位物理学家对于宇宙暴涨理论的质疑实际上在几年前就已经被解决掉了，他甚至怀疑《科学美国人》杂志社编辑的判断能力不足，才使这样一篇水准不足的文章被刊登出来。阿兰·古斯也表示，这3位物理学家认为暴涨理论无法被验证的声明是完全错误的，对此毫无事实根据。而实际上，《科学美国人》杂志可能正是发表此类文章的好地方，这是在6年里这个科普杂志第三次对于暴涨理论提出质疑。杂志编辑克拉拉·莫斯科维茨（Clara Moskowitz）表示，很明显大多数科学家都倾向于支持暴涨理论，但是对此持相反态度的人同样应该有发言的机会。

科学问题毕竟还需要运用科学方法，依靠科学证据来解决，但是目前的问题在于，争辩的双方对于同一份观测数据却有着完全不同的理解。例如对于普朗克卫星的观测数据，一方认为其完全符合一类标准暴涨模型的预测，而另一方则认为这份数据已经否定了很大一部分暴涨模型。古斯认为，早在普朗克卫星的观测数据公布之前，暴涨理论就预测了宇宙微波背景辐射温度的微小差异在宇宙中的分布状况，而随后普朗克卫星的观测数据显示正是如此，这正是证明了暴涨理论的预测能力。与之相对的3位科学家则认为，根据其他的宇宙模型也可以得出相同的结论，这无法证明暴涨理论，而且有一类暴涨模型并没有预测到这种现象，理应被视为失败。

不仅如此，处于对立双方的科学家们对于暴涨理论的适用范围也存在极大的分歧。一个理论在何种程度上可以被验证，又在何种程度上将被否定？如果一个理论可以适用于一切的观测结果（从而无法被否定），那么它是否还可能成为一个科学理论？就连对于这样一个标准的认定，双方科学家也存在着极大不同。有人找到一份2014年的记录，亚伯拉罕·勒布曾经问过阿兰·古斯，是否可能有任何的实验能够否定暴涨理论？古斯回答说，暴涨理论是一个过于有弹性的想法，因而无法被证伪。

双方争论的另外一个焦点在于多重宇宙。在很多暴涨理论模型中，暴涨一旦发生，就永远都不会停止。也就是说，根据理论预测，虽然在人类所能够观测到的宇宙范围内暴涨已经停止，但是在人类视线所不及的某些区域一定还在一刻不停地发生着暴涨，一个又一个的“新宇宙”正在不断地被创造出来。一个宇宙，也即意味着永无止境的无穷多个宇宙。而在每一个宇宙又都有其自身的物理规则，这个过程将永不停息。对此持怀疑态度的3位科学家认为，这样的理论预测将导致理论本身永远没有办法被验证，因为这个理论预测了不只是一样东西，而是所有的东西。在这个系统中一切可能的物理学系统都有可能实现，他们把这样的理论预测成为“多重混乱”。

由这样不同寻常的争论衍生出一个问题：是否存在“纯粹的”科学问题，对于宇宙暴涨理论的讨论，如果涉及哲学层面，它是否还可能成为一个科学问题？对于验证科学理论的“科学方法”，是否又存在一个明确的定义？当涉及科学界长久以来未有定论、难以成立又难以被否定的学说时，一切似乎都成为疑问。

关于在宇宙大爆炸之后的一秒钟之内到底都发生了什么，目前世界上最杰出的一群物理学家们分成了兩派，相互用异常严厉的语言声称对方所做的并非科学，这种指责实为少见。这种公之于众的争吵也难免对科学界造成撕裂和进一步的伤害。而问题则一直存在：宇宙大爆炸之后到底发生了什么，使得我们如今所居住的宇宙空间如此平直，又如此的广阔。目前宇宙学家们所达成的共识是大爆炸本身并不足以造成这样的结果，大爆炸自身的能量无法产生出如此广阔的宇宙，另外其产生出的时空也会弯曲。大多数物理学家接受暴涨理论最重要的理由，大约是因为其自身的简洁性。正如凯撒所说，暴涨理论是对于物理学中两个最重要的原理：广义相对论中的等效原理和量子力学的不确定性原理的保守型性的，极简主义的结合。对于追求简洁的物理学家们来说，它确实具有极大的吸引力。

加州理工学院的著名宇宙学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）在他的私人博客上对这个争论做出了进一步回应（他也在支持宇宙暴涨理论的公开信上签了名）。他写道，宇宙暴涨理论不仅是一个聪明的想法，而且它可以解释目前我们所观测到的宇宙何以如此。即便如此，卡罗尔仍然隐隐表达了这个理论所引发的无可避免的宇宙陷入永无停歇的暴涨的担忧，这样的解释将使我们的宇宙中一切看起来难以解释的现象和常数变得容易理解却又无法验证。另一方面，卡罗尔又表示他的注意力更多集中在宇宙暴涨何以发生的初始条件上。

2014年3月14日，美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的阿兰·古斯教授在天文望远镜旁

卡罗尔表示，宇宙暴涨理论毫无疑问属于科学理论，它由科学家们所提出和研究，用以做出科学预测，并且对于我们理解宇宙的早期形态也有潜在的影响。多重宇宙理论“有可能”可以被验证，但即使无法验证，仍然不影响宇宙暴涨理论的科学性——这正是他决定在这封公开信上签名的原因。

这场物理学界罕见的大争论还将持续多长时间，最终又将以什么样的方式结束尚未可知。从另一个角度来看，宇宙暴涨理论，乃至这样的一场大争论会对科学本身产生什么样的影响，是否会改变人们对于科学以及科学方法的认知将是一个更为重要的问题。无论如何看待，宇宙暴涨理论、多重宇宙理论的出现都可以算是人类科学发展到一定阶段的必然产物。科学如何发展，人类的智慧该如何应对才能走出这个谜团，将是人类在未来面对的最重要的难题之一。

（本文写作参考了《科学美国人》杂志的相关报道）