理查德·戈特

研究泡沫宇宙的歷史始于1968年，當時我在麻省理工學院，在那里我遇到了羅伯特·柯什納。他這個人活潑、好玩、有趣。幾年以后，我們又在加州理工學院相遇，他在那里讀研究生，而我剛去那里做博士后。在加州理工學院，他的一次好運改變了自己職業(yè)生涯的方向，最終有助于重塑現(xiàn)代宇宙學。

柯什納在加州理工學院時，看到一顆明亮的超新星。幸運的是，他能夠使用帕洛瑪山上5米口徑的海爾望遠鏡對它進行研究。結合他的發(fā)現(xiàn)和當代的一些創(chuàng)新方法，他開發(fā)了一種巧妙的測距法。當時人們對宇宙的距離規(guī)模知之甚少，因此獲得更準確的數(shù)字對更好地理解宇宙結構及其演變至關重要。

柯什納從20世紀90年代中期開始組建團隊，利用超新星來測量宇宙的擴張速度——這是宇宙隨著時間的推移而變化的一個特別明顯的指標。當時天文學家認為，自大爆炸以來，由于星系之間的引力拉動，擴張速度一直在減緩。最大的問題是：宇宙減速有多快？

為了得到答案，柯什納和他的團隊測量了超新星的距離，并將這些距離與它們的衰退速度進行了比較。實質上，他們使用超新星作為已知固有亮度的標準參照，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展速率。

由于光速有限，我們看得越遠，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)，那個時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，加利福尼亞大學伯克利分校的一個競爭團隊，使用類似的技術進行相同的測量。

然后事情奇怪起來。兩個團隊發(fā)現(xiàn)宇宙的擴張并沒有放緩，反而加速了！柯什納以前的學生亞當·黎斯和布萊恩·施密特以及伯克利分校的索爾·珀爾馬特因為這個發(fā)現(xiàn)而分享了2011年諾貝爾物理學獎。超新星的數(shù)據(jù)表明，在我們的宇宙構成中，有一些不同的和無法解釋的東西。這些結果還暗示了宇宙幾何奇怪的內容：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。

宇宙加速擴張的解釋起初雖然令人驚訝，但是可以從物理學家的理論工具箱中獲得。這可以追溯到阿爾伯特·愛因斯坦的一個觀念，即宇宙常數(shù)。1922年， 俄國數(shù)學家亞歷山大·弗里德曼證明，沒有宇宙常數(shù)的最簡形式的相對論似乎意味著宇宙的擴張或縮小。當哈勃的觀察結果確定宇宙正在擴張時，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，比利時物理學家喬治·萊馬蒂證實，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壓。這個想法乍聽起來可能很奇怪，畢竟我們習慣于認為真空區(qū)的真空應該具有零能量密度，因為那里沒有物質。但是，假設空間有有限但很小的能量密度，這種情況也有可能存在。

由于相對論的緣故，真空能量暗示著負壓。真空區(qū)應該缺少固有的優(yōu)選的靜止標準。兩艘火箭上的乘員在真空區(qū)相互經過的時候，每個人都會認為自己靜止未動，而對方在移動。如果真空也具有相等量級的負壓，不同的火箭以不同的速度相互經過的唯一方式可以測量真空能量密度的相同值。

7×10-30克/立方厘米是一個微小的暗能量，但是穿越巨大的空間時會產生巨大的影響

負壓具有排斥引力效應，但同時能量本身具有吸引重力效應，因為能量等于質量。（這就是E=mc2描述的關系，即狹義相對論的另一個含義。）負壓在左右、前后、上下三個方向上的作用產生的排斥效應是真空能量吸引效應的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，因為它不產生光?，F(xiàn)在，人們已廣泛接受用暗能量來解釋宇宙的加速膨脹。

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

這個比值表明能量隨時間的變化如何變化，以及宇宙如何變化。在觀測不確定度內，測量值等于-1。如果正好為-1，則真空能量將保持在其當前的恒定值；7×10-30厘米/立方厘米是一個微量的暗能量，但它穿越巨大空間時有著巨大的影響，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大，遙遠的星系將離開我們。經過充分的翻番后，它們與我們之間在空間擴展上會非?？?，它們的光將不再能夠跨越這個日益擴大的差距而到達我們。遙遠的星系將從視野中消失，我們會發(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)的不同場的值，其中之一是使正常粒子具有質量的希格斯場。新澤西州普林斯頓高級研究所的物理學家阿卡尼·哈米德已經證明，希格斯場創(chuàng)造了一個在10130年的時間尺度上不穩(wěn)定的真空狀態(tài)。如果這個場衰減，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。還有另一個很大的區(qū)別：低密度真空的氣泡會以接近光速擴張。

說得婉轉一點，如果與其中一個泡沫相遇就會惹來麻煩。氣泡內希格斯場的值與外界不同，這就意味著你體內的粒子物質也將不同，因此無法進入擴張氣泡的內部。按照阿卡尼·哈米德的說法，泡壁會撞擊你，就像汽車的風擋玻璃撞到東西那樣，東西就會粉碎在風擋玻璃上。

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

如果在280億光年半徑內形成一個泡沫， 那么我們就會像蒼蠅撞在風擋玻璃上那樣死去

這些氣泡將形成一個大約10-16厘米的微小半徑，小于質子的半徑，其內部將是伴有正壓的負真空能。因此，氣泡壁內部會有正壓，外部是輕微的負壓，正壓會將氣泡壁向外推，而外面的輕微負壓也會向外拉。結果，氣泡會像氣球一樣爆炸。大約10-26秒的時間，它就會加速到接近光速。

以這樣的速度，如果一個泡壁即將擊中你就不會有任何預警。來自泡壁的光信號不會比泡壁本身早多少，你會覺得它幾乎是在你看到它的同時撞到你。幸運的是，宇宙的加速膨脹提供了一定的保護。

如果泡沫與我們的距離超過280億光年，那么泡壁就永遠不會碰到我們，那是因為我們和泡沫之間的空間像橡皮筋一樣伸展，每122億年翻一番。狹義相對論告訴我們，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以快于光速的速度膨脹。對那些非常遙遠的泡沫來說，泡壁永遠不會跨越與您越來越大的差距。但是，如果在280億光年半徑之內形成一個泡沫，這個泡壁就會撞到我們，那么我們會像撞在風擋玻璃上的蒼蠅那樣死去。

如果阿卡尼·哈米德是正確的，這種破壞的風險就非常低。從統(tǒng)計學角度來說，又一個10

130年不可能再發(fā)生，因為泡沫形成的速度極其緩慢。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：不在泡內或泡外，而是在泡的表面?，F(xiàn)在想象你是一個巨大的基本粒子，坐在剛形成的泡上。比如說，我們認為你可能是一個大質量弱相互作用粒。

子（WIMP），是你這樣的粒子將星系群聚集在一起。這種粒子的質量可能具有質子質量大約1000倍的量級。泡壁正在向外加速，向你施加越來越快的加速度。你會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。作為一個基本粒子，你很堅強。

根據(jù)愛因斯坦的等效原則，運動引起的加速度（如火箭起動自己的發(fā)動機）和重力加速度（如在地球表面）是不可區(qū)分的。你這個強壯的WIMP粒子，可以認為你不是坐在加速的玻璃狀真空泡上，而是在一個半徑為10-16厘米的巨大的玻璃球行星上。如果你應用牛頓的法則，從你的加速度（1034重力加速度）和你的測量半徑10-16厘米，就會推斷出你的玻璃泡行星質量為150萬噸。

隨著泡壁向外推動，你越來越接近光速，你的時鐘會越來越慢，運動方向的長度會縮小，你的同時性概念也會改變，這是狹義相對論的影響。當你接近光速時，你會感覺到當時的時間與制造泡沫的時間相同。由于長度縮小，你也會覺得你距離泡沫的中心和最初一樣遠。

這聽起來有點奇怪，但是你根本體驗不到膨脹的泡沫，你會認為泡沫是靜止的，你是坐在一個固定半徑的巨大的玻璃行星上。

你可能會好奇，并嘗試進行一些實驗。如果你向外發(fā)射光束，它會逃脫到無限遠，因為它仍然會超過膨脹的泡壁。但是，如果你保持光束在玻璃行星表面的水平方向，就會看到它像沿著軌道在表面運行一樣，泡沫會跟著光束向外移動而膨脹。如果你以低于光速從表面向上投擲一個球，那么當泡壁繼續(xù)向外加速時，您最終會趕上這個球。

隨著泡的永久擴張，這個宇宙的體積將會無限制地擴展下去

這種情景就是我們今天理解的物理學規(guī)律的作用。但是，阿卡尼·哈米德認為，在極高的能量下可能會有其他的作用，遠遠超出了物理學家利用發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的大型強子對撞機來探測的這些效應。如果是這樣的話，我們可能遠遠地逃脫了以前計算的那種泡災。根據(jù)斯坦福大學宇宙學家安德烈·林德的觀點，我們可能會看到僅僅1034年之后，在我們可見的宇宙內形成很多泡。

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

但是，泡內的日子就不會那么悲慘了。從理論上來講，低正真空能量可以衰減成粒子，泡內會形成一個自給自足的宇宙。隨著氣泡永遠擴大，這個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，麻省理工學院的物理學家艾倫·古斯發(fā)明了一種膨脹理論，提出當我們的宇宙首次形成時，有一個非常高的真空能量和非常高的負真空壓力的短暫時期。在這個早期階段，宇宙非常迅速地膨脹，其體積可能每3×10-38秒翻一番。這個膨脹理論解決了宇宙學中的許多重大謎團，但是也給自身帶來了一些問題。哈佛大學的西德尼·科爾曼表示，這樣一個真空狀態(tài)會通過形成泡而衰退，就像我們在這里討論的情況一樣。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，我提出了一個解決方案：也許我們的宇宙只是不斷擴大的泡之一。在其中一個泡的內部，宇宙會顯得均衡一致，因為我們只會看到我們自己的那個泡以及之前一致擴充的泡沫海洋?；谶@個觀點，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。

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

膨脹應該永遠持續(xù)下去，創(chuàng)造出永遠產生泡沫宇宙的多元宇宙

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

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期開始膨脹的情形，并以美麗的細節(jié)描述了我們在微波背景下看到的大爆炸的微小波動。膨脹說的成功使我們相信，我們的宇宙是從一個非常高密度的真空狀態(tài)出現(xiàn)的，伴隨著同等量級的負壓，一旦開始膨脹，就很難停下來。膨脹應該永遠持續(xù)下去，創(chuàng)造出永遠產生泡沫宇宙的多元宇宙。

到這里，我們的故事應該畫上一個句號了。也許我們不必揣測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。