宇宙到底是一直在胀大，还是忽大忽小？科学家又撕起来了！

原标题：宇宙到底是一直在胀大，还是忽大忽小？科学家又撕起来了！

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。

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。

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，分别叫弦气理论和反弹理论。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。（果壳科学人微信公众号有推送）

• 一场诺奖级的大战：大爆炸竟然不是宇宙的真正起源？

• 一口气解决三个宇宙学难题，暴胀理论名动天下

• 慢滚暴胀：从山顶平台上慢慢滚下来的皮球

• 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

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。

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%&&&&&%找不到磁单极子？

8.平坦性问题：宇宙%&&&&&%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。

作者名片

排版：晓岚

题图来源：123rf.com.cn正版图库

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