三十年前，當時在斯坦福直線加速器中心苦苦掙扎的物理學博士後艾倫·H·古斯在一系列研討會上將“暴脹”引入了宇宙學詞彙。該術語指的是在宇宙大爆炸後的最初瞬間可能發生的一段短暫的超加速膨脹。其中一個研討會在哈佛大學舉行，當時我自己也是那裡的博士後。我立刻被這個想法迷住了，從那以後幾乎每天都在思考它。許多在天體物理學、引力物理學和粒子物理學領域工作的同事也同樣全神貫注。時至今日，宇宙暴脹理論的發展和檢驗仍然是最活躍和最成功的科學研究領域之一。
它的存在理由是為了填補原始大爆炸理論中的一個空白。大爆炸的基本思想是，宇宙自大約137億年前開始以來一直在緩慢膨脹和冷卻。這個膨脹和冷卻過程解釋了今天所見的宇宙的許多詳細特徵，但有一個問題：宇宙必須以某些特性開始。例如，它必須極其均勻，物質和能量的分佈只有極其微小的變化。此外，宇宙必須是幾何平坦的，這意味著空間結構的彎曲和扭曲不會彎曲光線和運動物體的路徑。
但是，為什麼原始宇宙應該如此均勻和平坦呢？先驗地看，這些起始條件似乎不太可能。這就是古斯思想的切入點。他認為，即使宇宙最初處於完全混亂的狀態——能量分佈高度不均勻且形狀扭曲——一次壯觀的增長爆發也會使能量擴散開來，直到均勻分散，並拉直空間中的任何彎曲和扭曲。當暴脹時期結束時，宇宙本應以原始大爆炸理論中更溫和的速度繼續膨脹，但現在具備了恆星和星系演化到我們今天所見狀態的恰當條件。
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這個想法非常引人注目，以至於包括我在內的宇宙學家經常將其描述為學生、記者和公眾的既定事實。然而，自從古斯提出暴脹理論以來的30年裡，發生了一些奇怪的事情。隨著支援暴脹的證據越來越有力，反對暴脹的證據也變得越來越有力。這兩種情況並不為人所熟知：支援暴脹的證據為廣泛的物理學家、天體物理學家和科學愛好者所熟悉。令人驚訝的是，除了我們這些一直在默默努力應對挑戰的小團體之外，似乎很少有人關注反對暴脹的證據。大多數天體物理學家都在忙於測試教科書暴脹理論的預測，而沒有擔心這些更深層次的問題，希望這些問題最終能夠得到解決。不幸的是，這些問題抵制了我們迄今為止所做的最大努力。
作為曾經為暴脹理論[參見艾倫·H·古斯和保羅·J·斯坦哈特合著的“暴脹宇宙”；《大眾科學》，1984年5月]和競爭理論做出貢獻的人，我感到很矛盾，我感覺我的許多同事也不確定如何看待反對暴脹的證據。為了戲劇化我們所處的奇怪困境，我將對暴脹宇宙學進行審判，提出兩種極端的觀點。首先，我將充當熱情的“支援”倡導者，陳述該理論最強大的優勢，然後，同樣熱情地充當“反對”倡導者，陳述最嚴重的未解決問題。
支援暴脹的理由
暴脹理論是如此廣為人知，以至於支援它的理由可以簡明扼要。為了充分理解其優勢，還需要更多細節。暴脹依賴於一種稱為暴脹能量的特殊成分，它與引力結合，可以驅動宇宙在短暫的瞬間膨脹驚人的程度。暴脹能量必須非常密集，並且其密度在暴脹時期必須保持幾乎恆定。它最不尋常的特性是它的引力必須是排斥而不是吸引。排斥力是導致空間如此快速膨脹的原因。
古斯的想法之所以具有吸引力，是因為理論家們已經確定了許多可能的這種能量來源。最主要的例子是一種假設的磁場親屬，稱為標量場，在暴脹的特定情況下，它被稱為“暴脹子”場。現在在日內瓦附近歐洲核子研究中心的強子對撞機中尋找的著名希格斯粒子就來自另一個標量場。
與所有場一樣，暴脹子在空間中的每個點都具有一定的強度，這決定了它對自己和其他場施加的力。在暴脹階段，其強度在各處幾乎恆定。根據場的強度，它具有一定的能量——物理學家稱之為勢能。強度和能量之間的關係可以用圖表上的曲線表示。對於暴脹子，宇宙學家假設曲線看起來像穿過山谷和緩坡高原的橫截面[見前頁的方框]。如果場以對應於高原上某一點的強度開始，它將逐漸失去強度和能量，就像從斜坡上滑下來一樣。事實上，這些方程類似於球沿著與勢能曲線形狀相同的山坡滾下的方程。
暴脹子的勢能可以導致宇宙以加速的速度膨脹。在這個過程中，它可以平滑和展平宇宙，前提是場在高原上停留足夠長的時間（大約10–30秒），以便沿每個方向將宇宙拉伸1025倍或更多。當場到達高原末端並衝下山坡到達下面的能量谷時，暴脹結束。此時，勢能轉化為更熟悉的能量形式——即，今天充滿宇宙的暗物質、熱普通物質和輻射。宇宙進入一個適度的、減速膨脹的時期，在此期間，物質聚結成宇宙結構。
暴脹平滑宇宙，就像拉伸橡膠片平滑其皺紋一樣，但它並非完美地做到這一點。由於量子效應，仍然存在小的irregularities。量子物理定律規定，像暴脹子這樣的場在空間中並非處處具有完全相同的強度，而是會經歷隨機波動。這些波動導致暴脹在空間的不同區域在略微不同的時間結束，從而將它們加熱到略微不同的溫度。這些空間變化是最終將成長為恆星和星系的種子。暴脹理論的一個預測是，這些變化幾乎是尺度不變的。也就是說，它們不依賴於區域的大小；它們在所有尺度上都以相同的量級發生。
支援暴脹的理由可以用三條格言來概括。首先，暴脹是不可避免的。自古斯提出以來，理論物理學的發展只會加強這樣一種假設，即早期宇宙包含可能驅動暴脹的場。在統一物理理論（如弦理論）中，出現了數百個這樣的場。在混沌的原始宇宙中，肯定會有一些空間區域滿足其中一個場發生暴脹的條件。
其次，暴脹解釋了為什麼今天的宇宙如此均勻和平坦。沒有人知道宇宙從大爆炸中出現時是多麼均勻或平坦，但有了暴脹，就沒有必要知道，因為加速膨脹時期將其拉伸成了正確的形狀。
第三，也可能是最令人信服的是，暴脹理論具有強大的預測能力。例如，對宇宙微波背景輻射和星系分佈的大量觀測證實，早期宇宙中能量的空間變化幾乎是尺度不變的。
反對暴脹的理由
理論失敗的第一個跡象通常是觀測和預測之間的小差異。情況並非如此：資料與1980年代早期提出的暴脹預測非常吻合。相反，反對暴脹的理由挑戰了該理論的邏輯基礎。該理論真的像宣傳的那樣有效嗎？1980年代早期做出的預測仍然是我們今天理解的暴脹模型的預測嗎？有一種論點認為，這兩個問題的答案都是否定的。
第一條格言認為暴脹是不可避免的。但如果是這樣，那麼就有一個令人尷尬的必然結果：壞的暴脹比好的暴脹更可能發生。“壞的暴脹”意味著一段加速膨脹時期，其結果與我們觀察到的情況相沖突。例如，溫度變化可能太大。好與壞之間的區別取決於勢能曲線的精確形狀，這由一個數值引數控制，原則上該引數可以取任何值。只有極窄的值範圍才能產生觀測到的溫度變化。在典型的暴脹模型中，該值必須接近10–15——即，小數點後15位為零。一個不太精細調整的選擇，例如小數點後只有12位或10位或8位為零，將產生壞的暴脹：相同程度的加速膨脹（或更大），但溫度變化很大，與觀測結果不符。
如果壞的暴脹與生命不相容，我們可以忽略它。在這種情況下，即使原則上可能出現如此大的溫度變化，我們也永遠無法觀察到它們。這種推理被稱為人擇原理。然而，它不適用於這裡。更大的溫度變化將導致更多的恆星和星系——如果有什麼不同的話，宇宙將比現在更適合居住。
不僅壞的暴脹比好的暴脹更可能發生，而且沒有暴脹比兩者都更可能發生。牛津大學物理學家羅傑·彭羅斯在1980年代首次提出了這一觀點。他應用了熱力學原理，類似於用於描述氣體中原子和分子構型的原理，來計算暴脹子場和引力場可能的起始構型。其中一些構型導致暴脹，進而導致物質的近乎均勻、平坦的分佈和幾何平坦的形狀。其他構型直接導致均勻、平坦的宇宙——沒有暴脹。這兩組構型都很罕見，因此總體而言，獲得平坦宇宙的可能性不大。然而，彭羅斯令人震驚的結論是，不透過暴脹獲得平坦宇宙比透過暴脹獲得平坦宇宙的可能性要大得多——可能性相差10的古戈爾（10100）次方！
永恆暴脹的危險
另一種方法得出類似的結論，即使用已建立的物理定律，從宇宙當前的條件向後推斷宇宙的歷史。這種外推不是唯一的：鑑於今天平均平坦和光滑的條件，之前可能發生過許多不同的事件序列。2008年，劍橋大學的加里·W·吉本斯和加拿大安大略省 Perimeter 理論物理研究所的尼爾·圖羅克表明，絕大多數外推都具有微不足道的暴脹量。這個結論與彭羅斯的結論一致。兩者似乎都違反直覺，因為平坦而光滑的宇宙不太可能，而暴脹是獲得所需平滑和展平的強大機制。然而，這種優勢似乎完全被啟動暴脹的條件如此不可能的事實所抵消。當考慮到所有因素時，宇宙更可能在沒有暴脹的情況下達到其當前條件，而不是透過暴脹達到其當前條件。
許多物理學家和天體物理學家發現，與一個更有說服力的支援暴脹的論點相比，這些理論論點缺乏說服力：即，1980年代早期制定的預測與今天可獲得的宏偉的宇宙學觀測結果之間的一致性。匹配的實驗勝過任何理論論證。但這個故事的奇怪之處在於，1980年代早期的預測是基於對暴脹實際工作原理的幼稚理解——事實證明這種理解是完全錯誤的。
觀點的轉變始於認識到暴脹是永恆的：一旦開始，它就永遠不會結束[參見安德烈·林德的“自我複製的暴脹宇宙”；《大眾科學》，1994年11月]。暴脹的自我永續性是量子物理學與加速膨脹相結合的直接結果。回想一下，量子波動可以稍微延遲暴脹結束的時間。在這些波動很小的區域，它們的影響也很小。然而，波動是無法控制的隨機的。在空間的某些區域，它們將很大，導致相當大的延遲。
這種拖延的無賴區域非常罕見，因此您可能會認為忽略它們是安全的。您不能，因為它們正在膨脹。它們繼續增長，並在瞬間，使按時結束暴脹的良好區域相形見絀。結果是，膨脹空間的海洋包圍著一個充滿熱物質和輻射的小島。更重要的是，無賴區域會產生新的無賴區域，以及新的物質島——每個島都是一個獨立的宇宙。這個過程無限期地持續下去，創造出無限數量的島嶼，這些島嶼被越來越多的膨脹空間包圍。如果您沒有對這幅圖景感到不安，請不要擔心——您不應該感到不安。令人不安的訊息還在後面。
這些島嶼並非都相同。量子物理學的內在隨機性確保了有些島嶼高度不均勻或強烈扭曲。它們的不均勻性聽起來像是前面描述的壞的暴脹問題，但原因不同。壞的暴脹發生是因為控制勢能曲線形狀的引數可能太大。這裡的非均勻性可能是永恆暴脹和隨機量子波動的結果，無論引數值如何。
為了在數量上精確，上面的“有些”一詞應替換為“無限數量的”。在永恆暴脹的宇宙中，無限數量的島嶼將具有類似於我們觀察到的那些特性，但無限數量的島嶼將不具有。暴脹的真正結果最好由古斯總結：“在永恆暴脹的宇宙中，任何可能發生的事情都會發生；事實上，它會發生無數次。”
那麼，我們的宇宙是例外還是規則？在無限的島嶼集合中，很難說清。作為一個類比，假設您有一個裝有已知有限數量的四分之一美元和一美分的麻袋。如果您伸手進去隨機挑選一枚硬幣，您可以對您最有可能選擇哪枚硬幣做出可靠的預測。但是，如果麻袋包含無限數量的四分之一美元和一美分，則您無法做到這一點。為了嘗試評估機率，您將硬幣分類成堆。您首先將一枚四分之一美元放入堆中，然後是一美分，然後是第二枚四分之一美元，然後是第二枚一美分，依此類推。此過程給您的印象是每種面額的數量相等。但是，然後您嘗試不同的系統，首先堆放10枚四分之一美元，然後是一美分，然後是10枚四分之一美元，然後再是一美分，依此類推。現在您給人的印象是每美分有10枚四分之一美元。
哪種計算硬幣的方法是正確的？答案是都不是。對於無限的硬幣集合，有無數種排序方式可以產生無限範圍的機率。因此，沒有合法的方法來判斷哪枚硬幣更可能。按照同樣的推理，也沒有辦法判斷在永恆暴脹的宇宙中哪種島嶼更可能。
現在您應該感到不安了。如果任何可能發生的事情都會發生無數次，那麼說暴脹做出某些預測——例如，宇宙是均勻的或具有尺度不變的波動——這意味著什麼？如果該理論沒有做出可檢驗的預測，宇宙學家如何聲稱該理論與觀測結果一致，就像他們經常做的那樣？
我們失敗的衡量標準
理論家們並非沒有意識到這個問題，但他們相信他們可以解決這個問題，並恢復1980年代早期天真的暴脹圖景，正是這個圖景吸引了他們加入這個理論。儘管許多人已經為此問題掙扎了25年，但尚未提出合理的解決方案，但許多人仍然抱有希望。
有些人建議嘗試構建非永恆的暴脹理論，以將無限的宇宙扼殺在萌芽狀態。但是，永恆性是暴脹加上量子物理學的自然結果。為了避免永恆性，宇宙必須以非常特殊的初始狀態開始，並且具有特殊形式的暴脹能量，以便暴脹在量子波動有機會重新點燃它之前在空間中的所有地方結束。但是，在這種情況下，觀察到的結果敏感地取決於初始狀態是什麼。這違背了暴脹的全部目的：無論事先存在什麼條件，都要解釋結果。
另一種策略假設像我們可觀測宇宙這樣的島嶼是暴脹最可能的結果。這種方法的支持者施加了一種所謂的度量，一種用於權衡哪種島嶼最可能的特定規則——類似於宣告我們在從麻袋中取出硬幣時必須每五美分取三枚四分之一美元。度量的概念，一種臨時的補充，公開承認暴脹理論本身並不能解釋或預測任何事物。
更糟糕的是，理論家們已經提出了許多同樣合理的度量，這些度量導致了不同的結論。一個例子是體積度量，它表示島嶼應按其大小進行加權。乍一看，這種選擇很有道理。暴脹背後的直觀想法是，它透過建立具有這些特性的大體積空間來解釋我們觀察到的均勻性和平坦性。不幸的是，體積度量失敗了。原因是它偏愛拖延。考慮兩種區域：像我們這樣的島嶼和其他稍後形成的島嶼，在更多的暴脹之後形成。憑藉指數增長的力量，後者的區域將佔據更大的總體積。因此，比我們年輕的區域要普遍得多。按照這個度量，我們甚至不太可能存在。
度量愛好者採取了一種反覆試驗的方法，他們發明和測試度量，直到他們希望其中一個產生所需的答案：我們的宇宙極有可能。假設他們有一天成功了。然後他們將需要另一個原則來證明使用該度量而不是其他度量的合理性，還需要另一個原則來選擇該原則，依此類推。
另一種替代方法是援引人擇原理。度量概念認為我們生活在一個典型的島嶼中，而人擇原理假設我們生活在一個非常非典型的島嶼中，該島嶼僅具有支援生命所需的最低條件。這種說法是，更典型的島嶼中的條件與星系或恆星或我們所知的生命的某些先決條件不相容。即使典型的島嶼比像我們這樣的島嶼佔據更多的空間，也可以忽略它們，因為我們只對人類可能居住的區域感興趣。
不幸的是，對於這個想法來說，我們宇宙中的條件並非最低限度——宇宙比支援生命所需更平坦、更光滑、尺度不變性更精確。更典型的島嶼，例如比我們年輕的島嶼，幾乎同樣適宜居住，但數量卻多得多。
讓拖延者付出代價
鑑於這些論點，經常被引用的宇宙學資料已經驗證了暴脹理論的核心預測的說法，充其量是具有誤導性的。可以說的是，資料已經證實了1983年之前我們理解的天真暴脹理論的預測，但這個理論不是今天理解的暴脹宇宙學。天真理論假設暴脹導致由經典物理定律控制的可預測結果。事實是，量子物理學支配著暴脹，任何可能發生的事情都會發生。如果暴脹理論沒有做出確定的預測，那麼它的意義何在？
根本問題是拖延不會帶來任何懲罰——相反，它會得到積極的回報。延遲結束暴脹的無賴區域繼續以加速的速度增長，因此它們總是會接管一切。在理想情況下，任何無賴區域的膨脹速度都會較慢——或者，更好的是，會收縮。宇宙的絕大部分將由按時結束平滑階段的良好區域組成，而我們觀察到的宇宙將是完全正常的。
我的同事和我提出的暴脹宇宙學的替代方案，稱為迴圈理論，就具有這種性質。根據這個圖景，大爆炸不是空間和時間的開始[參見加布裡埃萊·韋內齊亞諾的“時間開始的神話”；《大眾科學》，2004年5月]，而是一個從先前的收縮階段到新的膨脹階段的“反彈”，伴隨著物質和輻射的產生。該理論是迴圈的，因為在萬億年後，膨脹會演變成收縮，並再次反彈到膨脹。關鍵點是，宇宙的平滑發生在爆炸之前，發生在收縮時期。任何拖延的無賴區域都會繼續收縮，而表現良好的區域會按時反彈並開始膨脹，因此無賴區域仍然相對較小且可以忽略不計。
收縮期間的平滑具有可觀察到的結果。在任何平滑階段，無論是在暴脹理論還是在迴圈理論中，量子波動都會在時空中產生小的、傳播的隨機扭曲，稱為引力波，這些引力波會在微波背景輻射上留下獨特的印記。波的振幅與能量密度成正比。暴脹發生在宇宙極其稠密時，而迴圈模型中的等效過程發生在宇宙幾乎空無一物時，因此預測的印記將截然不同。當然，迴圈理論相對較新，可能存在自身的問題，但它說明存在可能的替代方案，這些方案可能不會遭受永恆暴脹的不可控制的失控。我們的初步工作表明，迴圈模型也避免了前面描述的其他問題。
可以肯定的是，我將支援和反對暴脹的理由作為兩個極端呈現出來，沒有交叉詢問或細微差別的機會。在1月份在普林斯頓理論科學中心舉行的討論這些問題的會議上，許多主要理論家認為，暴脹的問題僅僅是成長的煩惱，不應動搖我們對基本思想的信心。其他人（包括我）認為，這些問題觸及了該理論的核心，它需要進行重大修復或必須被取代。
最終，結果將由資料決定。即將到來的微波背景輻射觀測將是具有啟發性的。尋找引力波印記的實驗已經在山頂、高空 balloons 和衛星上進行，結果應該會在未來兩到三年內出現。探測到引力波印記將支援暴脹；未能探測到引力波印記將是一個重大挫折。為了使暴脹在結果為空的情況下仍然有意義，宇宙學家將需要假設暴脹子場具有非常奇特的勢，其形狀恰到好處，可以抑制引力波，這似乎是人為的。許多研究人員將傾向於替代方案，例如迴圈宇宙理論，該理論自然地預測了無法觀測到的微小引力波訊號。結果將是我們探索宇宙如何形成現在這樣以及未來會發生什麼的關鍵時刻。