本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
通常不會這樣說，但兩週前對原始引力波的發現讓我們第一次直接瞥見了宇宙大爆炸之前的時期。“大爆炸”一詞有時被認為是宇宙的開端，而左側的圖表給你的就是這種印象，BICEP2 團隊在宣佈其發現的新聞釋出會上展示了這個圖表。但宇宙學家不知道宇宙是否有開端。“大爆炸”一詞實際上指的是宇宙的開端，正如我們所知的那樣——也就是說，一個充滿物質的膨脹宇宙，這些物質已經冷卻並凝結成星系。宇宙暴脹，BICEP2 的結果似乎已經證實了這一過程，按照這個定義，它發生在大爆炸之前。暴脹期間的宇宙是一個極其陌生的場所，沒有物質，受原始的原始力支配，並且完全是量子化的。
如果得到歐洲航天局的 普朗克天文臺等其他實驗的證實，這些波將沖刷掉大多數關於史前宇宙的競爭性假設，包括所謂的“大爆炸前”和“火劫”情景。《大眾科學》在 2004 年發表了 一篇關於這些替代方案的文章，作者是理論物理學家 加布裡埃萊·韋內齊亞諾，他可能最出名的是弦理論之父。這篇文章包含一個圖表（見下），其中包含對引力波強度的預測——現在已被證偽。（我已將 BICEP2 的結果新增到此圖中；請注意，它略高於文章發表時對暴脹的預測。）上週五我在紐約大學的辦公室採訪了韋內齊亞諾，如果他感到失望，他掩飾得很好。以下是我們對話的編輯版本。
GM： “大爆炸”一詞的常用用法有什麼問題？
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續報道關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
GV： 我認為人們混淆了兩件事。有些東西我們可以稱之為有效的大爆炸。我們早就知道宇宙在某個時候必須是熱的，因為如果沒有那個熱的時刻，我們將無法進行大爆炸核合成以及各種需要高溫的過程。根據現代觀點，那個熱的時刻肯定是發生在暴脹之後。因此，顯然有效的大爆炸不是時間的開始。在那之前還有一些東西。“爆炸”在人們的腦海中是必須有一個開始的想法。但我們真的不知道，暴脹之前發生了什麼。
GM： 那些說必須存在奇點——時間開端的定理呢？
GV： 如果你一直使用廣義相對論，你總是可以談論假設的大爆炸，但你需要將量子力學應用於廣義相對論理論這一事實使必須存在奇點的論點無效。我並不是說你可以證明沒有開始；這仍然是人們尚未解決的問題。暴脹之前發生了什麼——如果存在奇點，如果存在時間的開端——仍然懸而未決。暴脹需要一定程度的精細調整，而這些初始條件仍然非常神秘。
GM： 那麼，您的意思是我們將暴脹的結束標記為大爆炸？
GV： 我會將大爆炸定義為溫度達到最大值的時刻，就在暴脹結束後。暴脹使宇宙冷卻，但隨後暴脹結束，暴脹場中的能量立即轉化為熱量——所謂的再加熱。然後膨脹使溫度再次下降。因此，大概溫度是先下降，然後上升，然後再下降。如果我必須確定一個特殊的時刻，我會關注溫度何時達到最大值，並將那稱為大爆炸。
在那個時刻之前也發生了一些事情，那就是暴脹。否則，很難預測 BICEP 觀測到的引力波。還有一個一致性檢查。引力波譜應該是略微“傾斜”的。這意味著短尺度上的功率比長尺度上的功率略小。暴脹的一個普遍預測是，譜應該是近乎尺度不變的：每個尺度上的功率都相同。但是，當人們更仔細地觀察暴脹時，如果你想讓它在某個時候結束，那麼譜必須有一個小的傾斜。這就是普朗克觀測到的密度擾動中觀察到的情況。現在，張量擾動也預期會出現非常相似的情況。[張量擾動是引力波；“張量”一詞指的是它們在愛因斯坦廣義相對論中是如何描述的。] 在最簡單的暴脹模型中，張量擾動的振幅與其傾斜之間存在精確的關係。這是接下來要尋找的東西。
GM： 我們需要哪些新的觀測才能做到這一點？
GV： 觀察不同尺度上的波。BICEP 的尺度範圍很小——沒有足夠的槓桿臂來觀察譜如何依賴於尺度。如果普朗克證實 BICEP，那將有所幫助，因為它在不同的尺度上工作。根據 大衛·斯珀格爾（他昨天在這裡做了一個非常精彩的學術報告）的說法，還有五個實驗與證實 BICEP 相關，我想如果你將所有六個實驗結合起來，你就可以掌握這種傾斜。這將在一兩年內確定下來。因此，如果該一致性關係得到證實，那麼我認為你可以說，“是的，確實在大爆炸之前存在一個暴脹時期。”
GM： 您和 其他人 都說過，引力波是量子引力的證據。您能解釋一下嗎？
GV： 讓我們暫時忘記量子力學。假設宇宙有一些初始的經典不均勻性。如果沒有暴脹，這些不均勻性會因引力而增長，你將無法理解為什麼今天的宇宙如此均勻。有了暴脹，情況恰恰相反。這些不均勻性被拉伸到我們看不到的尺度——這就是暴脹的重點。但是，我們看到的結構從何而來呢？這就是量子力學發揮作用的地方。量子力學產生擾動發生在整個暴脹時期；這不是你在開始時放入的東西。你從完全均勻的東西變成獲得擾動的東西。初始時間存在的經典擾動被拉伸，今天看不見了。產生並傳播的量子擾動是可以看到的。
在 BICEP 之前，我們看到的擾動是暴脹子的擾動。新的擾動是引力度規的漲落；它們實際上是引力波的兩種極化。現在看來不可避免地要將量子力學應用於引力。這是一個有趣的進展。這迫使人們認真思考如何進行量子引力研究。無論是弦理論還是其他理論，我不知道，但我們真的不能將其放在一邊，說“那只是理論”。
GM： BICEP 的結果暗示暴脹的能量尺度值為 1016 吉電子伏特。
GV： 是的，張量擾動的大小直接給出 H [暴脹期間的膨脹率]，因此也給出了能量密度。這個值結果接近大統一尺度。暴脹發生在很大的能量尺度上，因此你可以從這種實驗中瞭解非常非常短距離的物理學。以前的資料沒有確定這個尺度，這顯然指向探測量子引力或其他超越標準模型的物理學的某種基本理論的方向。
GM： 為什麼，如果我們看到多個極化態，我們就知道它們來自引力現象，而不是電磁或其他場？
GV： 我不認為先驗地它們不能來自其他場。一個非常關鍵的檢查，即這些是否真的是張量擾動，將是觀察不同的尺度。
GM： 假設它們是引力波，我們如何知道這些引力波來自量子引力而不是其他過程？
GV： 同樣，先驗地可能存在其他引力波源，也許是宇宙弦。你需要檢視細節。暴脹預測了幾個特徵——不僅是振幅和傾斜，還有相位相干性。如果這些沒有得到證實，我們將需要考慮更復雜的模型。例如，我在羅馬的一些同事發表了一篇論文，說如果你認真對待 BICEP 在兩個不同尺度上的觀測結果和普朗克的非觀測結果，你就可以排除“紅色”傾斜——大尺度上更多的功率——超過三個標準差。如果譜結果是“藍色”傾斜——短尺度上更多的功率——那麼標準暴脹將不容易解釋。
GM： BICEP 對您自己的大爆炸前模型意味著什麼？
GV： 在那個模型中，我們假設你可以不用標準暴脹。大爆炸之前是一個時期，在這個時期中，你從一個非常簡單的平坦宇宙開始，然後演變成一個越來越彎曲的宇宙，直到在某個時候弦理論效應阻止你達到奇點，而是反彈到我們正常的膨脹階段。我們可以重現宇宙微波背景資料，但無法獲得張量擾動，所以這是我們的預測：沒有張量擾動。我們的模型似乎不利於資料。從某種意義上說，我很高興看到最簡單的模型可以被證明是錯誤的。火劫的倡導者也說過應該存在非常小的張量擾動。這些相對較大的張量擾動排除了很多模型，甚至包括傳統的暴脹模型。
GM： 轉向大型強子對撞機，您是否擔心 缺乏超對稱夥伴？
GV： 在 LHC 執行之前，我說我非常希望他們能找到超對稱，但如果我必須在某些事情上下注，我會押注只找到標準模型希格斯玻色子。在沒有任何額外的東西的情況下，標準模型的間接測試已經非常好了。我希望我錯了，LHC 13-14 會發現新的物理學。我更希望找到一些東西。弦理論需要超對稱；我認為它也有助於理解宇宙常數的微小性。但氣氛並不熱烈——就這麼說吧。
我更擔心未來。我非常確定可以找到資源來達到更高的能量——人們談論 100 TeV 的機器。中國似乎願意為此努力。問題是，如果下一次 LHC 執行沒有令人興奮的新物理學跡象，社群是否會有足夠的動力進行長期冒險。
GM： 那麼，這與政治意願無關嗎？即使在物理學界內部？
GV： 即使在社群內部，也是如此。你已經看到 LHC 從概念到交付，再到最終獲得資料，花費了多長時間。它開始達到人類科學生命的量級。對於 LHC，我們知道要麼我們會找到希格斯玻色子，要麼不會——無論如何，這都會很有趣。但現在我們不知道新物理學的下一個閾值在哪裡。
GM： TeV 超對稱性的論點之一是為了解釋希格斯玻色子的質量。如果你失去了超對稱性，你將如何處理希格斯玻色子？
GV： 這顯然是問題所在。有些人現在放棄了這個原則，更多地朝著 人擇思想 的方向發展：例如，弦理論有很多可能的基態，我們需要一個具有合適引數的基態。
我的感覺是，我們已經從 LHC、LEP [它的前身] 等等中學到，量子修正——破壞希格斯玻色子質量穩定的效應——已經在資料中看到了。例如，耦合常數不是常數這一事實；它們取決於距離或尺度。但如果你仔細觀察，我們所看到的都是取決於我們理論的長距離性質的量子效應。希格斯玻色子質量和宇宙常數對理論的短距離結構非常敏感。我的自然反應是，也許一些神秘之處來自於我們對短距離的無知。弦理論就是一個引入基本尺度並由此解決這個短距離問題的理論的例子，但老實說，我對弦理論也有點失望。它沒有為那些關鍵問題提供答案。
當然，還有另一個問題，那就是暗物質。顯然還有一些東西缺失。這似乎需要一些超出標準模型的粒子。仍然存在謎團。幸運的是！