本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
我喜歡叛教者，那些信仰，或者更好的是，構想了一個理論卻又反對它的人。他們恢復了我對科學的信心，因為他們表明科學家可以克服對他們自己智力成果的依戀，這是一個對進步至關重要且不能想當然的壯舉。保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt），普林斯頓大學的阿爾伯特·愛因斯坦科學教授和理論科學中心主任（還有比這更酷的頭銜嗎？），就是一個叛教者。我在 20 世紀 80 年代末研究準晶體時第一次採訪了他，準晶體是一種奇怪的、準週期性的物質形式，曾一度被認為是完全假設的。斯坦哈特創造了“準晶體”一詞，並且是準晶體的主要研究者。在隨後的幾年裡，我與斯坦哈特談論了宇宙學，特別是暴脹，這是他在 20 世紀 80 年代初幫助完善的一個想法。暴脹認為，在宇宙大爆炸之後，我們的宇宙經歷了一次難以想象的爆炸式、超光速的增長。最近，斯坦哈特一直在以異常直率的措辭批評暴脹和相關思想，尤其是多元宇宙。所以我很高興他同意回答一些問題。有關相關資料，請參閱我對物理學家喬治·埃利斯、卡洛·羅韋利、愛德華·威滕和加勒特·裡西的問答，以及進一步閱讀中列出的文章。– 約翰·霍根
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霍根：是什麼啟發您成為一名理論物理學家？您對您個人以及整個領域有什麼期望？
斯坦哈特：我從小就對科學著迷，並且一直想成為一名科學家。我的夢想一直是做出發現：揭示自然一直向我們隱藏的一些秘密。我不太關心科學領域是什麼或使用什麼方法。我喜歡我所深入研究的一切。我只是想要發現以前沒人知道的事情的刺激。我並沒有立即想成為一名理論家或物理學家。我喜歡數學，並且製作了幾個基於純數學思想的科學展覽專案。但小時候，我家裡也有各種各樣的實驗室。我在大學實驗室（主要是生物學）做了相當多的工作，當時我還是青少年和年輕人。我今天甚至直接參與一些實驗工作。我總是喜歡參觀實驗室，並在力所能及的情況下與實驗密切合作。儘管我喜歡所有這些經歷，但我意識到在加州理工學院的本科經歷中的某個時刻，我具有理論家的心態，而不是實驗家的心態。我喜歡創造和發展想法，而不是測試它們。我也非常幸運能夠得到理查德·費曼的指導，他除了普遍具有啟發性之外，還向我表明，理論家可以同時在許多不同的科學領域工作。
霍根：您的希望實現了嗎？
斯坦哈特：很榮幸能成為科學事業的一部分，並親眼目睹了敬業的、英雄般的科學家取得的非凡科學突破。人們不得不驚歎人類所能取得的成就。在更個人的層面上，我很幸運能與許多有才華的學生和科學家合作，研究我們這個時代最令人興奮的一些問題。我親身經歷了各個領域發現的刺激。無論在哪個領域，無論進步多麼小，當你知道你是唯一一個（或少數幾個）弄清楚某事或揭開以前沒人知道的真相時，那種感覺都是難以置信的。
霍根：您是暴脹理論的創始人之一。您何時以及為何開始懷疑它？
斯坦哈特：從一開始，甚至在我 1982 年撰寫關於暴脹的第一篇論文時，我就擔心，如果你對控制暴脹時期的常數進行微調，暴脹圖景才有效。安迪·阿爾布雷希特和我（以及獨立地，安德烈·林德）剛剛發現了一種讓延長期的暴脹以一種優雅的方式結束，並轉變為一個充滿熱物質和輻射的宇宙的方式，這是自那以後所有暴脹模型的範例。但退出是有代價的——微調。暴脹的全部意義在於消除微調——解釋原始大爆炸模型的特徵，這些特徵必須進行微調才能與觀測結果相匹配。我們必須引入一個微調來消除另一個微調這一事實令人擔憂。這個問題從未得到解決。
但當我發現，由於量子漲落效應，暴脹通常是永恆的，並且（正如其他人很快強調的那樣）這會導致多元宇宙時，我的擔憂真正加劇了。引入暴脹是為了產生一個看起來處處光滑平坦，並且處處都具有與我們觀察一致的特徵的宇宙。相反，事實證明，由於量子效應，暴脹會產生大量的區域（宇宙），這些區域跨越所有物理上可能的結果（平坦和彎曲，光滑和不光滑，各向同性和非各向同性，尺度不變譜和非尺度不變譜等）。我們可觀測的宇宙只是連續結果譜中的一種可能性。因此，我們畢竟沒有透過引入暴脹來解釋宇宙的任何特徵。我們只是將原始大爆炸模型的問題（當大爆炸可能出現幾乎無限的可能性時，我們如何解釋我們簡單的宇宙？）轉移到暴脹模型（當多元宇宙中可能出現幾乎無限的可能性時，我們如何解釋我們簡單的宇宙？）。
我必須承認，即使我參與了發現多元宇宙問題，我一開始也沒有認真對待它。我認為一旦問題暴露出來，就會有人找到解決方案。那是 1983 年。我錯了。不幸的是，此後發生的事情是，所有解決多元宇宙問題的嘗試都失敗了，並且在此過程中，很明顯，這個問題比最初想象的要棘手得多。事實上，在這一點上，一些暴脹的支持者認為不可能有解決方案。我們應該停止費心尋找解決方案。相反，我們應該簡單地將暴脹和多元宇宙視為事實，並接受可觀測宇宙的特徵是偶然的概念：生活在多元宇宙的這個特定區域而不是另一個區域的結果。
對我來說，偶然宇宙的想法在科學上毫無意義，因為它什麼也解釋不了，也預測不了什麼。此外，它還錯過了我們所瞭解到的關於宇宙大規模結構的最突出事實：它在很大尺度上平均時的非凡簡單性。為了解釋我們能看到的一個簡單宇宙，暴脹多元宇宙和偶然宇宙假說假設了無限多種具有任意複雜度的我們看不到的宇宙。偶然宇宙的變體，例如那些採用人擇原理的變體，對情況沒有任何幫助。
科學思想應該是簡單的、解釋性的、預測性的。目前理解的暴脹多元宇宙似乎不具備這些特性。
這些擔憂以及更多，以及我們在 30 年裡在解決這些問題上沒有取得任何進展的事實，使我對暴脹圖景持懷疑態度。
霍根：愛德華·威滕最近告訴我，“今天支援暴脹的證據比 20 年前要大得多”。您同意嗎？
斯坦哈特：暴脹的故事非常奇特，我們宇宙學家顯然沒有很好地解釋這種情況。這是令人困惑的地方。一方面，過去 30 年收集的大量觀測證據支援了我們認為的基於 1983 年之前的理解而得出的暴脹理論的預測。（一個值得注意的例外是 1983 年之前對引力波的預測，其水平是 WMAP 和普朗克衛星應該探測到的，但沒有探測到；請參閱我下面關於 BICEP2 的評論。）諷刺的是，我們對暴脹的理解發生了巨大變化。我們不再相信暴脹會做出任何這些預測，因此過去 30 年所做的任何偉大的觀測都不能被視為支援暴脹。
自 1983 年以來，很明顯，暴脹理論非常靈活（引數可以調整以得出任何結果），並且通常會導致一個由多個區域組成的多重宇宙，在這些區域中，任何結果都是可能的。想象一下，一個旨在解釋和預測的科學理論，最終卻允許字面上任何可以想象的可能性，而沒有任何關於什麼更可能發生的規則。這有什麼用呢？它排除了所有可能性，並且永遠無法進行真正的檢驗。
我不能責怪那些希望回到我們暴脹理論天真年代的人們，那時該理論似乎具有預測性，並且與觀測結果一致。
不幸的是，正如暴脹理論的主要支持者所承認的那樣，我們不知道如何回到這個早期的願景。
霍根：您認為BICEP2 的觀測結果可能仍然會支援暴脹理論嗎？
斯坦哈特：正如剛剛解釋的那樣，不可能找到支援或反駁暴脹理論的證據，因為暴脹多重宇宙包含有宇宙引力波和沒有宇宙引力波的區域。所以我必須重新解釋您的問題，即：BICEP2 的觀測結果是否最終可能成為原始引力波的證據，正如實驗團隊最初聲稱的那樣。
不。BICEP2 的觀測已經完成並發表。根據公佈結果時已知的情況，不可能排除“零假設”。在科學實驗中，零假設是指資料可以用已經存在的已知因素來解釋，而無需引入任何新事物。如果實驗無法拒絕零假設，科學家就不應該聲稱存在替代解釋的證據。在 BICEP2 的案例中，零假設是他們的 B 模式訊號是由已知的前景造成的：塵埃加上透鏡效應加上同步輻射加上系統誤差。他們公佈的結果與零假設一致。因此，根據科學方法的標準規則，BICEP2 不能聲稱檢測到原始引力波（一種替代假設）。在 BICEP2 之後，我希望我們可以回到良好的科學實踐。
一場新的競賽現在正在進行中，使用更靈敏的儀器來檢測原始引力波或對其存在設定更嚴格的限制。原始引力波的真實故事將由未來的實驗揭示，並且應該歸功於那些進行實驗的團隊。
此外，即使我們檢測到原始引力波，我們也不應該急於得出結論認為它們是暴脹造成的。可能會出現更好的理論，這些理論可以避免暴脹的陷阱，並且仍然可以預測引力波。
霍根：在最近一篇關於 Edge.org 的文章中，您批評了多重宇宙、弦論和暴脹理論。您能否總結一下您的擔憂？
斯坦哈特：我擔心的是，多重宇宙是“萬物理論”，一種允許所有可能的宇宙學結果（平滑或不平滑、彎曲或平坦等）的提議，因此不受經驗檢驗的約束。有人聲稱，超弦理論允許基本定律（粒子的質量、力的型別等）有指數級多的可能性（或者可能是無限多的可能性），並且沒有指導原則來確定哪一組物理定律更可能。這些定律集合構成了所謂的“弦論景觀”。
將暴脹多重宇宙與弦論景觀結合起來，現在就得到一個“超級萬物理論”：宇宙的宇宙學特性和微觀物理特性都是偶然的且無法預測的。
隨著我們對超弦理論的理解加深，我真的希望我們能夠發現，我們觀察到的物理定律是自然選擇的結果，這是有充分理由的。超弦理論與改進的宇宙學圖景相結合，可能會產生一種強大的解釋性和預測性理論。
霍根：您對您的批評受到任何反駁嗎？
斯坦哈特：在大多數情況下，討論是文明且理性的。聽到各種各樣的觀點非常令人著迷。
霍根：維滕認為弦論仍然“在軌道上”，並且代表了物理學家對統一理論的最佳希望。評論一下？
斯坦哈特：我同意愛德華的觀點，即弦論代表了我們目前對統一理論的最佳希望。但是，我認為成功需要解決弦論景觀問題，並且我們需要找到一些超對稱的經驗證據。
霍根：您的宇宙迴圈模型是什麼？它是可證偽的嗎？
斯坦哈特：當我的合作者和我提出這個問題時，迴圈模型出現了：有沒有辦法在沒有暴脹的情況下解釋宇宙的平滑性和平坦性以及密度中的小漣漪？答案是肯定的：關鍵是要有一個宇宙，其中大爆炸被大反彈所取代。在這個圖景中，當前的膨脹和冷卻時期之前，在反彈之前，是一個收縮時期，並且塑造宇宙大尺度結構（平滑、扁平和產生波動）的重要事件發生在反彈之前，在一個緩慢收縮的時期。沒有高能暴脹階段——宇宙直接從反彈進入緩慢膨脹和冷卻時期。不需要暴脹來平滑和扁平化宇宙。因此，沒有多重宇宙。
反彈可以定期重複，從而形成一個迴圈宇宙。在某些版本中，該理論是測地線完備的（無限存在於過去），這與暴脹不同，暴脹需要開始和特殊的初始條件。
迴圈理論做出了一個通用的、獨立於模型的預測：沒有可檢測的原始引力波。因此，如果 BICEP2 是正確的，或者在未來的實驗中觀察到原始引力波，所有基於緩慢收縮平滑化的迴圈模型都將被完全排除。
因此，是的，迴圈理論絕對是可證偽的！
霍根：您為什麼繼續研究準晶體？它們與您的宇宙學興趣有任何聯絡嗎？
斯坦哈特：準晶體讓我著迷，因為它們一次又一次地引導我體驗到最初吸引我從事科學的發現的快感。其潛在的數學原理是初等幾何和代數。其潛在的物理原理是，固體由緊密堆積在一起的原子組成，就像兒童的積木一樣。從這些簡單的成分中，出現了一個重大的驚喜。一百多年來，科學家們認為他們已經瞭解了原子在固體中排列的所有可能方式……但他們錯了。正如我的學生多夫·萊文（Dov Levine，現任職於以色列理工學院）和我首次展示的那樣，有無數具有驚人對稱性的排列方式被遺漏了。我們稱這些為準晶體。這些可能性包括具有完美五邊形面的晶粒，曾經被認為是數學上和物理上不可能的。丹·謝赫特曼（Dan Shechtman）和合作者在 20 世紀 80 年代在實驗室中合成了第一個例子（謝赫特曼因此獲得 2011 年諾貝爾化學獎），現在已經知道 100 多種不同的合成例子。
即使過了三十年，這個主題仍然處於起步階段，新的發現機會不斷湧現。例如，直到 2009 年，所有已知的準晶體都是在實驗室中合成的，我們不知道有任何在自然界中形成的準晶體。我和我的合作者發現自然準晶體的第一個例子需要一個堪比小說的偵探冒險和一個前往俄羅斯遠東的地理考察。透過一條奇怪而迂迴的道路，對自然準晶體的追求將我與關於太陽系形成過程中條件的新問題聯絡起來。並且仍然有驚喜，包括理論上和實驗上的。至少目前，它與我的宇宙學興趣沒有直接聯絡。
霍根：在 20 世紀 80 年代，斯蒂芬·霍金暗示，物理學也許有一天會提供令人滿意的答案，從而結束該領域的研究。您是否曾經——或者現在——也有過這種希望？
斯坦哈特：不。我傾向於認為每個答案都會產生更多的問題，而我希望這種情況繼續下去。
霍根：您是宗教人士嗎？一個人可以既是物理學家又相信上帝嗎？
斯坦哈特：我從不回答第一個問題，因為我認為宗教是私人事務。我的科學觀點是獨立的，我希望人們在不考慮我對宗教的個人觀點的情況下對其進行評估。
為了回答您的第二個問題，事實證明，成功的物理學家可以相信上帝。
延伸閱讀（除前兩本外，均為霍根所著）
無盡的宇宙：超越大爆炸（百老匯，2008 年），作者：保羅·斯坦哈特和尼爾·圖羅克。
保羅·斯坦哈特的《暴脹辯論》。https://sciam.tw/article/the-inflation-summer/
“儘管發現了引力波，我仍然懷疑暴脹。”https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/2014/03/17/why-i-still-doubt-inflation-in-spite-of-gravity-wave-findings/
“我對宇宙騙子和暴脹先驅安德烈·林德的 1992 年的簡介。”https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/2014/03/18/my-1992-profile-of-cosmic-trickster-and-inflation-pioneer-andrei-linde/
“嘿，物理學，現實點！”http://chronicle.com/article/Hey-Physics-Get-Real-/126662/
“如果你想了解更多關於希格斯粒子的炒作，請不要閱讀這篇專欄。”https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/2012/07/04/if-you-want-more-higgs-hype-dont-read-this-column/
“宇宙小丑：斯蒂芬·霍金的‘新’萬物理論是老一套的廢話。”https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/2010/09/13/cosmic-clowning-stephen-hawkings-new-theory-of-everything-is-the-same-old-crap/