本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
1979年12月6日夜晚——也就是32年前的今天——艾倫·古思有了“驚人的頓悟”，這很快將顛覆宇宙學。他想象在大爆炸的最初時刻，發生了一次令人難以置信的短暫事件，在此期間，整個宇宙呈指數級膨脹，從微觀尺寸擴張到宇宙尺寸。那個夜晚，宇宙暴脹的概念誕生了。
這種據推測由一種神秘的斥力驅動的爆炸式增長，可以一舉解決困擾年輕的大爆炸理論的幾個問題。它可以解釋為什麼空間如此接近空間平坦（“平坦性問題”），為什麼早期宇宙的能量分佈如此均勻，即使它沒有時間均勻地趨於平穩（“視界問題”），以及解決粒子物理學中的一個謎題：為什麼似乎沒有磁單極子，或者換句話說，為什麼沒有人像我們能分離“+”和“-”靜電荷那樣分離“N”極和“S”極；理論表明磁單極子應該相當普遍。
事實上，正如他自己在他非常值得推薦的著作《暴脹宇宙》中所描述的那樣，當時古思是一位粒子物理學家（在斯坦福直線加速器中心工作，並努力尋找一份永久工作），他的想法是在他試圖解決單極子問題時產生的。
關於支援科學新聞
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，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
二十五年後，在2004年夏天，我詢問了古思——當時他已是麻省理工學院的正式教授和宇宙學領域的領軍人物——關於他對自己的遺產以及它如何與暗能量的發現以及弦論的最新思想相契合的看法。
這次採訪是我為發表在2004年12月刊的對稱雜誌上一篇關於暴脹的專題報道的一部分。（這是我的第一篇專題文章，除了我作為學生時寫的那些文章之外，它仍然是我最喜歡的文章之一。）
為了慶祝“暴脹日”，我以略微編輯的形式重新發布該採訪的文字記錄。
宇宙暴脹的二十五年：與艾倫·古思的問答
Davide Castelvecchi：什麼是宇宙學？
艾倫·古思：宇宙學是對宇宙的歷史和大規模結構的研究，而我在宇宙學中的專長是早期宇宙——宇宙歷史的最初一小部分。
DC：人們怎麼可能理解宇宙本身，而不是研究宇宙中包含的事物？
AG：我們確實有一些資訊可以拼湊起來，並嘗試將其作為構建理論的基礎。關於可見宇宙中星系分佈的觀測，以及星系的運動。現在也非常重要的是對宇宙背景輻射的觀測——我們認為這是大爆炸本身爆炸後的餘輝。現在，我們對這種輻射的頻譜以及其強度模式中存在的小漣漪進行了非常精確的測量。輻射幾乎是完全均勻的。在天空中的所有不同方向上，我們觀察到的強度都相同，差異約為十萬分之一。但是，儘管如此，人們還是會看到從一個方向到另一個方向的細微差異。這種漣漪模式直接與兩件事相關：關於漣漪如何形成的理論——暴脹就在這裡發揮作用——以及計算宇宙中的結構如何從漣漪中形成的理論。就宇宙學的觀測基礎而言，另一個重要組成部分是我們在宇宙中觀察到的化學丰度，這些是透過氣體雲和恆星的光譜特徵測量的，並且可以與關於化學元素如何在宇宙歷史的最初幾分鐘內形成的理論進行比較。令人驚奇的是，計算結果與觀察到的最輕元素的丰度非常非常吻合。
DC：當您第一次想到暴脹的想法時，您是否預料到它會如此有影響力？
AG：我想答案是否定的。但是，當我意識到這是一個解決單極子問題和平坦性問題的合理方案時，我開始非常興奮，因為如果它是正確的，那麼它將是宇宙學中非常重要的改變。但在那時，這在我看來仍然是一個很大的“如果”。然後有一個逐漸相信它是正確的的過程。
DC：25年後的情況如何？
AG：我會說暴脹是宇宙學的傳統工作模型。仍然需要獲得更多資料，並且很難真正詳細地證實暴脹。首先，它不是一個詳細的理論，而是一類理論。當然，我們還不瞭解暴脹的細節。我認為暴脹的基本機制是正確的這一點非常令人信服。但我認為人們不一定認為它已被證明。
DC：您最近寫道，“暴脹的案例引人注目”，這聽起來像是謹慎的說法。
AG：它當然沒有大爆炸理論本身那樣得到充分證實。但我猜我會很難相信會有任何其他替代方案來解決暴脹解決的基本問題，例如視界問題和平坦性問題。
DC：在提出的眾多暴脹版本中，您是否有自己最喜歡的版本？
AG：並沒有，只是可以說，我認為宇宙學正在朝著用弦論來描述事物發展。並且已經有很多嘗試在這種背景下描述暴脹。我認為這就是未來。
DC：所以您認為弦論最終會被證明是正確的？
AG：是的，我確實這麼認為。我認為它可能會從人們現在的想法中發展出相當大的變化，但我確實認為弦論絕對有很多優勢。
DC：到目前為止，弦論是物理學還是隻是花哨的數學？
AG：我認為它是物理學。到目前為止，它肯定是推測性的物理學——不幸的是，它是在沒有直接實驗檢驗的情況下工作的。但仍然存在一致性檢驗。如果弦論的目標是建立一個與廣義相對論一致的量子理論，那是一個非常強的約束，到目前為止，弦論是唯一似乎讓很多人相信它滿足這個標準的理論。僅從社會學的角度來看，理論物理學家已經尋找了至少50年的一致的引力量子理論，到目前為止，只有一種理論達到了主流——弦論。
DC：弦論真的已經進入物理學主流了嗎？
AG：是的。我會說，如今，一位理論粒子物理學家不能忽視弦論。
DC：說到社會學，在您的書中，您描述了您作為一名年輕的粒子理論家首次嘗試向宇宙學家描述您的暴脹思想，以及人們如何因為使用不同的詞彙而無法溝通。現在的情況有什麼不同嗎？
AG：我認為粒子物理學和宇宙學之間的狀況已經有了極大的改善。現在我認為宇宙學中的幾乎每個人都比較流利地掌握了這兩個領域的詞彙，而且我認為每個人都認識到這兩個領域之間存在著強大的介面。與此同時，現在也有著重要的反向影響，隨著暗能量的發現。
DC：暗能量比暗物質更與粒子物理學相關嗎？
AG：我會說是的。我不確定是否所有人都會同意——這取決於你的視角。我認為暗物質與下一代粒子物理實驗更相關——希望我們能發現超對稱，或許還有其他有趣的東西。另一方面，暗能量很有可能就是真空能量，所以它似乎在告訴我們一些關於物理定律基本結構的資訊，這非常令人驚訝。自從 20 世紀 30 年代量子場論出現以來，真空能量一直是粒子理論家們一直困擾的問題。我們一旦有了量子場論，就知道真空不是一個簡單的狀態：它是一個非常複雜的狀態，包含各種量子漲落。而且沒有任何理由認為真空能量應該為零或很小。事實上，沒有人知道如何計算真空能量，但如果粒子物理學家嘗試估計它，自然給出的答案會比實驗界限大 120 個數量級。所以這一直是一個很大的謎，但直到暗能量出現之前，人們都認為真實的值是零，因為存在某種我們還不理解的對稱性——正負貢獻之間的完全抵消。如果暗能量是真空能量，現在你需要這個對稱性使其幾乎為零，然後打破這個對稱性使其成為一個不為零的小數字。這變得非常複雜和巴洛克式。沒有人知道它實際上是如何運作的。還有一種可能性是，真空能量根本不是由基本的物理定律決定的，而是根據人擇原理，使用多重宇宙的想法來決定的。在弦理論的背景下，很可能存在許多類似真空的狀態，它們都足夠穩定，可以為宇宙提供基礎。而我們碰巧發現自己身處的那個宇宙是由隨機選擇決定的。人們可以想象，宇宙會透過弦理論的所有不同的可能真空狀態永恆地膨脹，產生無限多的每種型別的真空空間——最終。
DC：這就是所謂的弦理論景觀的想法嗎？
AG：是的，這就是關鍵詞。如果這是對的，那就意味著在空間的大部分割槽域，宇宙常數非常巨大，而在空間的某些罕見區域，宇宙常數恰好非常小。但是隻有當宇宙常數非常小時，生命才能形成。因此，我們發現自己生活在這些區域之一中並不奇怪。五年前，這樣的想法對於粒子物理學家來說是完全不可接受的。它仍然對許多人來說是不可接受的，但現在人們更加關注這種想法。
DC：這是否與永恆暴脹的想法有關，即多個宇宙從原始真空中湧出？
AG：是的，這裡有兩個想法結合在一起。一個是來自弦理論的想法，即存在大量可能的真空狀態。另一個是永恆暴脹的想法，即一旦暴脹開始，它就永遠不會結束，並且會探索所有可能的真空。
DC：最近，斯坦福大學的宇宙學家安德烈·林德（Andrei Linde）也對暴脹理論做出了開創性的貢獻，他與弦理論家合作，試圖調和這兩個領域。
AG：是的。我認為這可能是最有趣的方法。我是這項工作的忠實粉絲，儘管我不是作者之一。我認為這是在弦理論框架內對暴脹進行可靠嵌入的起點。在此之前，沒有人能在弦理論中很好地描述具有正宇宙常數的狀態。
DC：暗能量的存在是否暗示了產生暴脹的“假真空”狀態與宇宙常數的“真真空”狀態之間可能存在聯絡？
AG：原則上是這樣，儘管弦理論中的真空狀態實際上是非常複雜的狀態，具有描述它們的許多自由度。當然，在宇宙早期驅動暴脹的狀態具有很大的正宇宙常數。最終，它們都將用相同的弦理論語言來描述，並且它們將具有許多相似之處。但也有許多顯著的差異。它們的能量尺度非常不同。因此，我認為是否認為它們之間存在密切關係還是遙遠關係，在某種程度上是觀察者決定的問題。
DC：那麼，是否可能存在兩種不同的“排斥引力”，一種在暴脹期間起作用，另一種現在起作用？
AG：我相信，也是傳統觀點，即排斥引力實際上是廣義相對論本身的特徵——事實上，愛因斯坦本人在 1917 年引入宇宙常數並試圖用它來描述宇宙如何保持靜態時就使用了它，普通的引力將所有東西拉到一起，而排斥引力——宇宙常數——將所有東西推開。因此，從一開始，廣義相對論就包含了排斥引力的可能性。產生排斥引力的是負壓。這是宇宙常數的特徵，也是以勢能為主的標量場狀態的特徵，這是傳統暴脹的工作方式。當然，對今天加速膨脹以及宇宙早期暴脹最合理的解釋是，宇宙包含具有負壓的物質。因此，在這個描述層面上，機制是相同的——因為這是我們唯一知道的機制。但是產生負壓的物質是什麼是一個更詳細的問題。我們是否相信 KKLMT 的論文走在正確的軌道上，我認為我們並不真正知道早期宇宙中驅動暴脹的實際狀態與現在宇宙的狀態（我們將其歸因於暗能量的緩慢膨脹）之間的聯絡有多緊密。
DC：是否有可能進行粒子物理實驗來探測暗能量？
AG：我猜我看不見在可預見的未來暗能量會影響或被粒子物理實驗影響。它當然與天體物理觀測高度相關。我們想知道的關於暗能量的一個重要事情是，能量密度是否隨著時間推移保持恆定，就像它是宇宙常數一樣。或者，它可能會隨著時間變化——在這種情況下，我們最好的解釋是它是一個充滿整個空間的緩慢演化的標量場的能量。這通常被稱為精質。透過更詳細的天文觀測，有一些希望回答這個問題。而最好的方法可能仍然是遙遠的超新星，使用諸如 SNAP [擬議的空間天文臺 超新星加速探測器] 等實驗。
DC：那麼，暗能量與粒子物理的相關性不在於實驗方面，而在於它指出了其理論基礎中的一個開放性問題，即量子場論的真空應該產生更強的排斥力這一預測？
AG：是的，在試圖理解理論粒子物理學的基礎方面，我認為它非常重要。特別是，它似乎在暗示可能沒有任何物理原理可以決定弦理論的真空是什麼。也許只是所有可能的真空都發生在所有不同的地方。現在，我真的希望情況不是這樣，因為我喜歡認為物理學比這更具預測性。但這確實是暗能量所指向的方向——並且它最終可能會被證明是正確的方向。
DC：無論如何，對暗能量的更好理解是否會闡明暴脹宇宙學？
AG：是的，我認為會。如果暗能量的唯一解釋被證明是這個景觀想法，那麼這意味著如果我們想了解暴脹是如何真正運作的，我們必須在弦理論的景觀背景下理解它。
DC：暴脹預測宇宙在空間上是平坦的，這一事實與我們最好的宇宙學觀測，特別是對宇宙微波背景的觀測相符。暴脹是否排除了宇宙在空間上可能是封閉的可能性——數學家稱之為拓撲緊緻？在暴脹和暗能量被討論之前，人們認為空間平坦的宇宙會永遠膨脹，而彎曲成自身的宇宙會重新坍縮。
AG：不完全是。宇宙是平坦的說法只是一種近似。暴脹使宇宙趨於平坦——事實上，如果發生足夠多的暴脹，它會使宇宙非常接近平坦。但你仍然可以想象一個開始時是封閉的宇宙，最終它會非常大，但仍然是封閉的。它看起來是平坦的，因為曲率半徑會非常大。另一方面，一切都變得更加複雜，因為請記住，我們談論的是時空，而不僅僅是空間。暴脹傾向於使宇宙的時空結構非常複雜，在某些區域暴脹繼續，而在另一些區域則停止。想象一下可以演化的複雜事物，我認為正確的結論是，開放和封閉這兩個詞不再真正適用。在非常大的尺度上，宇宙實際上都不是這兩者之一。
DC：如果我沒理解錯，暴脹的開始是一個非常區域性的現象，那麼我們的物理定律所適用的宇宙不太可能具有有趣的拓撲結構，因為它來自區域性的漲落。
AG：是的。在遠大於我們所能觀測到的尺度上，可能會存在有趣的拓撲結構。但暴脹表明，在我們所能觀測到的尺度上，拓撲結構將是區域性的 R^3 [三維歐幾里得空間]。但這並沒有阻止宇宙學家探索其他可能性。目前人們關注的異常之一是 WMAP [NASA 的威爾金森微波各向異性探測器] 觀察到的 L 的低值——低多重極。這些漲落明顯小於暴脹模型預期的值。這可能只是一個偶然事件，但人們已經提出了其他可能性，例如一個在空間中具有周期性的宇宙，週期性與當前的視界距離的數量級相同。但到目前為止，人們還沒有發現任何與觀測到的資料一致的此類現象。
DC: 一位名叫傑弗裡·威克斯的數學家，與一群物理學家一起，在去年秋天在《自然》雜誌上發表了一篇有爭議的論文。他們搜尋了WMAP的資料，聲稱它揭示了一種“鏡子屋”的模式，並因此得出結論，宇宙在空間上是有限的，並且具有龐加萊十二面體空間的拓撲結構。[這在媒體上被描述為所謂的“足球宇宙”；威克斯和他的合著者在1999年4月的《大眾科學》雜誌上描述了他測試宇宙是否在空間上有限的方法。] 如果這個證據被證實，會對暴脹理論構成問題嗎？
AG: 是的，我認為這很難與暴脹理論調和。
DC: 我與之交談過的幾乎所有宇宙學家和天文學家似乎都認為，暴脹研究的下一個重要方向將是在宇宙微波背景的偏振中尋找原始引力波的痕跡。特別是，如果找到一種稱為B模式的模式，它將攜帶關於宇宙最初瞬間的資訊，從而攜帶關於暴脹機制的資訊。[請參閱羅伯特·考德威爾和馬克·卡米翁科夫在2001年1月《大眾科學》雜誌上發表的文章《來自大爆炸的回聲》。]
AG: 是的，這非常令人興奮。如果存在B模式，這將表明我們已經發現了引力波的影響，而不僅僅是密度擾動的影響。引力波將為我們提供暴脹發生時能量尺度的線索。在各種暴脹理論中，最大的不確定性之一是，暴脹可能發生在非常廣泛的可能能量範圍內的任何位置。你想要思考哪種物理學來理解它是如何發生的，很大程度上取決於這一點。因此，獲得一些觀測資訊非常重要。
DC: 看到事情如何發展，對你來說這將是一個令人興奮的時刻嗎？
AG: 當然，是的。自從COBE[NASA的宇宙背景探測器，其結果為科學家贏得了2006年的諾貝爾物理學獎]以來，這真是令人難以置信的興奮。在暴脹的早期，當我和其他一些人試圖計算從暴脹模型中產生的密度擾動時，我真的從未想過有人會真正測量這些東西。我以為我們只是為了好玩而計算。所以當COBE的人首次測量CMB的不均勻性時，我感到非常震驚。而現在他們正在以如此高的精度測量它們——這真是太棒了。
DC: 這種情況可能會再次發生——那些被認為超出可能性的實驗將成為現實嗎？
AG: 是的，現在幾乎每年都會發生這種情況。
延伸閱讀
暴脹的增長，作者：Davide Castelvecchi。《對稱》雜誌，2004年12月。
艾倫·古思的筆記本，由Davide Castelvecchi在《對稱》雜誌中描述。
暴脹宇宙，作者：艾倫·古思。
來自大爆炸的回聲，作者：羅伯特·R·考德威爾和馬克·卡米翁科夫。《大眾科學》284，38-43，2001年1月。
空間是有限的嗎？作者：Jean-Pierre Luminet，Glenn D. Starkman和Jeffrey R. Weeks。《大眾科學》280，90-97，1999年4月。
弦理論的景觀，作者：Raphael Bousso和Joseph Polchinski。《大眾科學》291，78-87，2004年9月。
球體和天際線插圖由《對稱》雜誌提供。