O1979年12月7日上午，32岁的艾伦·古思（Alan Guth）醒来时有了一个想法。它在前一天晚上就出现在他的脑海里，但是现在，在加利福尼亚州的一天的光线下，他可以看到这个东西的形状，并且渴望完成数学。他跳上自行车，骑到斯坦福直线加速器中心的办公室。他的兴奋使他以创纪录的9分32秒到达了那里。在他的办公桌上，古思干净利落地在他的笔记本上进行计算，把数字和符号排成紧凑、仔细的线条。然后，在新的一页的顶部，他用大写字母写下：壮观的实现。
一年后，在大约6000英里外的莫斯科，一个午夜，安德烈·林德读了古思的论文，有了自己惊人的发现。他一直在研究自己的想法，现在他看到了如何实现它，通过解决困扰古思理论的困难。他叫醒了熟睡的妻子。“我想我知道宇宙是如何创造的。”
古思和林德已经找到了宇宙膨胀理论的开端。随着纠结的解决和细节的磨练，该理论将在未来几十年中经历几次具体化。但其核心思想非常简单：在最早的几秒钟内，一小块宇宙以超过光速的速度膨胀，大小一次又一次翻倍，眨眼间就增长了一百万万亿倍。一小块大约一角硬币大小的世界长成了我们整个可见的宇宙。
最初是一个激进的概念，现在已经成为物理学家的标准智慧，特别是保罗·斯坦哈特、安娜·伊贾斯和阿维·勒布除外。这三位物理学家最近写道严厉的一篇文章在里面科学美国人认为是时候放弃通货膨胀，寻找一个相互竞争的想法了。（你会问什么想法？斯坦哈特很方便地提出了一个他几十年来一直在推动的想法。）三人认为，通胀太不可能发生，太过灵活，无法通过实验加以确认或拒绝，其影响也太过混乱。它“不能用科学的方法来评估。”
因此，Guth和Linde以及物理学家David Kaiser和Yasunori Nomura发表的论文也就不足为奇了简短的回应在里面科学美国人本月早些时候为他们的理论辩护。也许更令人惊讶的是，又有29位世界顶尖物理学家签署了该协议，其中包括四位诺贝尔奖获得者和一位菲尔德奖获得者。
这个理论到底是怎么回事让已知宇宙中最伟大的人都站出来为它辩护呢?
在随后的媒体风波中，这些物理学家群体之间的分歧被呈现为一场直接的辩论，这种辩论通常发生在对数据有多种解释的科学中。但描述斯坦哈特、伊贾斯和勒布的观点与几乎整个宇宙学界的观点之间的等价性是一个错误。
一长串的签名者在最近的一封反对信中科学美国人使社会分裂的说法成为谎言。当Ed Witten、Steven Weinberg、Leonard Suskind、Frank Wilczek、Juan Maldacena、Eva Silverstein、Sir Martin Rees和Stephen Hawking（仅举几例）写一封信说你做错了什么……这可能值得考虑。
这封反驳信还要求我们更清楚地理解为什么这么多科学家对通货膨胀充满热情。这个理论是什么让已知宇宙中最伟大的思想为它辩护的？
F从一开始，通货膨胀就提供了一个看似不相关的物理学方面的卓越综合。它借鉴了粒子物理学中的一个称为标量场的概念，标量场无论你怎么看都是一样的，但可以包含能量或压力。它们高度的对称性表明，人们最有可能在宇宙历史的最早时刻发现它们，这使它们与宇宙学相关。而标量场有一个特殊的性质，即它们可以有负压——这一好奇在广义相对论的背景下具有更深刻的意义，在广义相对论中，压力导致时空的曲率。正常压力产生重力。负压产生通货膨胀。
膨胀告诉我们，我们可以从粒子物理学中得到一个标量场，应用爱因斯坦的广义相对论，加入一些量子涨落，让整个宇宙充满了我们观察周围时所观察到的所有特征，这些特征本来是无法解释的，从恒星和星系在各个方向的均匀分布，到时空的大规模几何结构，再到从大爆炸到宇宙末日的残热中的精确碰撞和摆动物质本身的存在。当令人难以置信的通货膨胀爆发时，主宰自然界最微小尺度的不确定性被扩展到天文比例，将量子世界与宇宙联系起来。当它结束时，膨胀能转化为物质和辐射，这些物质和辐射沉入这些量子涨落形成的时空涟漪和分野，为恒星和星系的形成奠定了蓝图。
正如这封信的合著者、麻省理工学院的物理学家凯泽所解释的那样，“通货膨胀是物理学中两个最重要概念原则的保守、最低限度的结果：广义相对论的等价原则和量子力学的不确定性原则。”伯克利说，如果一个理论的解释力，正如加利福尼亚大学的联合创始人野村所说的那样，它可以解释它所能解释的假设的数量的比率，通货膨胀是一个严重的打击。
你不必证明宇宙是很容易或很快开始的。你只需要证明它可以开始。
平心而论，当古思和林德首次提出这个想法时，有些方面似乎有点奇怪，好像通货膨胀是利用物理学的漏洞引起的。是的，这是真的，没有东西可以旅行通过太空比光快，但太空本身能比光膨胀得更快;没有人见过标量场，但物理学并没有明确指出禁止信息技术爱因斯坦本人曾设想过一种可以拉伸空间的反重力力，但从来没有人观察过这种物质。但在此后的几十年里，所有这些奇怪的成分都出现了。1998年，天体物理学家发现了一种反重力力——“暗能量”——它正在推动空间的加速膨胀，距离我们最远的星系穿越宇宙地平线的速度超过光速。2012年，欧洲粒子物理研究所大型强子对撞机的物理学家发现了一个标量场——希格斯场——的明确证据。正如默里·盖尔曼（Murray Gell Mann）在物理学中曾经戏谑的那样，“一切不被禁止的东西都是强制性的。”似乎包括宇宙本身。
在其早期，测试通胀似乎几乎是不可能的。它预测，在宇宙膨胀130亿年后，今天弥漫于天空的早期宇宙背景热延伸到微波波长，其温度将均匀到十万分之一，但除此之外，微小的温度波动将在整个天空呈现特定的统计分布。1980年，没有人能想象像2001年发射的美国宇航局WMAP和2009年发射的欧空局普朗克卫星这样的航天器会以微小的细节绘制这些微小差异，从而实现通胀模型的预期。
斯坦福大学物理学家、弦论创始人苏斯金德（Susskind）共同签署了这封信，他说：“对我来说，最令人惊讶的是，事实证明，它如此容易受到实验观测证实的影响。”。“进一步证实的前景非常好，换言之，这表明人们对迄今为止的成就缺乏欣赏。”正在进行的实验，包括目前正在天空中搜寻原始引力波的望远镜，可能进一步证实对通货膨胀的预测。
（顺便说一句，苏斯金是1979年12月那一天古思最早与之分享他惊人成就的人之一。苏斯金听到同事喜气洋洋的消息，然后说：“你知道，最令人惊讶的是他们为此付钱给我们。”）
当时，通胀的一个早期预测似乎完全错误。一个经历了膨胀的宇宙应该看起来非常平坦（它的时空度量欧几里德到了任何可测量的程度），因为它的任何曲率都会被拉伸到如此巨大的比例，以至于你永远不会注意到它，就像你站在平坦的人行道上时不会注意到地球的曲率一样。但是，根据广义相对论，时空的尺度是由其中有多少物质决定的，而一个平坦的尺度需要临界的质量和能量。把可观测宇宙中所有星系的重量加起来，物理学家们少了大约96%。
这不是一点小错误，是的荒谬地错误的然而，在此后的几天里，天体物理学家发现宇宙中充满了看不见的暗物质，可以通过其引力效应检测到，从而使总质量达到临界质量的27%。然后是暗能量的发现，这可以通过它对空间膨胀的影响来衡量，使总能量达到了一个完美的100%，这是一个扁平宇宙的临界值，这太诡计多端了，不可能是一个侥幸。
G尽管所有的通货膨胀都取得了成功，为什么斯坦哈特、伊贾斯和勒布还声称它不是科学呢?
首先，他们认为通货膨胀不太可能发生。他们说，这个标量场开始膨胀所需的初始条件，需要大量的微调。他们认为，在时间之初的混沌状态下，你需要一个大的、平滑的、平坦的时空区域，在这个区域内可能会发生暴涨。但是大的、平滑的、平坦的时空斑块是很难出现的——事实上，它们正是我们的宇宙的特征，暴胀理论的发明就是为了解释这些特征。因此，获得触发通胀的正确初始条件，将使通胀完全没有必要。
这在过去可能是真的，但它是否真的重要却一直不清楚。如果你从混沌开始，它的某个地方必然会有一个平滑的补丁，只是随机的，而且无论它多么罕见，因为一旦它膨胀，它就会变得如此巨大，完全主宰了整个宇宙。这就是宇宙学，你不必证明宇宙是很容易或很快开始的。你只需要证明它可以开始。
能预测任何事情的理论都不能预测任何事情。
无论如何，在过去的几年里，这个故事发生了巨大的变化。主要发展1.在所谓的“全数值广义相对论”中，对时空实际动力学的强大计算机模拟令人惊讶地表明，通货膨胀的开始比任何人想象的要容易得多。事实上，你不需要一个平滑、平坦的补丁，即使是块状、杂乱的区域也会开始膨胀。“这是最大的飞跃之一，”凯瑟说。
斯坦福大学物理学家莱昂纳多·塞纳托雷（Leonardo Senatore）说：“在我们看来，最初的平滑补丁的问题已经消失了。”他参与了模拟工作，并在信中签字科学美国人. 根据这项工作，只有很少的通胀障碍仍然存在。塞纳托雷说，这“扭转了开始通货膨胀的可能性问题”。“现在看来，这不太可能不开始。林德表示同意:“初始条件问题在2015年就解决了。”“这种批评表明，他们完全不知道正在发生什么。”
那么第二个批评呢，即通货膨胀太过灵活，无法测试？诚然，尽管通胀背后的想法很简单，但它的参数可以以似乎无穷无尽的方式进行调整：你可以改变通胀开始时的能量标度，驱动其膨胀的标量场的特征，或者在通胀结束前时空翻倍的次数。打开这些参数中的任何一个，都会导致微波背景辐射的不同模式、恒星和星系的不同排列以及引力波的不同振幅。换句话说，批评家们说，出去测量几乎任何东西，有人会说，“嘿，这是通货膨胀的证据。”可以预测任何东西的理论都不能预测任何东西。他们说，通货膨胀不是科学。
但支持者认为，这表明了对通胀的根本误解。他们坚持认为，这不是一个单一的模型，而是一类模型，一个全面的原则，一个可以从中衍生出单个模型并进行测试的范例。关键是要弄清楚哪一个通胀模型是正确的(如果有的话)，而不是一下子证明或伪造所有这些模型。“每个模型都做出了具体的预测，并且可以通过经验科学的传统方法进行精确的测试，”现在麻省理工学院的古思说。达尔文的自然选择进化论概念并不能准确预测你会在窗外看到哪种动物;爱因斯坦关于引力是时空曲率的概念并不能预测我们宇宙的实际时空几何;暴涨并不能预测微波背景辐射的每一个起伏。
将哲学家卡尔·波普尔的证伪标准称为判断什么是科学和什么不是科学的石蕊试金石是一种时尚，苏斯金德称那些快速叫喊波普的人为“波普拉兹”。但在通货膨胀的情况下，引用波普并不合情合理。“我不认为波普尔或任何其他负责任的思想家曾主张，要确定一个理论是否科学，就应该问这个理论属于哪一类理论，然后再问是否有实验发现可以立即排除整个理论，”古思说。“那没有意义。”
科学哲学家们早就知道，证伪并不像听起来那么黑白分明。对于我们进行测试的每一个理论预测，在整个实验设置中都隐含着大量的辅助假设——正如哲学家们所说，观察是“充满理论的”。如果一个预测没有实现，是我们正在测试的理论是错误的，还是某个辅助假设?它们不可能被解开。与此同时，科学历史学家们知道，科学从来就不是通过弄虚作假来发展的。如果一种理论具有真正的解释力，科学家们不会仅仅因为它似乎太过灵活，或者即使它被反常的观察证明是错误的，就放弃它。如果有更好的理论出现，他们就会放弃。
你可以从无到有创造出一个宇宙——你可以从无到有创造出无限的宇宙——只要它们加起来都是空的。
以牛顿引力为例。这是一个非常优雅的想法，将落下的苹果的运动与绕轨道运行的行星的运动联系起来，但它也有它的问题。其中之一是水星的轨道不符合其方程式。按照波普拉齐的标准，水星已经证明牛顿引力是错误的。洗手不干，用伪造的垃圾把它拿出来。但是没有人抛弃这个理论，他们也不应该这样做。只有当广义相对论出现时，它才能够准确地预测水星的轨道，是的，但它也确实存在更多优雅，更多牛顿引力被宣布为错误的解释力。“错”这个词太强了，事实上，当速度很小，引力很弱时，爱因斯坦的方程就简化为牛顿方程。牛顿引力是对的，只是它不是全部。
膨胀对可观测宇宙的几何结构产生了非常精确的解释，并解释了为什么遥远的天空中永远不会接触到的小块处于近乎完美的热平衡状态。就像牛顿引力一样，通货膨胀并不是全部。这不可能，因为它不是用量子引力来表述的，量子引力是将量子力学与广义相对论统一起来的完整的“万物理论”。“在我看来，通货膨胀的问题可能会通过更深入的量子引力理论来解决，或者通过在我们这片宇宙中开始缓慢滚动（非永恒的）通货膨胀之前发生的其他过程来解决，”高级研究所的联合发起人胡安·马尔达塞纳说。“抛弃大爆炸理论并没有消除热大爆炸理论的问题。它们是由大爆炸阶段之前的另一种演化方式（即通货膨胀）解决的。同样，我认为，通货膨胀问题不会通过抛弃通货膨胀而解决，而是通过其他一些以前发生过的理论来解决。”
更重要的是：膨胀宇宙学本身为我们提供了最好的希望，让我们从经验上看待量子引力的作用。毕竟，膨胀的全部意义在于它将时空本身的量子尺度动力学放大到宇宙的比例。通过这样做，它使我们能够以100亿倍于欧洲核子研究中心大型强子对撞机达到的能量尺度来研究物理学。我们永远也找不到更好的放大镜来窥视现实中最复杂的细节。巨大黑洞的视界将是一个不错的视界，但与通货膨胀相比仍然微不足道。“这可能是我们最接近于看到量子力学和广义相对论的综合效应，”苏斯金说。因此，人们可以开始理解，为什么从最具体的实验天体物理学到最抽象的M理论等领域的物理学家签署了支持通货膨胀的信函。
现在来看斯坦哈特、伊贾斯和勒布提出的第三个也是最后一个批评。早在通货膨胀的早期，林德就意识到，由于量子不确定性，通货膨胀不会在任何地方同时停止。因此，当我们的宇宙退出膨胀阶段，开始其普通的亚光速膨胀时，会留下一小块标量场。这一小块膨胀成一个全新的宇宙，而这个宇宙又留下了另一小块，创造了另一个宇宙，无限. 每个宇宙可以包含不同的场，不同的粒子具有不同的质量和不同的行为。林德称之为永恒的自我复制宇宙。今天，物理学家称之为多元宇宙。
多元宇宙是暴涨理论的另一个方面，刚开始看起来有点疯狂，但后来物理学的其他部分也跟上了。例如，弦理论被证明可以描述近乎无限个宇宙，所有这些宇宙都迫切需要一种可能产生它们的物理机制。与此同时，像暗能量值这样的观测结果出现了，这些观测结果似乎不太可能与生物生命的存在相一致，迫切需要一个解释。在每一种情况下，永恒的通货膨胀都起到了拯救作用。
不过，并不是每个人都喜欢多元宇宙的概念。Steinhardt、Ijjas和Loeb将其称为“多重混乱”。他们不喜欢这样一个事实，即物理的各种特征在不同的宇宙中会有所不同，因为这将我们这个小宇宙的特征简化为纯粹的偶然事件。“我相信这是该理论的一大优势，”林德说，“但他们认为这是一种犯罪。”但不喜欢该理论的含义并不意味着它是错误的。“这似乎确实让一些人感到不舒服，但舒适区并不一定是我们想要的，”苏斯金德说。
似乎永远超出我们能力范围的宇宙也可能超出实验范围。但有一种有趣的方式可以检验永久的通货膨胀。在物理学中能量总是守恒的，你不能创造出比你开始创造的更多的东西。而长期的通货膨胀，乍一看，似乎肆意违背了这一点。不过，还有另一个漏洞：重力是负能量的一种形式。当通货膨胀创造出更多的宇宙时，它同时创造出更多的引力，而这两种引力会完美地抵消。加起来等于零的能量是守恒的。其他守恒定律呢？角动量是守恒的，但是如果你把宇宙中所有星系的角动量加起来，它等于零。电荷是守恒的，但宇宙是电中性的；加起来也等于零。永恒的膨胀可以使宇宙像我们这样，正是因为它不必违反任何守恒定律。这使得越来越多的没有什么.
再一次，膨胀理论抓住了物理学上的一个漏洞，并将其暴露为对现实本质的深刻一瞥:你可以从无到有创造一个宇宙——你可以从无到有创造无限的宇宙——只要它们加起来都是零。这不仅是一个深刻的见解，它还创造了一个可测试的预测。古思说:“永恒膨胀确实预测了所有守恒量的平均密度应该是零。”“因此，如果我们确信宇宙的电荷密度或角动量是非零的，那么永恒的膨胀就不再是一种选择。”
尽管如此，无穷大还是让斯坦哈特、伊贾斯和勒布感到不安，因为它使得定义测量结果的概率变得极其困难。在一个无限的多元宇宙中，任何可能发生的事情都会发生无数次。这种情况需要所谓的概率度量来为不同的事件分配不同的可能性，即使事件的数量是无限的。但是不同的度量会产生不同的概率，而且还不清楚哪种度量是正确的。批评者说，这让我们处于一种无法预测任何事情的境地。
这可能是真的，但这意味着物理学家必须弄清楚使用哪种度量，而不是多元宇宙是一个自由的宇宙。“即使是最罕见的事件也会发生无数次，”古思解释道。“但这样的事件仍然极为罕见。任何结果都不会优于任何其他结果的说法在逻辑上是毫无根据的。数学家近一个世纪以来就知道，概率可以在无限空间上严格定义，当然并非所有事件的可能性都必须相等。因此，不幸的是，即使如果存在多元宇宙，我明天在马萨诸塞州彩票中奖的机会将非常小。”
“这项措施的问题非常复杂，”林德说。“这与量子力学的解释非常相似。每个人都知道量子力学是有效的，但人们对它的解释争论了100年。多元宇宙有点相似。这是一个深层次的问题，将引力和宇宙学的量子力学描述放在一起。”
这确实是一个深刻的问题，比多元宇宙的批评者所暗示的要微妙得多。（应该指出的是，斯坦哈特、伊贾斯和勒布远不是唯一的多元宇宙批评家。）构成多元宇宙的无限宇宙被事件视界彼此分开，因为它们被广义相对论和量子力学描述，是奇怪的物体，并不总是它们看起来的样子。在过去的几十年里，物理学家们发现，只要存在视界，关于现实本质的基本假设就会受到质疑。关于落在黑洞视界后面的信息命运的思维实验和悖论导致苏斯金引入了“视界互补”的概念：视界的两侧不应被视为时空的不同区域，而更像是对同一现实的两种不同描述。如果多元宇宙中的视界互补性成立，那么多元宇宙可能是一种巨大的冗余，宇宙的基本理论很可能是以单个可观测宇宙的形式写成的，这使得度量问题变得毫无意义。多元宇宙的所有形而上学的包袱，以及一些人对它的厌恶，可能只不过是一种过于经典的思维的产物。野村表示：“你必须仔细解读多元宇宙。”。“我们的世界是量子力学的。”
签署这封信的霍金一直在研究一种他称之为自上而下宇宙学的模型。在他看来，从量子力学的角度来看，把宇宙的起源和演化当作一条独特的轨迹来讨论是没有意义的。相反，他认为，我们应该在观察宇宙时使用它马上-再加上它从无到有的假设，并将可能从无到有到现在的每一个可能的历史进行量子叠加。并不是说我们不知道到底发生了什么，而是他们全部的发生。与其说是一个有着单一历史的多元宇宙，不如说是一个有着多重历史的单一宇宙。当霍金用这些历史的总和来确定最可能的路径时，瞧-早期宇宙经历膨胀的历史。通货膨胀是从一个不涉及多元宇宙的理论中自行产生的。
许多道路似乎会导致通货膨胀，而通货膨胀反过来又会导致意想不到的地方。斯坦哈特、伊贾斯和勒布坚持他们对这一理论的批评，并提出了自己的看法网站我想重申一下。但签署这封信的33位主要物理学家和无数其他人对通货膨胀比以往任何时候都更有信心，他们探索了通货膨胀的奇怪领域，乐观地认为通货膨胀最终将引导他们找到自己的替代品：一个更完整的宇宙起源理论。那当然,，是科学这是非常壮观的。
Amanda Gefter是一位物理学作家，也是一本闯入爱因斯坦的草坪：一个父亲，一个女儿，一无所有的意义，一切的开始。她住在马萨诸塞州的剑桥。
参考文献
东方，W.E.，克莱班，W.，林德，A.，和塞纳托雷，L.在一个不均匀的宇宙中开始膨胀。arXiv（2016）。从内政部检索：10.1088/1475-7516/2016/09/010
