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我们不必过高地评价这些计算的重要性，并不是必须运用某种特定的大统一理论，或者某种机制来解释宇宙中正反物质的不对称性：这些计算表明，许多理论都能轻易地得出这种解释。当我们找到那个正确的大统一理论时，它很可能预言了正反物质的不对称和光子质子数目的比例。这些数字之所以现在如此，不再是因为它们过去就是那样。
问题宇宙
再也没有欣喜和充满信心的晨曦！①
——罗伯特·布朗宁（1812～1889）＇8＇
① 译文来自“天涯诗会”，作者为肥仔深。——译者注
没过多久，一个深奥的宇宙学问题就露出了丑恶的嘴脸，威胁着物理学大统一理论的安危。＇9＇如果宇宙刚诞生不久时，弱、强和电磁相互作用在极高的能量下变成同一种相互作用，那么就必然会产生一个不必要的副产品。电磁相互作用在早期宇宙中出现时，就会大量产生一种非常重的新粒子，叫做磁单极子，这种粒子首先是由狄拉克在1931年时提出的。＇10＇它就像一个非常重的电子（比电子重1020倍），只不过不携带电荷，而是携带一种新型的“磁荷”，就像条形磁铁的一个磁极。这些自然界中的磁荷是守恒的，就像电荷一样有正有负，除掉磁单极子的唯一方法就是让正反磁单极子碰在一起，发生湮灭。可惜，一旦形成，磁单极子就不太有机会碰到反磁单极子，于是就在宇宙中保留了下来，而且数量非常多。
这就完蛋了。今天的宇宙应该早已被磁单极子占领了。这些磁单极子为宇宙贡献的能量密度是所有恒星和星系的1026倍。在这样的宇宙中，不会存在恒星和星系，也就不会有“我们”在为此操心了。这就是“磁单极子问题”。＇11＇
将高能物理学嫁接到重构宇宙甚早期历史的尝试，在这个拦路虎的干扰下停住了脚步。＇12＇说来奇怪，破天荒头一回，不是新的天文观测结果，也不是爱因斯坦方程组的新解，而是粒子物理学为宇宙学研究的发展指明了方向。
暴胀的宇宙
可以大致看到未来事物演变的雏形。
——莎士比亚＇13＇
磁单极子的问题造成了某种僵局，但这些问题又吸引了人们的注意力，使他们主要将宇宙看作广袤的粒子物理学实验室，而不是看作恒星和星系所处的膨胀背景。粒子物理学家只对最简单的膨胀宇宙模型感兴趣：一个宇宙拥有平滑的各向同性的空间，没有转动，也没有其他不同寻常的属性。＇14＇
1980年，突然之间，一份新的打印稿出现在物理系的邮箱里。这篇文章内容充实，出自斯坦福直线加速器中心的一位年轻粒子物理学家之手。当时美国的学术市场非常低迷，他还没什么名气，已经做了好几期博士后这样的临时工作。＇15＇阿兰·古斯发现，有一种宇宙模型可以同时解决困扰了宇宙学家二十年的好几个问题。不过他的最初动机并不在此，他只是想要解决磁单极子的问题。
物理学家和宇宙学家很快发现，古斯想法的实质非常简单。它假设，在宇宙的甚早期，恰好在磁单极子的出现和正反物质的平衡建立起来之前，宇宙经历了一次短暂而突然的加速，或者按照古斯的叫法，是一次暴胀（图9。1）——这是为了讽刺当时害得人找不到稳定工作的经济大环境①。
① 通货膨胀和暴胀的英文都是inflation。——译者注
这个想法可不简单。我们已经见过一些加速膨胀的宇宙，例如德希特宇宙和稳态宇宙模型。这些宇宙永远在加速——从过去到永远。但是我们也见过像勒梅特那样的宇宙，一开始是减速膨胀的，当宇宙学常数的排斥作用超过普通的引力时，这种宇宙就转而开始加速膨胀。一旦开始加速，就永远不会再停下来。
图9。1 一个简单的暴胀宇宙模型中，尺寸随时间变化的图。暴胀是说在一段有限的时间内宇宙发生了加速膨胀。暴胀导致宇宙膨胀得更遥远，也使得后来的膨胀速率更接近临界值
没有人见过加速以后还能再次减速的膨胀宇宙模型。古斯找到了一种办法，定义了一种暂时起排斥作用的引力①，在一段很短的时期内，这种排斥力就像爱因斯坦那个臭名昭著的宇宙学常数一样。
① 这种力仍然属于引力相互作用，只不过表现形式与万有引力相反，是相互排斥的。——译者注
这个新理论能够统一地描述物质的高温行为，其中包含了一种新型粒子，后来被称为“标量场”。＇16＇能量的这种形式能够缓慢地变化，比宇宙膨胀的速度慢得多，这样它们就会产生排斥性的引力，而不是相互吸引。在这种极端而又最常见的情况下，这种标量场简直就是爱因斯坦宇宙学常数的翻版。这种标量场的压强是负的，但和正宗的宇宙学常数的区别在于，它们的生命如白驹过隙：这种标量场或快或慢会发生衰变，转化成普通的辐射物质或基本粒子，于是压强变成正的，排斥力变成引力。图9。2是暴胀宇宙的温度和尺寸的总体演化图。
图 9。2 暴胀使得宇宙的膨胀突然加速，同时宇宙的温度急剧下降。暴胀停止时，驱动暴胀的粒子会发生衰变，在一瞬间产生了大量的能量。这导致宇宙被重新加热。然后宇宙又开始冷却，而且冷却的速度跟暴胀之前冷却的速度一样
粒子物理学的新进展为这个问题提供了一些线索。用粒子物理学家的语言来说，宇宙学常数只不过体现了宇宙的“真空能”——宇宙能够携带的最低能量。真空能也可以理解为一种局部上的最低能量状态，就像一个碗的碗底，如果你把玻璃珠扔进去，它就会滚到那个位置上。大量基本粒子都分别占据着这样的临时位置，每个位置都对应一定的能量。在宇宙冷却的过程中，粒子间的相互作用使得这些粒子都会随机变动各自的位置（图9。3）。
如果宇宙中的某些物质偏离了平衡状态，并开始朝着一个新的、能量更低的平衡状态移动，那么这种移动就会引发真空能产生排斥性的引力，从而导致宇宙的加速膨胀。＇17＇古斯意识到，如果这个过程发生得太快，就会产生灾难性的影响。宇宙的各处会同时产生大量新的真空泡沫。泡沫会迅速膨胀，相互碰撞。结果导致宇宙各处都产生了大量不规则性，满地狼藉，密度和膨胀速率变得极为不均匀。这不是我们所生活的宇宙。
图9。3 早期宇宙包含的物质可以存在许多不同的能量极小状态，或者叫“真空”，每种真空的能量都不一样。在这张图中，A、B、C、D四个点都各自表示一种真空。真空态 B包含的能量最低，所以如果宇宙的一部分处于真空态A或者真空态C的话，一个扰动就有可能使其翻过“山岗”，落入真空态B之中
尽管如此，古斯点出了这个问题之后，还是发表了他的暴胀理论，因为这个理论有一大堆非常简单而又令人满意的结果。很快就有人发现，宇宙从一个真空态向另一个真空态的转化可以进行得很缓慢，这样就能保证我们的可见宇宙处于其中一个新的真空泡沫之内。这就意味着在我们的可见宇宙中，没有发生过泡沫的碰撞，也没有碰撞的残骸。如果宇宙甚早期存在能产生排斥性引力的物质，而且所产生的排斥性引力满足正确的形式的话，这种排斥力就会驱动宇宙加速膨胀。但是它又会立刻衰变成普通的辐射和物质，于是宇宙就停止了加速，又回到减速的过程中来。
图9。4 一个曲面所经历的暴胀。可以看出从（a）到（d），暴胀使得这个曲面从局部看越来越平坦
如果宇宙经历过这样的插曲，貌似就能解决宇宙学中存在已久的问题。此时，宇宙的体积将会更大，膨胀的速度也将会更快。在这个过程中，宇宙的膨胀处于一种临界状态，介于永远膨胀的宇宙和最终要回到大塌缩的宇宙之间。与此同时，宇宙变得非常均匀，空间的不同方向趋于一致（图 9。4）。先前的理论并不能解释可见宇宙的这些性质。短暂的暴胀马上能将这些问题一股脑儿讲清楚。
暴胀理论最有意思的结论是，比以前设想的远少得多的物质和能量的原初涨落，通过加速膨胀，就能形成今天宇宙的可见部分（直径超过140亿光年）。这个涨落必须很小，不影响时空的光滑性，以使光线能够顺利穿过。＇18＇我们从宇宙中所观察到的高度的均匀性，正是由于可见宇宙源自暴胀之前的微小涨落，在膨胀的过程中，光子不断将能量从相对高温的区域带到低温区域，这就保证了空间的均匀和各向同性（图9。5）。
图9。5 暴胀使得一小片空间变得比今天的可见宇宙还要大（3×1027厘米）。①这片空间必须非常小，这样在早期宇宙的任何时候，光信号都来得及将其中的不均匀性抹平。在这张图中，我们将早期设定为10…35秒。所以光信号以3×1010厘米每秒的速度传播，在这段时间内，就只能传播 3×10…25厘米，这就是这一小片空间的大小。当时，宇宙的温度是3×1028开，而今天已经下降到了3开。温度下降了1028倍，同时暴胀将那一小片空间从3×10…25厘米膨胀成了 3×1027厘米。这就解释了为什么可见宇宙大体上是均匀的：我们看到的是一小片均匀的空间膨胀后的样子。如果宇宙没有经历过暴胀，那么可见宇宙就得从一片3厘米长的空间开始膨胀，而这比宇宙早期时光信号所能传播的最远距离还要大1025倍
① “卡斯纳博士的宇宙”一节说可见宇宙的范围是1029厘米。考虑到宇宙的膨胀，光在 137亿年间传播的范围大约有930亿光年，约为 8。8×1028厘米，所以1029厘米一说更合理。——译者注
最后一点也很重要，暴胀同时也解释了磁单极子的问题。之所以会产生磁单极子，是由于不同方向上的磁力指向不匹配。由于可见宇宙原先对应的区域非常小，刚好没有出现磁力不匹配的现象，因此我们也