行星、恒星和星系等复杂结构是由原始等离子体中的声波产生的。在产生这些声音的时候，宇宙就像一件乐器。然而，我们对音乐的类比就停留在“意识到宇宙制造了这些声音”上了吗？毕竟，直观地看，音乐显然不仅仅是声音。对人类的耳朵来说，周期性的波是最具音乐性且最令人愉悦的。不过，约翰·凯奇等作曲家持有不同看法：

我认为，声音的本质确实是和谐的……而且，我会把这一理念延拓到噪声上。世界上并不存在噪声，只有声音。我没有听过任何我听过一次就不想听第二次的声音，除了那些恐吓我们或者听起来感觉很痛苦的声音。我不喜欢有意义的声音。如果一种声音是无意义的，那么我会很喜欢它。¹

我们通常将噪声视为一种无用的信号，并且希望消除它，所以好的耳机都具有降噪功能。科学研究中也存在着无用的噪声。为了搜寻到自己期望的无线电信号，阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊都渴望去除那些讨厌的噪声。颇具讽刺意味的是，那些他们试图消除的“无意义的噪声”正是宇宙微波背景辐射！也许，我们应该像凯奇一样聆听来自噪声的音乐。

聆听来自噪声的音乐

借助傅立叶理念，我们可以理解噪声的来源。简单地把全部频率、振幅相同的波叠加起来，我们就会得到一个无特征的白噪声信号。这种声音在进入我们的耳朵时会表现为“嘶嘶”声，因为没有一个主导频率，每个频率对声音的贡献都是相等的。因此，白噪声实际上是最“民主”的声音。

其实，宇宙学家正在构建一种关于早期宇宙的新理论。该理论认为，早期宇宙产生的噪声是构成那些大尺度结构的基础。现在摆在我们面前的问题是，我们不知道第一次振动是如何从空无一物的宇宙中产生的，而正是这种振动催生了原始等离子体。“第一个声音”的起源还没有完全被实验证实。现在已经形成了几种精妙的理论，但它们都需要经过修正才能符合现有的实验结果，更遑论做出新的预言了。所谓的“微调问题”，其本质是我们不知道自然界中的常数在宇宙中为什么取这个特定的数值。为什么光速是现在这个数值？为什么决定粒子相互作用强度的耦合常数是现在这个数值？我们的宇宙就像一件经过微调的乐器。观测是领先于理论游戏的，例如，通过绘制星系的旋转轨迹，我们得到了暗物质存在的间接证据。暗物质非常神秘，如果没有它，星系就不会形成。随后，科学家构建了许多关于暗物质的模型，但到底哪一个是正确的呢？更进一步探讨，在关于早期宇宙的理论中，哪一个才是正确的呢？

就目前的情况而言，宇宙暴胀是描述早期宇宙最好的理论，因为它一次性解决了标准的大爆炸理论无法解决的两个重要问题。第一个问题是我们已经讨论过的视界问题，它又引出了另一个问题，即宇宙微波背景辐射中的光子在彼此之间没有发生相互作用的前提下是如何达到相同温度的。正如我们讨论过的，通过提供一个宇宙中相距不是太远的各部分能够相互作用的时期，暴胀理论解决了这个问题。第二个问题是找到产生振动能量的正确的物理机制，而振动能量是形成原始等离子体声音的来源所必要的。

我们可以通过深挖暴胀机制的细节来寻找答案。在广义相对论中，我们把引力场（或者时空）视为一种弹性介质。当物质与引力场相互作用时，它会改变引力场的弹性。“宇宙暴胀理论之父”阿兰·古斯发现，在早期宇宙中，如果某种具有负压力的奇异物质（本质上是一种能产生斥力的能量）在时空中占主导地位，那么宇宙就会经历一个快速膨胀的阶段，其膨胀速度甚至会超过光速。这个理论并没有违背爱因斯坦的相对论，因为相对论虽然不允许时空中的物质超光速运动，但对时空本身的膨胀速度并没有限制。

暴胀十分有趣，虽然它只是一种宇宙膨胀理论，但是它建立在量子场论和对称性论证的基础上。古斯认为，如果早期宇宙非常对称，那它将是不稳定的。它就像一支放在桌子上、笔尖朝下且还要保持平衡的铅笔。一支像样的铅笔具有多种旋转对称性，但即使是最微小的扰动也会使它落向任意一个指定的方向，这就打破了倒立的铅笔原本具有的旋转对称性。这个现象被称为对称性自发破缺，它在物理学中无处不在。让我们回忆一下我在库珀实验室中研究过的磁性伊辛模型。当一块金属的温度非零时，单一的自旋会指向随机的方向。而总的磁化强度为零。然而，铁磁体中最近的邻居更喜欢让磁场沿同一方向排列。因此，当温度低至零摄氏度时，自旋能量会降到最低，所有的自旋都将指向一个指定的方向。于是，对称性就破缺了。这种温度降低时对称性的降低正是一个对称性破缺的例子。

类似的现象也出现在量子场论中。不过，在量子场论中，控制对称性破缺的不是温度，而是宇宙学家称为的暴胀场。我大学时曾问古斯暴胀会不会做功，他回答时提到过这种场。在空间中暴胀场非零的区域，对称性会破缺，而暴胀场带来的负压力会导致这个时空区域以指数形式“暴胀”。这就是古斯的暴胀理论。

暴胀场正是我们宇宙的“导体”

随着宇宙以指数形式膨胀，神奇的事情发生了。我们知道，由于不确定性原理，量子振子永远不可能处于静止状态。暴胀场中的量子的行为非常像大量振子的集合，也很像一根正在振动的弦，不过，其与弦有一个主要的区别：小提琴的一根琴弦被拨动时，它可能会产生一系列泛音，这些泛音的振幅并不一定彼此相同。在暴胀的作用下，宇宙变成了一种特殊的乐器，其中大多数暴胀场量子的模式都是从相同响度的真空中产生（激发）的。这是因为暴胀背景作为一种源，其对所有模式而言贡献都是相同的。然而，这还不足以产生宇宙的初始结构，因为宇宙的对称性太强了。我们需要消除一些对称性。

想象一支由100把小提琴组成的管弦乐队，彼此演奏不同的音符。如果每个小提琴手都以完全相同的音量演奏自己的音符，那么听起来就像频率处于两个频道之间的收音机发出的噪声。这种噪声的极端版本就是白噪声。暴胀时期的量子波发出的就是这种声音，如果你的耳朵能听到的话。此外，暴胀还有一些更重要的行为。每个波都有自己的相位，相位是一个数字，会随着波形中位置或者时间延迟的变化而变化。原则上，这些相位是各不相同的。这就像把一堆石子随机地扔向池塘中的不同地方，它们的相位会随机地取不同的值，所以那些波发生干涉时会相互抵消。然而，在暴胀阶段，这些相位是相同的。这就像开始时所有小提琴奏出不同的音符，形成刺耳的杂音，一旦被某种场（或者说导像管［conductron］）扫过之后，它们奏出的就是完全相同的音符。在这种意义上，暴胀场就相当于宇宙的“导体”（conductor）。

20世纪80年代，研究者发现，暴胀理论预言了原始波所具有的特性使得原始等离子体中能产生声波。原始等离子体也被称为暴胀量子涨落近规模不变功率谱。功率谱是一条曲线，表征的是连续频率范围内的响度，这与傅立叶理念以不同频率的纯粹波的集合来构造复杂函数完全相同。那时，人们还没有获得能证实或者证伪这一预言的观测结果。到了1992年，也就是古斯到哈维福德学院我所在的班级访问的那一年，宇宙背景探测器人造卫星测量了原始等离子体中的涨落，并找到了暴胀理论预言的谱。研究人员对宇宙微波背景辐射的测量持续了20多年，因此十分精确，比如由戴维·斯伯格和普朗克空间天文台共同负责的威尔金森微波各向异性探测卫星，前者是我在普林斯顿大学的同事。迄今为止，所有的观测结果都与暴胀理论的预言一致。

根据暴胀理论，一小片由暴胀场支配的空间取代了大爆炸的地位。在140亿（14×10⁹）年前的宇宙中，这个迷你宇宙小如微尘。暴胀场的量子振动随着空间的快速膨胀被拉长，并为宇宙微波背景辐射中声波的出现埋下了种子。最终，随着能量消耗殆尽，暴胀开始稳定下来。与振动的弹簧即将停在某处之前会在静止点附近做小阻尼振动一样，暴胀场依靠它的剩余能量继续振动。这些振动会激发在这个阶段与暴胀相互作用的物质场，并产生粒子。罗伯特·布兰登伯格与珍妮·塔森（Jennie Traschen）是最早描述这个阶段的宇宙学家，他们称之为“预热阶段”，标准模型中的大爆炸产物就产生于这个阶段。

通过应用广义相对论与量子力学效应，暴胀理论解释了早期宇宙中无处不在的白噪声的产生，而白噪声是宇宙结构的种子。暴胀结束后，这种噪声就像吹奏宇宙的“琴口”一样，在原始等离子体中转变成了声波，并激发了粒子的产生。暴胀理论自提出至今已经有30多年的时间了，令人惊奇的是，要想提出能解释噪声的替代理论是如此困难，但我们又确实需要替代理论，因为暴胀理论虽然非常成功，但并不完美。

暴胀理论存在的第一个主要问题是它对原始声音响度的假设。科学家分析了宇宙微波背景辐射功率谱中宇宙声音响度的测量结果，发现它偏离了等离子体平均能量约1/10 000。任何与观测到的响度的微小偏差都会使宇宙变得不宜居，因为宇宙中的结构不是形成得太快而使得生命没有足够的时间进化，就是根本不会形成。不幸的是，即使是最简单的暴胀模型（由零自旋暴胀场²的量子场论描述），也不能给出白噪声响度的正确值，暴胀场自身也不能。理论物理学家必须引入一个自由变量，以控制暴胀场与自身的耦合³。在最简单的暴胀模型中，自耦必须被人为地调整到一万亿分之一的精确度。任何对这个小到有点荒谬的数值的偏离都会导致一个不宜居的宇宙。暴胀模型共有上百种，抛开它们之间的区别，其共性是任何一个模型都无法解决微调问题。更糟糕的是，暴胀理论没有解释这种调节为何如此微小。微调问题也存在于量子场论中，后者描述了标准模型中的3种基本力（电磁力、强核力和弱核力）。一个有趣的微调问题涉及控制着电磁力与强核力的相对强度的参数，如果这些参数与观测值稍有出入，那么恒星上就不可能产生生命的基石——碳元素。

暴胀理论存在的第二个重要问题是它的起源。这又是一个微调问题。如何设定初始条件，才能使暴胀场具有正确的性质（包括被负压力和具有正确势［correct potential］的场支配的早期宇宙），以驱动正确数量的暴胀呢？在暴胀理论提出之后不久，亚历山大·维连金（Alexander Vilenkin）指出，如果宇宙完全由量子力学描述，那么暴胀就可以始于纯粹的真空能量，后者被他称为“空无一物的状态”。宇宙的量子态将始于不存在时空的真空，并且会自发地经历一种被称为“量子隧穿效应”（quantum tunneling）的现象，进而产生一片暴胀的时空（图16-1）。根据维连金和其他物理学家的研究，这种量子隧穿效应可以发生不止一次，这让维连金的宇宙原初量子态有机会探索出许多不同的时空，每个时空都有着不同的“微调”常数。我们恰好居住在一个具有正确耦合常数的宇宙中，因为只有在这种宇宙中我们才能活下来，并且进行这种测量。这种推理方式叫作“人择原理”（Anthropic Principle）。许多物理学家都对人择原理不以为然，认为它不可证伪，所以是非科学的。大多数人认为，我们不可能观测其他宇宙。包括纽约大学的马特·卡勒班（Matt Kleban）在内的少数宇宙学家提出，早期的暴胀宇宙有可能与另一个泡沫宇宙发生碰撞，并在宇宙微波背景辐射中留下了一些我们或许能探测到的痕迹。

图16-1　从假真空的能量中演化出的暴胀宇宙

注：此图描述了从假真空的能量中演化出的暴胀宇宙。在这种情况下，最终形成的将是许多泡沫宇宙。这个过程将永远持续下去。

弦理论统一了4种基本作用力，并通过引入额外维，解决了为耦合常数分配数值的问题。我的同事李·斯莫林在与哈佛大学的弦理论学家安迪·斯特罗明格（Andy Strominger）讨论后，在他的著作《宇宙的生命》（The Life of the Cosmos）中前瞻性地指出了弦理论面临的巨大挑战，即它很难唯一确定自然界中的耦合，因为它所描述的10个维度能以多种方式卷曲起来，形成四维时空。斯莫林辩称，弦理论赋予四维世界的数不胜数的可能性将为耦合常数提供一个大“背景”，而对理论物理学家来说，从弦理论中找出自然界中的常数如此取值的原因几乎是不可能的。

2003年，当我还在斯坦福直线加速器中心做博士后时，伦纳德·萨斯坎德发表了一篇论文，改变了整个弦理论的格局。论文的题目是《弦理论中的人择景观》（The Anthropic Landscape of String Theory），摘要中说：“无论我们是否喜欢它，这种行为都支持着人择原理。”萨斯坎德所谓的“这种行为”意指他的观测，观测的结果是，弦理论允许多个具有各自耦合常数的四维世界存在，而不是给出耦合常数的唯一解——这与斯莫林的期望是一致的。据萨斯坎德推测，弦理论会产生很多膨胀的气泡，它们充斥着背景，并生成不同的耦合常数。我几乎是立刻就知道了他的观点对我们这些年轻博士后的影响。一夜之间，我们的狄拉克之梦变成了梦魇。当我们从万物至理中寻找这个世界的唯一解已是徒劳无功时，还有什么是可以计算的呢？

由于萨斯坎德对我总是非常友好，而且非常支持我的事业，所以我很自然地问他：“现在我们要面对这个背景了，我们还能做什么呢？”萨斯坎德回道：“虽然我们有幸身处众多宇宙中的一个，但我们依旧需要在弦理论中找到一个实现暴胀的例子。”我虽然对这位我心目中的物理学领域的英雄无比崇拜和尊敬，但还是无法接受多元宇宙的理念。我最大的一个异议在于，弦理论不能预言微调常数的具体数值。因此，本着奥尼特·科尔曼的精神，我放弃了弦理论，开始寻找其他研究早期宇宙学的方法。

在过去的15年里，我既研究暴胀模型，也研究暴胀的替代理论。所有这些模型都存在一定的微调问题，因此，任何对早期宇宙的正确物理机制的洞见都需要处理微调问题。如果暴胀理论或者任何替代理论看到了成功的曙光，那就意味着我们必须理解自然界中的这些常数是如何出现的。

一次偶然的机会，我在巴黎的亨利·庞加莱研究所参加了一个M-理论（M-theory）新手训练营，为期3个月，日程非常紧张。虽然2000年时美国的政策在欧洲不受欢迎，但我还是在欧洲交到了许多物理学家朋友，其中与我关系最好的是克里斯·赫尔（Chris Hull），他是讨论班中的主讲之一，也是M-理论的共同创立者。赫尔与保罗·汤森（Paul Townsend）发现，相比其他描述点粒子的普通场论，弦理论具有更高的对称性，或者说自同构（automorphism）。1995年，爱德华·威滕在南加州大学做了一次历史性的演讲。基于赫尔的计算，威滕推测，5种弦理论实际上都是一种潜在的十一维理论的不同表现。M-理论中的另一个关键之处在于，它不仅是一个有关弦的理论，还拥有更高维度的振动物体，即D-膜（D-brane，如图16-2所示）。

图16-2　D3-膜

注：一种特别有趣的D-膜是D3-膜，它是一种三维膜。在这个D3-膜里，与以这些膜为终点的振动的弦相关的标准模型中的场被约束在一起。因此，一个严谨的D3-膜可以作为宇宙的优秀候选者。其实这并不是一个新的观点，物理学家丽莎·兰道尔（Lisa Randall）和拉曼·桑卓姆（Raman Sundrum）就曾提出过⁽¹⁹⁾。

乔·波钦斯基（Joe Polchinski）发现，不同的弦可以共同地以多个维度的膜为终点。最简单且直观的例子是二维曲面，或者说2-膜。波钦斯基的发现之所以成为可能，是因为弦的终点可以在膜的表面上变动，而不是像吉他弦一样被固定住。令人欣喜的是，波钦斯基发现这些曲面是物理物体，因为它们解决了弦理论中两个存在已久的问题。第一，弦可以是伸展（开）的，也可以形成闭环，而只有闭弦（closed string）才具有目标空间二元性。通过引入D-膜，波钦斯基证明了开弦（open string）也具有目标空间二元性。第二，弦理论中的量子理论具有另一种荷，即拉蒙德-拉蒙德荷（Ramond-Ramond charge），没有可识别的物体与之耦合。波钦斯基证明了D-膜正是载有拉蒙德-拉蒙德荷的物体，就像点粒子（0-膜）载有电荷一样。

有可替代的暴胀模型吗

我曾试图寻找一种直观的数学方法来实现弦理论中的暴胀，当然，我并不是在孤军奋战。尽管我研究了多种弦理论，但可怕的是，其他博士后比我研究得还要透彻。慢慢地，我开始从演讲与物理学讨论中抽离出来，自然地融入了巴黎的爵士乐现场。最后，我完全从那个声名卓著的M-理论讨论班消失了。我想，如果我不能在物理学上走传统的道路，那么我就要走出自己的道路。当我不玩音乐的时候，我会在沾上巧克力酱的湿纸巾上乱画图表和初步的方程。接着，我会切换到音乐频道，写下一些我正在研究的一个标准的和弦变换的记忆方法。在我的音乐休息时光里，有廉价又美味的当地红酒和巧克力酱香蕉薄饼陪伴着我。

在爵士乐的背景中，当我用D-膜的方程在餐巾纸上进行一场“独奏”时，一阵掌声突然打断了我。人们鼓掌的动作与D-膜融合在一起，我脑子里瞬间闪过一个念头：D-膜的碰撞有没有可能点燃大爆炸呢？宇宙学家有时会把大爆炸与宇宙暴胀混为一谈。

我会冒出这个想法并非出于巧合，因为那时我正在努力研究阿莎可·森（Ashoke Sen）有关碰撞膜的论文，他是一位杰出的印度弦理论学家。当粒子与反粒子碰撞时，它们彼此湮灭，并产生辐射。但阿莎可证明了，当膜与反膜碰撞时，它们也会彼此湮灭，但产生的是低维的膜。尤其值得一提的是，D5-膜与反D5-膜湮灭时会产生D3-膜。当时我正在探究D-膜的物理学，因为它们有可能解决暴胀中的微调问题。D-膜非常强大，因为在D-膜上终止的开弦的运动会在D-膜上形成量子场。因此，我们的宇宙和标准模型中的场可以存在于一张有着三个空间维度的膜，也即D3-膜上。更有趣的是，D-膜的弯曲与伸展控制着耦合常数。又喝了几杯酒之后，我去拜访了那时我在弦理论领域最要好的朋友桑迦叶·拉姆古拉姆（Sanjaye Ramgoolam），他当时是这个领域的开拓者。他有可能会发笑，但不会评判我。我们是朋友。

我们在音乐厅的拱形建筑里见了面。“桑迦叶……我认为我找到了一种从弦理论中得到暴胀的方法。”我说。我画了一些图给他看，并告诉了他我大脑里不成熟的想法。拉姆古拉姆在很严肃但又有点怀疑的时候，会用他那双似乎能洞穿一切的眼睛凝视着你。“你脑子里总会冒出各种各样的想法，但现在我们还是先停下来……给我些方程，然后我们再谈。”我觉得这是一个好的信号。拉姆古拉姆通常带着严厉的爱，瞬间打消了我的想法，这次他也试图这么做，但我并没有轻言放弃。显然，多年的弦理论学习让我变得更强大了。我立即带着一大沓白纸回到了我的咖啡厅办公室，然后开始了计算。我处于一种难以言说的兴奋状态，彻夜不眠地工作。在狂喜中，我即兴演奏着我的计算，并坚信这些方程可以得出解。几个月之后，我完成了计算工作。当我把我的工作成果交给拉姆古拉姆审阅时，他言简意赅地说：“你搞定了！”简而言之，我提出了一个基于D-膜湮灭的暴胀模型。

阿莎可的关键发现是，于居住在D5-膜上的观测者看来，由D5-膜创造的D3-膜就像一根旋涡一样的弦，正如在三维观测者眼中一维事物就像一根弦一样。在这两种情况下，D5与D3、D3与D1之间的维数差均为2。所以，我们可以将旋涡推广到任意维数，只要维数差为2即可。在弦理论出现之前，宇宙学家试图构建一个暴胀发生在旋涡中心的暴胀模型，但由于微调问题的存在，他们没能成功。我在一系列“健康的”前提下解决了微调问题，并且证明了暴胀可以在D3-膜上发生。微调问题之一是耦合常数不能由该理论先验地决定。在我的模型中，耦合是由弦理论中内蕴的一个量决定的，也就是张力。我找到了暴胀3-膜宇宙的一个数学解，这个宇宙有着更为温和的微调，其优势在于耦合常数可以由理论决定。

回到伦敦后，我便把我的文章草稿交给世界顶尖的弦理论学家阿卡迪·蔡特林（Arkady Tseytlin），让他帮我审阅。其他物理学家称他为“人形计算机”，文章中若有不严谨的地方，他都会发现，而我相信并不存在一个完美的理论。蔡特林谨慎地说：“把这篇文章投出去吧。”感谢上帝！在我投出文章两个星期之后，剑桥大学、麦吉尔大学和普林斯顿大学的一些理论物理学家也发表了类似的文章，即基于膜湮灭相互作用的暴胀模型。多年来，我一直梦想着能拥有一项属于自己的理论发明，现在我终于梦想成真了。这篇文章名为《基于反D-膜和D-膜湮灭的暴胀》（Inflation from D-Anti D brane Inflation），于2001年发表，被引用了200多次。

最终，我的文章为弦理论与宇宙学的子领域做出了巨大的贡献，但我以及经验更为丰富的弦理论学家都清楚地知道，我所提出的模型中的微调只是被另一种微调取代了，即需要一种多宇宙理论人为地在每个宇宙中确定耦合常数，这些宇宙是在多次暴胀的实现过程中产生的。这或许会被视为托勒密的“本轮论”的一个诡异的例子。我依旧对弦理论以及基于弦理论的更复杂的暴胀模型抱有兴趣，后者的灵感来自我之后的工作。在有幸遇到另一位爵士乐物理学家后，我找到了暴胀研究的新方向。

我是在斯坦福直线加速器中心做博士后时认识戴维·斯伯格的。他是威尔金森微波各向异性探测器科学团队中的领袖科学家之一，他根据探测器卫星实验结果发表的文章的引用次数居于物理学界之最。斯伯格是普林斯顿大学天体物理学方面的负责人，也是我们这个领域中的巨人。除此之外，外界对他知之甚少。我第一次见到他时，他和大街上的普通人没什么两样。那时，斯伯格蓄着时髦的山羊胡，穿着色彩鲜艳的夏威夷风衬衫、短裤和凉鞋。博士后们都非常敬畏他，我们中的大多数人都害怕与他对话。那时，我感觉自己是理论组中的边缘人物。有一天，斯伯格与几位教授和博士后外出时，我碰到了他。我紧张得不知道该说什么，嗫嚅着说了一些可笑的话——一个我正在探究的疯狂想法。令其他教授惊讶的是，斯伯格严肃地回答了我的问题，并建议我启动这个项目。他有着在做计算之前就“看到”结果的能力，这与爱因斯坦的思想实验十分相似。

几年之后，我又与斯伯格联系了一次，同样的一幕再次上演。我向斯伯格表达了自己对暴胀模型太过复杂的不满。我们随意地开始了谈话，讨论着暴胀从已知物理学中产生的可能性。可能性最大的物理学到底是哪一种呢？对于这个问题，我们都感到很困惑。接着，“尤里卡时刻”⁽²⁰⁾到来了，答案呼之欲出。正是光！电磁场载有能量。如果暴胀之前的宇宙中充满了光辐射，会发生什么呢？也许这些能量会让空间膨胀。斯伯格邀请我到普林斯顿大学做一年访问学者，那时我还在哈维福德学院，正在享受假期。我与我的博士后安东尼诺·马尔恰诺（Antonino Marciano）一起建立了一个简单的奥卡姆剃刀模型，这是基于光子与电子相互作用的暴胀模型。在这种情况下，标准模型之外的物理学并不是必需的。然而，宇宙必须始于一种不寻常的平坦状态。这个模型基于我们已知的正确的物理机制，是新一代暴胀模型的典型代表。它虽然还存在很多问题，但证明了一个原理，即暴胀可以不依赖于额外的量子引力理论。