我们可以用很多种方式描述这个过程。我的选择是一种由超弦理论给出的非常漂亮的集合图景。我们只会使用非常基础的超弦理论，这样除了一些我多次提到的奇怪事情之外，你不需要了解超弦理论，也能理解我将要说的话。它们就在那儿，只等着我们去加以运用了。
超弦理论的理念之一是，其他额外维度，是使其自身在数学上连贯一致的必要基础。尤其是在其中一种构想中，宇宙共有11个维度，其中6种卷曲成微乎其微的小球，小到为了讲述我的理论，我可以假装它们并不存在。我要考虑的是三维空间、一维时间，以及一维额外维度。在这一图景中，我们熟悉并穿梭其中的三维空间，沿着一层超曲面或者说一层薄膜存在。这层薄膜是额外维度的边界。在另一边，则还有一层薄膜边界。额外维度就存在于这边界之间的特定区间内。这就好像我们处在一个夹着空间总体积（bulk volume of space）的三明治的一端。三明治的表面则被称为轨形（orbifolds）或膜（branes）。这些膜是具备物理性质的。它们有能量和动量，当被激活时会产生夸克和电子之类的东西。我们就是在这些膜之上，由夸克和电子组成的。由于夸克和轻子只能沿着这些膜运动，所以我们被限制在只能看到和移动于膜上的三维空间内。我们无法直接观察到整体或者其他膜上的任何物质。
在循环宇宙中，每过数万亿年，两层膜就会碰撞在一起。相应创造了各种产物——粒子和辐射。碰撞同时加热了膜，因此它们又再次分开。这些膜之间受到一种如同弹簧力一样的吸引，导致它们每过一定的时间就会相撞。更完整地说就是，宇宙经历两种运动阶段。当有物质和辐射存于宇宙之中，或者膜相距足够远时，主要的运动是膜的拉伸，也就等价于三维空间的膨胀。其间，膜或多或少地保持着一个固定的距离。这正是过去150亿年间所发生的事情。在这一时期，我们的三维空间会以正常速度膨胀。在一段微小距离之外，另一层膜存在并膨胀着。但我们却不能穿过主体直接接触、觉察或看到它的存在。如果那里有物质聚集在一起，我们能感受到相应的引力作用，却不能看到它所发出的光或任何其他东西。因为它所发出的任何东西都会沿着那个膜运动，而我们只能看到沿着我们的膜运动的东西。
另一个阶段，与膜间作用力相关的能量将宇宙占据。从我们的膜的视角来看，这正像是我们现今观测到的暗能量。它令膜加速拉伸直到上一次碰撞中产生的物质和辐射全部散开，膜变成基本光滑、平坦又空无的表面。你可以将它们想象成充满物质并褶皱着的曲面在接下来的数万亿年里逐渐拉伸。这种拉伸导致膜上的物质和能量逐渐变得稀薄，而膜本身也变得光滑。数万亿年后，这些膜变得绝对光滑、平坦、平行和空无。
然后，膜之间的力使得它们缓慢接近。在接近的过程中，力逐渐增强，膜因而加速接近。它们碰撞时发生的撞击非常剧烈，以致创造出极高温（但非无限高）的物质和辐射。两层膜则飞速分开，差不多回到它们原来的位置，并在物质和辐射的引力作用下，开始新一阶段的拉伸。
在这一图景中，很显然，宇宙经历了膨胀时期和一段有趣的收缩时期。两层膜聚到一起时，收缩的不是我们的维度，而是额外维度。在收缩之前，物质和辐射处于散开的状态，但与20世纪二三十年代的旧循环宇宙模型不同，由于我们的三维空间，也就是膜，保持着伸展的状态，它们并不会在收缩中聚回到一起。收缩的只是额外维度。这一过程在一次又一次的循环中不断重复。
如果将循环宇宙模型与共识图景相比较，你就会发现，暴胀使宇宙变得平坦和均匀的两大功能，都可以由现在才刚开始的加速膨胀来完成。当然，我说的实际上是在最近一次爆炸之前的上一个循环相对应的膨胀。暴胀的第三个功能——产生密度涨落，则在两层膜聚到一起时发生。当它们接近时，量子涨落导致膜开始褶皱。由于这种褶皱，它们碰撞时并不是所有位置都同时碰撞，而是有些区域要比其他区域早一些。这意味着，部分区域更早地被加热到一个有限的温度，然后开始冷却。当膜再次分开，宇宙的温度并非绝对均匀，还存在着量子褶皱留下的空间变化。
值得一提的是，尽管物理过程完全不同，时间尺度也达数十亿年而非1030秒，最终得到的能量与温度分布涨落频谱却与暴胀理论的结果基本一致。因此，循环宇宙模型也能与现在所有的温度和宇宙质量分布测量结果高度一致。
鉴于这两种模型的物理学机制颇为不同，若这两者之一是正确的，那么我们应该会有显著不同的观测结果，尽管目前还未探测到。暴胀创造的涨落不仅仅是能量和温度的涨落，也在时空本身形成了涨落，这就是所谓的引力波。大家期待在未来的几十年内能观测到引力波来证实共识宇宙模型[2]。在循环宇宙模型中则不会产生引力波。这一根本不同是因为产生暴胀式涨落的过程，是一种极快的剧烈过程，足够强大到产生引力波；而循环式涨落则产生于一种极慢的温和过程，其强度并不足以产生引力波。这就是两种模型给出的全然不同的观测预言的例子，只是现在还很难被观测到。
有趣的是，现在我们有两种可能的图景。一方面，它们对于时间本质、宇宙历史、事件发生顺序和时间尺度的解释截然不同；另一方面，它们对现今宇宙的预言又极为相似。最终在这两者中选择哪一种，将会结合观测（比如引力波）与理论来决定。因为这一图景的核心理念在于膜互相碰撞时发生了什么，这将在超弦理论中得到验证或证伪。与此同时，在接下来的若干年中，我们可以乐呵呵地推测这些理论的启示，以及如何将它们区分开。
03 暴胀宇宙
保罗·斯坦哈特对循环宇宙的概念进行了很好的介绍，而我则要介绍一下他所说的作为循环宇宙模型改进基础的传统共识模型。我同意斯坦哈特在其文章结尾处对两种模型进行的比较，到底哪种模型正确还需要时间及实际观测的验证。但这种比较要建立在两大前提之下。一个前提是，这两种理论模型都还需要进一步发展。对循环宇宙理论来说尤其如此，它还无法解答关于膜碰撞时发生了什么的问题。这个问题最终得到解决时，可能也就是这个理论终结之时。第二个前提是，两种理论模型有可观测的引力波预言对比。
膜是“薄膜”一词的简称，这一术语来自弦理论。弦理论最初仅是单纯关于弦的理论，但当人们对其动力学原理进行更细致的研究时发现，为了一致性，只研究弦是不可能的。由于弦是一维的，为了使其一致，不得不引入多维膜的可能性，进而产生了一般意义上的膜的概念。斯坦哈特特别提到的弦理论中包含了一个四维空间外加一维时间，他称之为“主体”（the bulk）。这一四维空间被两层膜夹在中间。
这些不是我在本文中要谈的，我要谈的是传统暴胀图景，特别是这一图景在过去几年中震撼性地揭示了，宇宙中存在着某种新型能量的巨大进展。由于没有更好的名字，这种能量一般被称作暗能量。
让我们把时间再往前推一些。暴胀理论本身是传统大爆炸理论的一个变体。暴胀理论试图完善的不足之处是，尽管大爆炸理论叫作“大爆炸”，但它实际上从不是关于一次爆炸的理论。没有暴胀的传统大爆炸理论实际只是关于爆炸之后的理论。它从宇宙中的物质已经各就各位、经历过快速膨胀并已经处于难以想象的高温状态时开始讲起，却没有解释它是如何达到这种状态的。暴胀理论则试图回答这个问题，说明是什么“爆炸”了，又是什么驱使着宇宙进入大规模膨胀阶段。事实证明，暴胀理论的解答非常理想。它不仅解释了宇宙膨胀的原因，同时还基本上解释了宇宙全部物质的起源。我用“基本上”一词，是因为典型的暴胀理论仍需要大概一克的物质来启动。所以，与其说暴胀理论是一个关于宇宙终极起源的理论，不如说它是一个解释如何从几乎虚无发展到我们所见所闻的一切的宇宙演化理论。
暴胀背后的基本理念是，一种排斥性引力导致了宇宙膨胀。广义相对论在最初就预言了排斥性引力存在的可能性，这需要一种负压物质来创造排斥性引力。根据广义相对论，创造引力场的不仅仅是物质密度或能量密度，还有压强。正压强创造我们习惯的吸引性引力，而负压强则创造排斥性引力。同时，根据现代粒子学理论，很容易由这些理论中存在的场来构造出负压强。粒子理论给出了负压强的存在，而广义相对论则告诉我们负压强会导致引力排斥。综合考虑上述两种理论，我们就得到了暴胀理论的缘由。
解开宇宙膨胀驱动力问题的同时，一些本来神秘的问题也经由暴胀理论得到了回答。我们观测到的宇宙有两大重要属性一直未从大爆炸理论中得到真正的解释，它们只是关于初始条件的假设。其一是宇宙的均匀性，也就是不管怎么看，只要范围足够大，宇宙的各个位置看上去并无不同。它是均匀且各向同性的，从不同方向、不同位置观察到的结果都相同。传统大爆炸理论从未能真正解释这一点，只能假设最初就是这样的。问题是，尽管我们知道只要给出足够的时间，任何物体的集合都将达到一个均匀的温度，但早期宇宙的演化是如此之快，根本就没有足够的时间来发生这个过程。具体来说，要解释宇宙如何拉伸自己来达到我们今天在宇宙背景辐射中发现的均匀温度，根据标准大爆炸理论，能量和信息需要以100倍于光速的速度在宇宙中传播。
在暴胀理论中，这一问题彻底不复存在。因为相比于传统理论，暴胀理论假设了一个由排斥性引力主导的加速膨胀时期。这意味着，如果我们用暴胀理论回溯宇宙到起点，就会发现它的起始物质非常之小，无暴胀的传统宇宙学难以想象这一点。鉴于将要演化成我们宇宙的区域不可思议的微小，它有足够的时间来达到均匀温度，就好像桌子上的一杯咖啡逐渐冷却到室温一样。这一区域大约是原子的十亿分之一还要小，一旦这一区域经由普通的热力学平衡进程达到均匀，暴胀就开始发挥作用，导致这一微小区域快速膨胀到足以包含整个可见宇宙。暴胀理论不仅告诉我们宇宙可以是均匀的，还告诉了我们为什么它是均匀的。这是因为它来自具有充足时间以变得均匀的物质，并被暴胀过程所拉伸。
我们的宇宙中，第二个由暴胀给出完善解释的古怪特点是其平坦性，在这一点上尚无出其右者。我们的宇宙是如此接近欧几里得式几何。在相对论中，欧几里得集合并不正常，相反，它十分古怪。在广义相对论看来，弯曲的空间才是普遍的。将宇宙作为一个整体来看，一旦我们假设宇宙是均匀和各向同性的，平坦性问题就直指质量密度与宇宙膨胀率的关系。巨大质量密度将导致空间弯曲成球形的封闭式宇宙。如果质量密度占据主导，宇宙将会是有限体积、无边界的封闭空间。航行于其中的宇宙飞船沿着理想中的直线行驶很长一段距离后，将会回到它的出发点。另一方面，如果膨胀主导，宇宙将会是几何开放的。几何开放式空间与封闭式空间有着截然相反的几何属性。空间是无限的。在封闭空间中，两条平行线会开始汇聚；开放空间中，则会发散。无论哪一种，我们的所见都会与欧氏空间截然不同。然而，如果质量密度恰好处于这两种情况的中间，就是我们在高中学过的欧氏几何的情况。
从宇宙演化的角度看，今日宇宙基本平坦的事实要求宇宙在其早期极度平坦。宇宙在演化中是趋向于不平坦的，那么根据我们在10年或20年前就已经了解，且现在了解得更清楚的事实，即宇宙是极度接近平坦的。从这一点来推测，我们发现，在大爆炸发生一秒钟后，宇宙的质量密度一定恰好等于可以抵消宇宙膨胀率来产生一个平坦宇宙的临界密度，其精度可达到小数点后15位。
传统大爆炸理论没有对导致如此结果的机制给出任何解释，但它必须如此，这才能解释我们今天所看到的宇宙为什么是这个样子。没有暴胀的传统大爆炸理论必须配上高度精细化调整过的初始条件，才能行得通。暴胀理论避开了平坦性问题，因为暴胀改变了宇宙几何随时间演化的方式。尽管在宇宙历史的全部其他时期内，宇宙向着远离平坦的方向演化，在暴胀期内，宇宙以难以置信的速度趋于平坦。暴胀仅仅需要大约10-34秒就可以将宇宙变得足够平坦，并解释我们今天所看到的一切。
暴胀模型有两大主要预言，在如今看来是可以检验的。它们分别与宇宙的质量密度和密度不均匀性有关。我打算分别讨论它们，首先，从平坦性问题说起。
暴胀提供的宇宙平坦性驱动机制，不管怎么看，都有些过火。它给出的今日宇宙的样子不是“差不多”平坦，而是“恰好”平坦。这是可以避免的，人们为此尝试设计了许多版本的暴胀模型，然而这些版本看起来都不怎么可信。必须要让暴胀恰好停在令宇宙平坦但又没那么平坦的地方。这需要大量非常精细的调整才能做到，过去曾有人设计过这种模型，那时宇宙看起来还是开放的。但这些模型总是看起来很不自然，从未真正得到人们的接受。
一般意义上的暴胀模型驱使宇宙变得完全平坦，因此它的预言之一就是，今天的宇宙质量密度应该处于一个临界值，使得宇宙是几何平坦的。直到三四年前，还没有天文学家相信这一点。他们会说，要使宇宙平坦，如果只关注可见物质，只能得到所需质量的1%。他们还可以提供更多，因为还有暗物质。暗物质是因其对可见物质的引力效应而被推断存在的一种物质。它是在星系的旋转曲线中被发现的。天文学家第一次测量星系旋转速度时，他们发现星系旋转的速度是如此之快，以至于如果只有观察到的那些物质，星系便会土崩瓦解。
为了理解星系如何达到稳定，必须假设有大量暗物质存在于星系中。这些暗物质的质量必须是可见物质的大概5～10倍，才能将星系维系在一起。星系在星系团中的运动也出现了这一问题。尽管星系在星系团中的运动比旋涡星系要随机、混乱得多，但同样的问题依然存在。要维系星系团的存在，所需的质量远比假设在星系内存在的更多。把上述这些质量都加起来，天文学家依然只得到临界密度的1/3。他们很确定这就是能探测到的全部物质了。这对暴胀模型很不利，但许多人依然相信暴胀是正确的，天文学家早晚还会有新发现。
事实也确实如此，尽管天文学家们的新发现与我们之前讨论的质量大相径庭。从1998年开始，他们就在收集现今宇宙正在加速而不是减速膨胀的证据。正如我在开始时说的，这是得到了广义相对论支持的。我们需要一种具有负压强的材料。我们现在确信，宇宙一定被某种具有负压强的物质所浸透，它是我们观察到的加速膨胀的原因。我们不知道这种物质是什么，但可以称其为暗能量。即使不知道它是什么，我们仍能利用广义相对论来计算有多少这种物质造成了我们看到的加速。结果发现，几乎正好等于2/3的临界密度。这正是早先计算所缺少的！所以，假设暗能量是真实的，那天文学家得到的临界密度就与暴胀的预言相一致了。
暴胀的另一项预言甚至比平坦性问题更具说服性，即密度扰动（density perturbations）问题。暴胀有一个非常棒的特性：通过将所有事物拉伸，任何在膨胀前存在的不均匀都会被抹平。斯坦哈特的模型也利用了这一效应。暴胀不太关心暴胀前有什么存在，所有东西都将被巨大的膨胀洗刷掉。曾几何时，在发展暴胀模型的早期，我们都非常担心这将导致一个绝对完全平坦的宇宙。
不久之后，若干物理学家提出，量子涨落能解决这一难题。宇宙基本上是一个量子力学系统，所以量子理论不只在研究原子时有用，在研究星系时也少不了。量子理论这种基础物理学理论可以有如此广泛的领域发挥作用，实在是了不起。具体来说是，根据经典暴胀理论，在暴胀结束时，质量密度会达到完全均匀。而根据量子力学，一切事物都是随机的。量子涨落无处不在，一些地方的质量密度比平均值稍高或稍低。这恰好是解释宇宙结构所需要的。你还可以再进一步计算这些不均匀性的频谱。我和斯坦哈特之前都进行过相关工作，可谓趣味无穷。我们的结论是相同的，量子力学恰好能产生正确的不均匀性频谱。
在对基础理论了解更多之前，我们确实不能完全预言这些波动的振幅或者说强度。现在，我们不得不采用从观测中预测出的这些波动强度乘上一个因子的方法。但我们可以预测频谱。想象一个许多不同波长的波动彼此叠加在一起的复杂图像，我们可以计算这些波动的强度如何随着其波长变化。早在1982年我就知道如何去做，但在最近，天文学家可以直接看到烙印在宇宙背景辐射上的不均匀性。COBE卫星于1992年就观测到了这一现象，但由于这颗卫星当时的角分辨率只有大约7度，所以只能看到非常粗略的特征。现在的角分辨率已经提高到0.1度。这些宇宙背景辐射的观测可以用来提供越来越精细的不均匀性频谱图。
最近的数据是由一项叫作宇宙背景成像器（Cosmic Background Imager）的实验发布的。它在5月公布了一组惊人的新数据。这一频谱图像颇为复杂，因为波动虽是在暴胀时期产生的，但之后就随着早期宇宙演化而震荡。因此，你所看到的图像包括了最初的频谱加上所有与宇宙各种属性相关的震动。值得一提的是，这些曲线显示出5个分离开的峰值，这5个峰值体现了理论与观测的良好一致性。你可以看到峰值们的位置、高度都刚刚好，一点不差。最主要的峰值也被很好地画了出来。天文学家的实测结果与基于10-35秒量子涨落的粗略理论的结果拟合得很好，这非常了不起。这些数据到目前为止都与理论匹配得非常好。
现如今，在若干年前与观测严重冲突的暴胀理论，与我们对质量密度和波动的测量结果完美匹配。强有力的证据表明，正确的理论要么就是我这个，要么也会非常接近。
最后我想说，我其实不应该一直用“这个理论”来称呼暴胀理论。实际上，暴胀理论是一大类理论的集合。如果暴胀理论是正确的，并不意味着我们对宇宙起源研究的终结，但也十分接近了宇宙的初始状态。暴胀理论有许多不同版本，事实上，斯坦哈特的循环宇宙模型也可以被认为是其版本之一。循环宇宙理论很新颖，因为它将暴胀放在了宇宙历史中一个完全不同的时期。但暴胀理论仍然在发挥着同样的作用。现在有许多版本的暴胀理论，它们更接近于我们在20世纪八九十年代发展起来的样子。所以即使暴胀理论是正确的，也并不意味着工作的完结，还有许多细节需要完善，还有很多新的东西需要学习，这其中包括宇宙学以及必不可少的粒子物理学。
04 一个会产生出泡泡的泡泡正在产生新泡泡
一切要从过去30年间宇宙学领域发生了什么说起：暴胀理论的诞生；这一理论在近些年的发展，即暴胀成为暴胀多重宇宙理论和弦理论的一部分；接着则是对未来的期望。
在大约一个世纪之前，爱因斯坦提出了一个叫作宇宙学原理的理论，声称宇宙是各向同性的。此后许多年，人们普遍使用了这一原理。事实上，这一原理很早之前就被牛顿论证过。在今天的天体物理学书籍中，仍以各种不同版本的宇宙学原理呈现着宇宙的样子。
曾几何时，这是可以回答宇宙各处为何都相同的唯一答案。但这个问题实际上是在问，为什么是这个宇宙？所以大家都不去考虑多重宇宙的可能，只是想解释我们身处的宇宙为什么这么均匀、为什么这么大、为什么平行线不会相交。这实际上都是同一个问题的一部分：如果宇宙像小球般大小，如果画几条垂直于小球赤道的线，它们应该在北极点和南极点相交。为何从未有人见过两条平行线相交？
问这类问题可能看上去有些傻。比如，可能有人会对宇宙出现前发生了什么感到好奇。我们当年学的广义相对论告诉我们，问这个问题是没有意义的，因为爱因斯坦方程的解在奇点无法继续，所以何必烦心呢？不过到目前为止，始终有人为此烦心。他们在努力尝试回答这些问题。但对大多数人来说，这种问题是形而上学的，不值得认真对待。
直到暴胀理论被提出，人们才开始认真考虑这些问题。阿兰·古斯思考了这些问题并提出了宇宙暴胀理论。在这一框架下，这些问题可以得到一致的解答。问题是，古斯很快就意识到，仅仅只有他自己的答案还不够完整。之后，经过一年多的研究，我提出了一个新版本的暴胀理论，它对找到这些问题的答案很有助益。最开始，这个理论听上去像是科幻小说，但在我们发现能通过它找到这些问题可能的答案之后，它就始终徘徊在我们的脑海之中。这就是我们相信宇宙暴胀理论的第一个原因。下面我将进行具体解释。
标准大爆炸理论认为，宇宙万物都是从一次巨大的爆炸开始的。“恐怖分子”开启了宇宙。如果你想计算一下这场爆炸需要多少高科技爆炸物时，结果将是1080吨之多！不只如此，这些炸药还要被压缩成一个直径还不足1厘米的小球那么大。同时，“恐怖分子”们还需要恰好同时引爆它的各个部分，误差不能超过万分之一秒。
另一个问题是，根据标准大爆炸理论，宇宙膨胀只会随着时间变得越来越慢。但宇宙为什么开始膨胀？谁给它的初始推力？这事看上去简直不可思议，像奇迹一般。不过有时人们觉得越神奇越好：显然，上帝可以从无到有搞到1080吨炸药，点燃它，让它变大，反正我们怎么方便怎么来。我们还有其他解释吗？
根据暴胀理论，如果宇宙开始于几乎真空的特殊状态，将会省去许多大麻烦。最简单版本是标量场（scalar field）。还记得电场和磁场吗？标量场更简单：它没有方向。如果它是均匀且不随时间变化的，那它就像真空一样不可见，但却拥有很多能量。当宇宙膨胀时，标量场几乎保持不变，而且它的能量密度也是如此。
这可是关键问题。想象宇宙是一个装有许多原子的大盒子。当宇宙膨胀两倍时，它的体积增大8倍，此时原子的密度则变为原来的1/8。然而，当宇宙中充满不变的标量场时，它的能量密度则不随宇宙的膨胀而发生改变。因此当宇宙增大两倍时，其中质能总量增加8倍。如果宇宙继续膨胀，其中的总能量、总质量会迅速变得无比巨大。因此，无中生有地拥有1080吨爆炸物也就轻而易举了。
这就是暴胀的基本概念。乍一看，似乎是彻头彻尾的错误，因为它违反了能量守恒定律。能量不可能无中生有，自始至终总量不变。我曾经被邀请在瑞典的一次诺贝尔奖座谈会上就能量的概念进行一次公开演讲。我当时一头雾水，他们为什么邀请我？我要跟这些研究太阳能、风能、石油的人说些什么呢？最终我告诉他们：“如果你想要大量能量，你可以白手起家，然后你将得到宇宙中所有的能量。”
并不是每个人都能弄懂这一点，当宇宙膨胀时，质能总量确实会变化。总能量再加上引力能才是不变的，并且它们的总和正好为零。所以宇宙的能量守恒定律始终得到了满足，只是有些古怪：零等于零。质能总量可以任意大，以满足我们的需要。这是暴胀理论的其中一个主要观点。
只要在一个区域存在一种不稳定性，使得初始零质量分裂成一部分巨大的正质能和一部分巨大的负引力能，其能量总和仍然为零。但质能总量就可以要多少有多少。这正是暴胀理论的主要观点之一。
我们不仅已经明白如何开启这种不稳定，还知道如何将它终止。因为如果不停下来，任其进行，那样的宇宙就不是我们能生存于其中的了。阿兰·古斯的观点讨论的是如何开始暴胀，但他并不知道怎样让它妥善地停下来。我的观点则讲述了暴胀怎样开始、怎样继续，以及最终怎样以不对宇宙造成破坏的方式停下来。当明白这一切后，我们就可以无中生有，就如同宇宙学家亚历克斯·维连金（Alex Vilenkin）所说的那样，确确实实是从空无一物中诞生了我们现在所见的一切。那时，这是一项颇具革命性的进步：我们终于能理解我们宇宙的属性了。我们不再需要假定宇宙学原理来解释均匀性问题，我们掌握了真正的物理学原因。
但在提出新版本的暴胀理论后不久，我又意识到了新问题。如果宇宙起始时非常非常小但又含有众多不同属性的部分，然后宇宙的某一部分发生指数级的爆炸，那么我们将再也无法看到宇宙的其他部分，因为不同部分之间的距离在暴胀期间发生了指数级的增加。其他部分的宇宙也因为这遥远的距离再也无法看到我们。举目四望，我们再不能看到具有不同属性的宇宙其他部分，所以我们会认为：“我们的宇宙就是如此，各处都相同，不存在其他部分。”而存在于宇宙其他部分的人可能也这么想：“所有的宇宙就是我们看到的这个样子。”
比如，我开始于宇宙的红色部分，而你开始于宇宙的蓝色部分，暴胀之后，我们放眼四方，说道，“这就是整个宇宙，它就是单一颜色的”，就如同爱因斯坦和牛顿所做的那样。然后我们中的一些人就要努力解释为什么宇宙一定是红色的，而另一部分人则要解释整个宇宙为什么一定是蓝色的。但现在根据暴胀理论，宇宙被分成具有不同属性的众多部分是颇有可能的。宇宙学原理认为，整个宇宙各处都相同，我们全都生活在有着相似属性的宇宙中。与之不同，我们的看法更具“全球化”：我们生活在一个巨大的暴胀多重宇宙中。有些人生活在红色部分，有些人生活在蓝色部分，只要各部分都在随着暴胀而变得无比巨大，一切就会相安无事。
暴胀理论就这样解释了为什么我们这部分宇宙是如此均匀：我们周边的一切都由宇宙的一小部分通过指数级膨胀而形成的。但我们无法观察到比光速乘以宇宙年龄更远的地方发生了什么。暴胀理论告诉我们，我们所见的这部分宇宙比整个宇宙要小得多。其他部分的暴胀可能产生许多具有完全不同性质的区域。这正是通向暴胀多重宇宙之路上的第一条认识。第二条认识是，即使宇宙在开始时各处都是相同的（比如都是红色），暴胀期间的量子涨落仍可以将宇宙变得多姿多彩。
我在这说的不同颜色只是为了帮助我们理解暴胀期间和暴胀之后发生了什么。我来解释一下我真正要说的。想想水，它可以是液态水，也可以是固态的或者气态的，液态、固态、气态都是水的不同相态，而它们的化学分子式都是一样的：H2 O。但鱼只能在液态水中生存。对宇宙中物理学定律的理解也是如此。为了简便，我们通常假设宇宙各部分会遵循同样的基本物理学定律。然而，宇宙的不同部分可能是截然不同的，如同冰山与它周围的水不同那般。水的不同相态可能遵循着同样的物理学定律，与之不同，宇宙的不同部分可能处于不同的真空态，在这些真空态中，同样的基本物理学定律可能会有不同的表现。比如，在某部分宇宙中，可能存在弱、强和电磁相互作用，而在其他部分里，这些相互作用可能并无不同。
如果我们始于宇宙的红色部分，它也并不会永远是红色的。暴胀可以产生并放大量子涨落，而这些量子涨落让我们从一种真空态跳到另一种上。宇宙也因此变得多姿多彩。暴胀理论一经提出，这种基础机制就已明了。但它最有意思的结果是在弦理论中表露出来的。
许久之前，弦理论学家就意识到，这一理论适用于多种不同的真空态。如果我们研究的是一个给定版本的弦理论，就无法预言我们世界的属性，而这要取决于对真空态的选取。很多人认为这种可能结果的多样性是弦理论的一大弊端。但在暴胀多重宇宙理论中，这不再是一个问题。在我1986年写成的一篇文章中，我称其为弦理论的一大成就。拥有不同低能物理学定律的多种类型的宇宙，在其之下得以存在。
这简化了我们宇宙中的物理学定律为何与我们存在的必需条件如此相配的问题。我们找到了人择原理的证明，以之取代了宇宙学原理认为宇宙各部分都一样的说法。宇宙中巨大的不同部分彼此之间可能差异极大，而我们只能生活在适合我们生存的部分。30年前，这种类型的观点还极不流行，但20年后，当我们对弦理论真空的属性有更多了解后，局面发生了戏剧性的变化。上面概述的图景成了伦纳德·萨斯坎德所称的弦理论景观（string-theory landscape）的一部分。
从暴胀理论的提出到弦理论景观经历了很长一段路。尤其是刚开始时，这个方向的工作格外困难，因为没有人感兴趣。没有人相信，为了解释宇宙中观测到的均匀性而创造出的暴胀理论，有朝一日会在更大尺度上预测宇宙是完全不均匀的。这有些过头了。即使是暴胀理论的最简单版本，也似乎有些太过革命性，它让从空无中创造一切成为可能。这看起来好像科幻小说，太激进、太异乎寻常。
例如，在1981年建立的新暴胀理论的第一个模型中，我发现宇宙在暴胀时期会膨胀10800倍。这太离奇了，我们从未在物理中见过这样的数量级。我是在列别捷夫物理研究所（Lebedev Physical Institute）提出新暴胀理论的，当我在那里做关于它的第一次报告时，我不得不一直道歉，因为10800这个数字实在太夸张了。“也许以后，”我说，“我们能得出更现实的结果，这数字会小一些的，全都会小一些的。”但等我研究出更好的暴胀理论，也就是混沌暴胀理论后，这个数字变成了101000000000000。然后我又发现，这一理论中的暴胀将会永远持续下去。
暴胀理论解释了很多没有它我们就无法理解的事情，还预言了一些已经得到实验认证的事情。比如，首先，如果这个理论是正确的，那么暴胀期间产生的量子涨落就解释了与银河系相同类型的星系的形成原因。
其次，还有从太空四处发往地球的宇宙微波背景辐射（CMB）。它的性质很有意思。它在50多年前被发现，当时的温度测量结果是2.7开尔文，这是一个非常非常低的温度。它以均匀的方式从宇宙的四面八方而来。之后更细致的研究发现，它的温度很奇怪，在人的右半边是2.7+10-3开尔文，在左半边则是2.7-10-3开尔文。不久后就有了解释。我们相对于宇宙在运动，因此有红移的存在。正由于红移的存在，在我们运动方向上大的那部分天空，似乎比另一部分更暖和一些。
接着人们以大约10-5开尔文的精度再次测量了宇宙微波背景辐射的温度。这一工作是由COBE卫星完成的，而WMAP（威尔金森微波各向异性探测器）卫星以及其他许多实验也在做着相同的工作。结果发现，天空中有许多小点点，有些热点儿，有些冷点儿。研究人员将这些小点进行分类并研究了其分布，结果发现，它们的分布规律与最简版暴胀理论的预言完全吻合。这是一项意料之外的验证。从理论上来说，我们知道应该是这样的；但难以置信的是，研究人员们竟能够得到如此令人震惊的精确结果。简直不可思议！
诺贝尔奖只颁发给确定无疑的事实发现。虽然研究人员在宇宙微波背景辐射中发现了涨落，但对涨落是否可能由其他机制引起尚存疑虑。目前为止，在我看来，还没有其他完善的理论能解释这些观测结果。谁说得准呢？也许10年后，就会有人提出像暴胀理论一样优秀的理论。然而，在过去的30年里，已经有不少人投身于此，依然没有提出任何能与暴胀理论相媲美的观点。
现在我将从自己的角度讲一下暴胀理论的提出过程。从俄罗斯（苏联）的角度和美国的角度看这些事，差别会很大。因为在暴胀理论提出时，苏联与美国关系可不算密切，一封信从苏联到美国要大概一个半月到两个月的时间。虽然20世纪30年代就有从苏联到美国的飞行记录了，且只用了一天时间，而50年后，一封信从苏联到美国却需要40～60天。瞧，我们就是这样进步的！
我曾在莫斯科州立大学学习，毕业后，在列别捷夫物理研究学所做博士后。在那里我与博学多才的大卫·柯赞尼斯（David Kirzhnits）共事。他在凝聚态物理、天体物理学、量子场论、非局部理论以及其他各种领域，都有所建树。他实在是一个了不起的人。我发展了他建立的宇宙相变理论（cosmological phase transitions）。也因为此，众多暴胀模型有了一个基本共识，那就是，在宇宙早期，物理学定律可能是完全不同的，也许弱、强、电磁相互作用之间并无不同之处。
曾几何时，我们还以为这可能是个离奇的想法。我们知道它是正确的，只是我们担心无法验证这一点，就好像柏拉图式的观点一样永远得不到什么结果。其实是我们过于悲观了。我们的研究结果之一是，在早期宇宙中会产生叫作原生磁单极子（primordial monopoles）的奇怪事物。我们预言，如果我们的理论是正确的，20世纪70年代公认的弱、强、电磁相互作用的统一理论也是正确的，那么在整个世界都从初始高温状态冷却下来的宇宙极早期，宇宙相变过程中就会创生出一些像分立的南北磁极那样奇怪的东西。
如果你把一块磁铁切成两半，每一半都会有一个南极、一个北极，你是无法将南北极分开的。但根据统一理论，宇宙中还会有叫作磁单极子的东西，它们要么是南极、要么是北极，而且每个磁单极子都会比质子重1000万亿倍。经过计算，现在的磁单极子数量应该大约与质子相同，这也会使得宇宙比现在重1000万亿倍。这样的宇宙将会是封闭的，而且早已在它演化开始的第一秒就坍缩了。既然我们还在这，那就说明这一理论有些地方错了。这就是原生磁单极子难题。这是我们研究宇宙相变理论的一大困难。
许多人在努力解决这个问题，然而还没有人成功。不知为何，大家就是无法得出一个一致的解。在这些研究进行的同时，我们听说阿列克谢·斯塔罗宾斯基（Alexei Starobinsky）在1979年和1980年提出了一种新的宇宙学理论。这种理论更加离奇，它声称宇宙呈指数级膨胀是由量子引力中的量子修正（quantum corrections）效应引起的。这种情形很有趣，非常像暴胀理论。但没有人管它叫暴胀理论，因为它是在阿兰·古斯提出他的旧暴胀理论之前一年出现的。它被称为“斯塔罗宾斯基模型”，这一模型曾是俄罗斯所有宇宙学相关会议和辩论中的首要主题。但这一理论并没有传到美国，原因之一是斯塔罗宾斯基提出这个模型是为了解决奇点问题。未能成功后，他没有尝试用它来解决那些后来由暴胀理论解决了的其他问题。实际上，斯塔罗宾斯基假设宇宙从开始就是均匀的，并没有尝试解释它为什么是均匀的。然而，当我们回顾暴胀模型的历史，就会发现，除了暴胀的开始阶段，这一模型具备了暴胀模型的所有特性。尽管斯塔罗宾斯基模型的提出动机模糊不清，但它确实能用，或者说差一点点就能用了。
在那之后，阿兰·古斯论证了他的暴胀模型。但我并不知情。在20世纪80年代的某一年，我参加了一次研讨会。那次是在莫斯科核研究所举办的，苏联著名科学家瓦莱里·鲁巴科夫（Valery Rubakov）现在依然在那里生活和工作。在那次会议上，鲁巴科夫讨论了用所谓的科尔曼-温伯格模型（Coleman-Weinberg model）中因宇宙相变引起的宇宙呈指数级膨胀，来解决平坦性和均匀性问题的可能性。他们在对古斯的论文毫不知情的情况下，讨论了这些问题。然后他们提交了论文打算发表，然而却未被接受，因为在那时古斯的论文已经发表了。
我因此学到了如何解决假真空中指数级膨胀期间各种不同的宇宙学问题，但却不是从古斯的论文中学到的。这件事其实比古斯的论文发表时间要早不少，只是因为邮寄导致了延迟。不仅如此，早在1978年，我就在与根纳季·切别斯夫（Gennady Chibisov）的合作中明白了假真空中指数级膨胀的可能性，只是我们发现那个模型并不成功，就没有继续研究；直到鲁巴科夫和他的合作者指出这一点，我们才意识到它可能有助于解决许多宇宙学难题。
当古斯的预印本传到苏联，苏联著名科学家列夫·奥肯（Lev Okun）打电话给我说：“我听说了阿兰·古斯的论文，他尝试用宇宙的指数级膨胀来解决平坦性问题。你听说过吗？”我告诉他：“没有，我从来没听说过，但我可以告诉你它的原理和不足。”之后的半个小时，我向他解释了古斯的理论，并向他说明了为什么古斯的理论行不通。不久之后，我收到了古斯的论文。我们在这之前就有与古斯相一致的结果，我们讨论了宇宙相变、宇宙的膨胀、气泡，就是没讨论用它来解决宇宙学问题的可能性。
如果我想写一篇相关的论文，在奥肯给我电话后我立刻就可以写出来。但我并未这样做，想都没想，因为那是不诚实的。但当然，我知道基本的想法是怎样的，也知道它为什么不对。我没有采取任何行动。实际上，我挺沮丧的。因为这个想法是那么显而易见的精彩，而我从鲁巴科夫那学来的更是棒极了。这个想法没能成功实在是令人扼腕。我们遇到的问题极为困难。
一年之后，阿兰·古斯与埃里克·温伯格（Erick Weinbery）一起写了一篇长达70页的论文来证明古斯的暴胀模型不可能再改进。幸运的是，再次感谢美国到苏联的那慢吞吞的邮政系统，我在已经改进了它之后收到了这篇论文。当他们致力于其他论文时，我在努力寻求解决办法。我在1981年的夏天找到了办法。为了检验这个结果，我打电话给最初引我介入这些想法的鲁巴科夫求证。事实上，我的解是如此明显，以至于当你看到它时，会觉得它这么简单，之前怎么就没想到呢？
我是在晚上给鲁巴科夫打的电话。因为当时我的妻子和孩子在睡觉，我拿着电话到了盥洗室，坐在地板上打给他确认。他跟我说：“没有，我从未听说过。”所以那时我激动地叫醒了妻子，跟她说：“你知道吗？我想我终于知道宇宙是怎么诞生的了。”我马上写了一篇论文，那是在1981年的夏天，但一直等了3个月论文才得到发表的许可。
那时候的苏联，如果要在国外发表论文，首先要在你的研究所内做一大堆官僚工作。把论文用俄语打出来，申请一连串的签字，然后发给苏联科学院，他们再把论文发给其他部门审核是否适合发表、是否含有不宜发表的机密。然后发还给你，你再用英文打出来等待预印，然后再打一遍字，那时可没有复印一说。直到这时，你才可以将论文送去发表。这整个流程通常要花掉两个月，有时要三个月。我直到10月才拿到许可。但10月在莫斯科有场关于量子宇宙学的会议，业内顶尖人士会来。史蒂芬·霍金也来了，还有许多优秀的科学家到来，我在这次会议上做了一次报告。大家对我的结果非常感兴趣，甚至可以说颇为激动，他们立刻决定帮我将这篇论文的预印本从苏联偷运出去，不管有没有许可，都要帮我发表。这就叫朋友，好朋友就会这样帮你。但之后的情况却有些让人意想不到的复杂。
天啊，有意思的来了！就在我做完报告之后的当天上午，我参加了一场在莫斯科大学斯滕伯格天文学研究所（Sternberg Institute of Astronomy）举办的演讲，演讲者是霍金。我是偶然去参加的，因为我听人说霍金在那作报告，后来他们就请我做翻译。我有些惊讶，但还是答应了。一般来说，霍金会预先准备好报告，然后由他的学生代为传话，他则在一边时不时地补充一些东西，再由他的学生作出相应的修改，这样霍金就可以纠正并指导他的学生。但这一次他们是全无准备的。这次报告是关于暴胀理论的，讨论了改进阿兰·古斯暴胀理论的不可能性。
