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。