物理群星
安德烈·林德 肖像

图:Hypermultiplet 摄,2018 年(CC BY-SA 4.0,维基共享资源)

安德烈·林德

Andrei Linde

1948–今 · 生于苏联莫斯科 · 俄罗斯 / 美国

天体与宇宙学粒子物理

1978 年他算到了那堵墙前面,掉头走开;三年后他绕了过去,深夜叫醒妻子说「我想我知道宇宙是怎么诞生的了」

「我想,我知道宇宙是怎么诞生的了。」

—— 1981 年夏天想出新暴胀的那个深夜,他叫醒妻子蕾娜塔·卡洛什说的第一句话;卡弗里奖自传

1978 年,两个莫斯科的年轻人算了一件事:如果早期宇宙的真空衰变要靠一个个真空泡成核,那么泡碰撞之后留下的宇宙会疙疙瘩瘩,与我们看到的这个一点也不像。他们的结论是此路不通,于是放下了这个题目。

其中一个是安德烈·林德。两年后,大洋彼岸的阿兰·古斯从同一个计算出发,往前多走了一步——他问的不是「相变能不能干净地结束」,而是「相变没结束的那段时间里,宇宙涨成了什么样」。

林德后来对这件事的评价很坦白:古斯多走的那一步是决定性的。而接下来的五年里,他把古斯留下的坑一个个填上,最后连古斯的脚手架也一并拆掉了。

去黑海的路上

1948 年,林德生于莫斯科。父亲德米特里·林德是无线电物理学教授,母亲伊琳娜·拉科博利斯卡娅是莫斯科大学的物理学教授——她一直教到 86 岁。

十四岁那年他想当地质学家。去黑海度假的路上,父母塞给他两本书,一本讲天体物理,一本讲相对论。等车到海边,用他自己的话说,「我对地质学的迷恋结束了。我觉得自己像个叛徒,可我没办法:我想当物理学家。」

1971 年他从莫斯科大学毕业,进列别杰夫物理研究所读研,导师是达维德·基尔日尼茨。

宇宙也会相变

基尔日尼茨 1972 年注意到一件事:电弱理论与超导理论长得很像。超导体升温到一定程度,库珀对拆散,超导性消失;那么电弱理论里那个赋予粒子质量的标量场,会不会在高温下同样「蒸发」掉?

两人算出来的答案是会。于是有了一个推论:大爆炸后不久,宇宙温度极高,弱相互作用与电磁相互作用之间没有区别;随着宇宙冷却,对称性自发破缺,两者才分道扬镳。也就是说,宇宙经历过相变。

「有两年时间没人信我们。人们笑着问,拉格朗日量里温度在哪儿?」林德回忆道。1974 年,温伯格与多兰、杰基各自证实了他们的主要结论。今天「早期宇宙相变」是标准图景的一部分,暴胀理论也是从这块地基上长出来的。

这一年还发生了另一件事。1972 年列别杰夫所的一次研讨会上,坐在旁边的一位女士问「林德是谁?」——她叫蕾娜塔·卡洛什。两年后两人在拉多加湖重逢,几个月后结婚。林德说,这是他一生中最重要的一件事。

1978 年掉头的地方

1974 至 1976 年间,林德与基尔日尼茨继续追问:如果对称破缺是一次一级相变,事情会怎样?答案是标量场先在一个个孤立的气泡里出现,气泡膨胀、相撞、合并。而在相变被推迟的那段时间里,宇宙处在一种「类真空」的高能状态——假真空——并呈指数膨胀。

指数膨胀这件事,他们在纸上看到了。

1978 年,林德与根纳季·奇比索夫把这个过程仔细算了一遍,结论是:相撞的气泡会让宇宙太不均匀。「所以我们没有再追下去。」

两年后古斯从同一个地方出发,问了一个不同的问题。林德对此的原话是:「1980 年,阿兰·古斯研究了同一个过程,但他多走了极其重要的一步:他提议用一段漫长的指数膨胀——他称之为 inflation——来解释我们的宇宙为什么如此之大、如此均匀。」

古斯那篇论文的结语在请别人来拆自己的台。林德是读到这句话的人之一。消息是列夫·奥昆打电话告诉他的:你看到古斯那篇想解决平坦性问题的文章了吗?

「我想我知道宇宙是怎么诞生的了」

古斯方案的病根,正是林德 1978 年撞上的那堵墙:暴胀要靠真空泡成核来结束,可泡外的空间还在指数膨胀,最后留下的宇宙疙疙瘩瘩。后来这被称作优雅退出问题。

1981 年夏天,林德意识到有一类理论可以绕过去:气泡内部的标量场初值很小,滚得极慢,于是暴胀在单个气泡内部继续进行,这一个泡就胀得比整个可观测宇宙还大。气泡碰撞当然还在发生,但发生在指数级遥远的地方,我们永远看不到。

那是深夜,妻子和孩子都睡了,可我按捺不住。我叫醒蕾娜塔,对她说:「我想,我知道宇宙是怎么诞生的了。」

他给这个方案起名「新暴胀」,说这个名字既标出它与古斯那个想法的关系,也标出两者的差别。

论文当年夏天就写好了,但在苏联,往国外期刊投稿需要审批,审批走了约三个月。10 月,他在莫斯科的量子引力国际会议上报告了结果,霍金在场。第二天霍金在施特恩贝格天文研究所做报告,请林德当翻译。

讲到一半,斯蒂芬说安德烈·林德提出了一个解决这些问题的有趣办法,我很高兴地翻译了。可接着他说,我的方案也不成立——接下来半个小时,我在给所有人翻译我的想法为什么是错的。但在他报告结束时,我说我不同意,并解释了为什么。

当天晚些时候霍金请他去旅馆,拿出家人的照片给他看。两人从此成了朋友。

论文 1982 年发表。三个月后,阿尔布雷克特与斯坦哈特的同类结果也发表了,引用了他在先的工作。林德的说法是:「我们开跑了。」

新暴胀之死

跑得不远。同样在 1982 年,斯塔罗宾斯基在塔尔图的一次会议上指出:新暴胀留下的密度扰动太大了。当年夏天剑桥的纳菲尔德研讨会把这件事算清楚——大得离谱。

麻烦的根子在一个比值:暴胀留下的密度起伏,正比于膨胀率的平方、反比于标量场滚下斜坡的速度。新暴胀要求场滚得极慢,慢正是它能持续足够久的原因;可越慢,留下的起伏越大。

要把振幅压回观测允许的范围,就得让暴胀场几乎与所有东西——包括它自己——退耦。可一个什么都不耦合的场,又怎么可能先达到宇宙学相变所需要的热平衡?

1988 年,霍金在《时间简史》里写下判词:「新暴胀模型作为一个科学理论现在已经死了,尽管许多人似乎还没听说它的死讯,仍在写文章,好像它还站得住似的。」这句话是林德自己在自传里引的。

把脚手架全部拆掉

「我花了一年才找到这个问题的解,而它简单得近乎荒谬。」

1983 年的混沌暴胀,是林德最重要的独立贡献。它的做法是把前面所有人搭的脚手架一根根拆掉:

不需要高温相变——「即使根本没有过热大爆炸,它也能发生。」不需要过冷,不需要假真空,不需要真空泡。剩下的只有一个标量场,一个最简单的势能 V(ϕ)=12m2ϕ2V(\phi) = \frac{1}{2}m^2\phi^2,跟谐振子一模一样。只要这个场的初值足够大,它慢慢滚下斜坡的那段过程本身就是暴胀。

那么初值凭什么大?林德的回答是这套理论最有名的一句:

为什么不呢?如果场初值很小,宇宙就没有暴胀,于是它一直很小,也不适合生命居住。可如果场初值很大,宇宙就经历一段漫长的暴胀,变得巨大,像我们这样的观察者才能住在里面。

「混沌」这个名字来自初始条件:早期宇宙如果是一块块杂乱拼起来的,有些地方场小、有些地方场大,那么场小的地方一直微不足道,场大的地方长成了巨大而均匀的一片——我们就住在后者里面。他为此还说过一句俏皮话:「通常从有序造出混沌容易得很(看看我的办公室就知道了,或者看看阿兰·古斯的办公室更好),可现在我们能在宇宙尺度上从混沌里造出有序!」

今天大多数现实的暴胀模型,用的都是混沌暴胀的原理。

半个小时

1985 年前后,苏联的出版审批制度新旧交替,有近一年时间他的论文寄不出国。「我们闭着嘴过日子。」他写道,自己一步步陷入抑郁。

1986 年春天的某一天,他被临时通知要去意大利讲学,讲稿「最好明天」就交。他忽然反应过来:如果现在写出点什么,稿子明天就能走外交邮袋出去,不需要任何审批。

「半小时后,我发明了永恒混沌暴胀理论。」

机制本身可以一句话说清。暴胀期间标量场一边经典地往下滚,一边被量子涨落随机地推来推去。场值足够大时,涨落会盖过滚落——总有一小部分区域的场不降反升,能量密度更高,于是膨胀得比邻居更快,体积指数地长大,然后在自己内部再生出新的这样的区域。

暴胀在我们这一块结束了。在别处,它永远不会结束。

结果是一个永远在生长的分形:指数多个指数大的区域,每一个里面低能物理的定律可以各不相同。而我们只能住在定律允许我们存在的那些区域里。

「突然之间,我关于暴胀的各种零碎知识全都落到了各自该在的位置上;那是我一生中最强烈的情绪冲击之一。」

这个图景要等十七年才被广泛接受。

从莫斯科到斯坦福

1989 年,全家获准去 CERN「一年」。他们以为 1990 年就回俄罗斯,结果那一年林德与卡洛什双双成了斯坦福大学的物理学教授。

1994 年他提出混合暴胀,用两个场分工——一个负责慢滚,另一个负责在某个阈值上突然结束暴胀;同年他与列夫·科夫曼、斯塔罗宾斯基建立了再加热理论,讲清楚暴胀结束后,那个冷冰冰的标量场如何把能量倒进物质里,点燃我们熟悉的热大爆炸。

2003 年是那个「十七年」到期的年份。林德与卡洛什、卡丘、特里维迪找到了让弦论的真空稳定下来的办法,后来称作 KKLT 构造。紧接着,道格拉斯估算出这样的真空可能有 1050010^{500} 个之多,萨斯坎德把整个图景归拢成一个名字:弦论景观。

「这与我 1986 年所设想的非常相似。」林德写道。永恒暴胀提供无穷多个区域,弦论景观提供无穷多套可能的物理定律,两者一拼,就是今天争论不休的多重宇宙。

香槟,和尘埃

2014 年 3 月的一天,斯坦福的郭兆林——BICEP2 团队成员——带着一瓶香槟敲开了林德家的门,告诉他望远镜在微波背景的偏振里看到了原初引力波的迹象。那正是暴胀最硬的一条预言。斯坦福把这一幕拍了下来,视频传遍全世界。

林德当时说的话是:「但愿这不是个骗局。」

一年后,BICEP2 与普朗克的联合分析给出结论:那片天区的信号里有银河系尘埃的强烈证据,原初引力波没有统计显著的迹象。

暴胀最硬的那条预言至今悬着。而争论的另一半——永恒暴胀是否还算得上可检验的科学——从 1986 年那半个小时起就没有停过。林德是 2017 年那份三十三人联署回应的领衔者之一,也是三十多年来把这场争论的两端同时推到今天位置的人:他既是把暴胀救活的人,也是最早说出「它可能永远不会结束」的人。

代表方程

混沌暴胀:一个谐振子就够了

V(ϕ)=12m2ϕ2,3Hϕ˙≃−V′(ϕ)V(\phi) = \tfrac{1}{2} m^{2} \phi^{2}, \qquad 3H\dot{\phi} \simeq -V'(\phi)

古斯与新暴胀都得先有一锅高温、一次相变、一段过冷,宇宙才能开始暴胀。林德 1983 年把这些前提全部扔掉——只要有一个标量场,势能是最简单的抛物线(也就是谐振子),而场的初值足够大,它顺着坡往下滚的过程本身就是一段暴胀。不需要热大爆炸,不需要假真空,不需要泡。剩下的问题只有一个,场的初值凭什么那么大;他的回答是,小的那些地方没暴胀,所以一直很小,也就没人住在里面。

密度扰动:杀死新暴胀的那个比值

δρρ∼H22πϕ˙\frac{\delta\rho}{\rho} \sim \frac{H^{2}}{2\pi\dot{\phi}}

暴胀把真空涨落拉成密度起伏,振幅与场滚下斜坡的速度 ϕ˙\dot{\phi} 成反比。新暴胀要求场滚得极慢,可滚得越慢分母越小,留下的起伏就越大——1982 年算出来比天上看到的大了好几个数量级。要压回去就得让暴胀场几乎不与任何东西耦合;可一旦不耦合,它又没法达到相变所需的热平衡。新暴胀就死在这个自相矛盾上。

自我再生条件:暴胀停不下来

δϕ量子Δϕ经典≃3H32π∣V′∣>1\frac{\delta\phi_{\text{量子}}}{\Delta\phi_{\text{经典}}} \simeq \frac{3H^{3}}{2\pi|V'|} > 1

一个哈勃时间里,标量场经典地往下滚 ∣V′∣/3H2|V'|/3H^2,量子涨落却随机地推它 H/2πH/2\pi。场值足够大时,后者盖过前者——总有一些区域的场不降反升,那里膨胀更快,体积指数增长,再生出更多这样的区域。林德 1986 年由此得到永恒暴胀:暴胀在我们这一块结束了,在别处却永远不会结束。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.林德《揭开自然的秘密——安德烈·林德自述》,卡弗里奖官方自传(2014)——本页引用的所有第一人称原话出自此文
  2. 2.基尔日尼茨与林德《温伯格模型的宏观后果》,《物理快报 B》第 42 卷第 471 页(1972)
  3. 3.林德《一个新的暴胀宇宙图景:视界、平坦性、均匀性、各向同性与原初单极子诸疑难的一个可能解》,《物理快报 B》第 108 卷第 389 页(1982)
  4. 4.林德《科尔曼-温伯格理论与新暴胀宇宙图景》,《物理快报 B》第 114 卷第 431 页(1982)
  5. 5.林德《混沌暴胀》,《物理快报 B》第 129 卷第 177 页(1983)
  6. 6.林德《永恒存在的自我再生混沌暴胀宇宙》,《物理快报 B》第 175 卷第 395 页(1986)
  7. 7.林德《混合暴胀》,《物理评论 D》第 49 卷第 748 页(1994)
  8. 8.科夫曼、林德与斯塔罗宾斯基《暴胀之后的再加热》,《物理评论快报》第 73 卷第 3195 页(1994)
  9. 9.卡丘、卡洛什、林德与特里维迪《弦论中的德西特真空》,《物理评论 D》第 68 卷 046005(2003)
  10. 10.卡丘、卡洛什、林德、马尔达西那、麦卡利斯特与特里维迪《走向弦论中的暴胀》,《宇宙学与天体粒子物理学杂志》2003 年第 10 期 013
  11. 11.《访谈:安德烈·林德》,欧洲核子研究中心 EP 部门通讯
  12. 12.2002 年狄拉克奖(古斯、林德、斯坦哈特)官方页,表彰「宇宙学中暴胀概念的发展」
  13. 13.2012 年首届基础物理学突破奖官方页——授奖词列出新暴胀、永恒混沌暴胀、暴胀多重宇宙与弦论真空稳定化
  14. 14.2014 年卡弗里天体物理学奖(古斯、林德、斯塔罗宾斯基)官方页,授奖词为「开创宇宙暴胀理论」
  15. 15.BICEP2/Keck 与普朗克合作组《BICEP2/Keck 阵列与普朗克数据的联合分析》,《物理评论快报》第 114 卷 101301(2015)