宇宙誕生於大爆炸，那大爆炸之前呢？

開宗明義，今天講大爆炸，不是樂隊大爆炸之思密達，也不是生活大爆炸之夏侯惇，今天我們講熱大爆炸宇宙學，之前傳。

熱大爆炸宇宙學，講的就是我們現在這個宇宙在膨脹。

吃瓜群眾不耐煩了：「我等著爆炸聽響兒呢，你講個球宇宙膨脹！」

好，太形象了！我們現在就把宇宙膨脹想像成一個膨脹的球（嗯，這就一個形象的想像。我們的宇宙大概是平的，目前還沒有證據說宇宙頂個球）。現在我們生活在一個大球上，越來越大。換句話說，在宇宙特別早期，這球特別小。早期宇宙中的各路物質和輻射擠在一起，所以這球特别致密，特別炎熱。

那宇宙的特別特別早期呢？特別特別特別早期呢？約140億年前，宇宙趨向於無窮炎熱。都無窮了，沒法再親熱了。我們把這個時候當成一個開始吧，就是宇宙的熱大爆炸，簡稱大爆炸。（人艱不拆，不要老跟人家早期宇宙提熱，正沒處冒汗呢！）

吃瓜群眾要問了：「人家核試驗搞大爆炸還得準備一個，你宇宙大爆炸怎麼說炸就炸出來了？」

這問題問得太有水平了！這裡我們不說超越視界的關聯函數，不說宇宙的平坦性問題，就跟親掏心窩直說，這宇宙大爆炸還真得準備一個。這宇宙大爆炸不僅要拍前傳，而且劇本還有好幾本。

提到大爆炸以前，其實也沒啥深奧的。就好比炸彈爆炸以前還有個還沒爆炸的炸彈，宇宙大爆炸以前還是有宇宙、時間和空間的。我們問的只是那個熱乎的宇宙是怎麼爆炸出來的。怎麼爆炸出來的呢？可能的理論還不少，咱們一一道來。

前傳四大劇本：暴脹弦氣火劫反彈

早期宇宙第一大劇本叫暴脹。暴脹宇宙學認為，宇宙早期加速膨脹。

吃瓜群眾：「牛頓說了，引力是吸引的，所以宇宙不能加速膨脹。」

可是啊，這個宇宙的神奇早就超越了正常人能想像的下限。當前宇宙加速膨脹已經在1998年被發現了，早期宇宙憑啥不能？看到現代宇宙學居然長這樣，愛因斯坦都得一臉懵文明用語。在早期宇宙言必稱牛頓，小心讓人當牛給燉了。

其實，如果宇宙的主要成分一直是本本分分的物質，不亂跑、不打滾，那麼牛頓引力還是可以勉勉強強描述宇宙演化的。可惜，宇宙中曾經充滿了亂跑的輻射（速度約光速的相對論性物質，壓強很大，牛頓引力不能描述過大的壓強）和打滾的場（比如電磁場就是一種場，這裡我們主要考慮更簡單的「標量」場，滾動的場可以造成負壓強）。這些貨，牛頓引力就hold不住了。特別是慢慢滾開著的場，破壞了引力要吸引的規章，引領早期宇宙加速膨脹，是為暴脹。目前我們還不知道暴脹期間宇宙的能量有多高。不過一般認為，暴脹期間宇宙的能量標度可達目前對撞機（比如大型強子對撞機）能量的10的10次方倍。暴脹末年，驅動暴脹的滾開場隕落，衰變成亂跑的輻射。從此大爆炸前傳收場，熱大爆炸開篇。

暴脹宇宙學獲得了巨大的成功和大多數物理學家的青睞。不過，除了暴脹，也有幾個其它候選劇本，在一定的設定下也能解釋目前的觀測。

比如弦氣宇宙學。大家注意發音，跟我念，弦~氣~宇宙學，不是嫌~棄~宇宙學。弦氣宇宙學認為，「天地有正氣，雜然賦流形」。要說正氣，粒子組成的普通氣體不夠正。咱考慮用弦組成的全息氣體。【啥叫粒子啥叫弦？參見嘎達湯對決麵條；啥叫全息？你頭腦里想啥（空間體積中的信息），都從臉上看出來（全然體現於其邊界），這是一個看臉的世界。】弦組成的氣體，雜七雜八地束縛在時空流形上，拖累得宇宙只能緩慢膨脹。直到最終，束縛解開，宇宙大爆炸正劇開場。至於怎麼具體描述緩慢膨脹的弦氣，還需進一步研究。

比如火劫宇宙學。古人說「鳳凰身宇宙」，那宇宙能不能像鳳凰一樣涅槃一個？火劫認為，宇宙早期緩慢收縮，通過火劫，反彈成膨脹的宇宙。要問火劫宇宙有啥困難，看過修仙小說沒？困難就是渡劫。一旦沒渡好，把宇宙轟成渣了，還能不能接著好好膨脹，假裝歲月靜好？如何渡劫，是火劫進一步研究的關鍵。要是再有點追求，修仙小說的主角哪有隻渡一個劫的？丘處機說，「任循環宇宙，不管東西」。宇宙循環著渡劫，就成了循環宇宙分劇本。

再比如非奇異反彈宇宙學。和火劫不同，非奇異反彈在收縮的時候麻利點，不磨磨蹭蹭，然後反彈的時候溫柔點，不渡劫。這主意不錯。不過收縮的時候太麻利，把宇宙整的太不均勻不各向同性了咋辦？「不患寡而患不均」。要是宇宙不各向同性了，重新把宇宙熨平的麻煩可不是蓋的。

當然，就算不幸的劇本各有各的不幸，存在替代劇本總是件好事。人們評價好壞，都是相對而言。沒有墊背的，怎麼知道暴脹劇本好？所以說，就算思想再正統，別埋怨人家「異端塞宇宙，不能別渭涇」。再說，就算替代劇本目前還不那麼靠譜，但是萬一哪天實現了呢？

大爆炸前傳，到底鬧哪樣？

說了半天，這麼多劇本，到底演哪個？

作為一名理論工作者，我負責任地告訴各位，物理學是一門以觀察和實驗為基礎的科學。劇本彼此不服？跑個分唄！（科學實驗中跑的分，就是利用卡方統計及其推廣，對比理論預測和觀測數據，以此區分哪個理論更加符合觀測。）

這分怎麼跑？可不是裝個app那麼簡單。因為我們生活在大爆炸140億年以後，沒辦法回到大爆炸以前，把大爆炸之前的影像，一幀一幀地偷拍回來。雖然我們看得越遠，時間越早，但是大爆炸以後宇宙要過38萬年才變得透明。大爆炸之前的宇宙，不給人類看透。

好在，我們還有間接的辦法。通過觀察現在的宇宙，不同地點密度變化的關聯函數，確實可以得到一些大爆炸以前的信息。但是，還是用電影來打比方，我們目前得到的信息好比電影預告片：看著精彩，但是不知道每個鏡頭之間的時間順序。按不同劇本，宇宙可以加速膨脹（暴脹）、緩慢膨脹（弦氣）、緩慢收縮（火劫）、迅速收縮（非奇異反彈），但是預告片上也沒明說哪個鏡頭早，哪個鏡頭晚，相差多長時間。不同劇本的宇宙演化歷史，預告片上看不出區別，咋整？

假如說一個電影預告片足夠高清並且沒有穿幫，那麼應該會找到些時間的蛛絲馬跡。比如眼尖的觀眾發現，有個演員戴的表上顯示了日期，把預告片按這個表顯示的日期順序重排一下，問題解決，妥妥劇透。（演員：我去年……）

2015年，陳新剛（美國哈佛大學）、Namjoo（美國麻省理工）和我把這招用在了宇宙學上，利用重粒子，提出了一個早期宇宙不同劇本的跑分方法。

重粒子和宇宙學有什麼關係？這事說來話長。2009年，陳新剛和我開始研究早期宇宙中的一個配角，就是這重粒子。在早期宇宙中，重粒子戲份可能不是最多，但是足夠出彩。這是因為，重粒子產生的宇宙密度關聯函數，是關聯函數界的一朵奇葩，和早期宇宙中的其它現象產生的關聯函數相比，細看形容，與眾各別：重粒子傳（liu）播（da）的步伐穩定（量子力學中一個具有確定能量的狀態，經過一定時間，波函數變化一個相位，這個相位使得關聯函數隨著形狀不同而呈條紋狀）。用我們2015年文章中的語言，重粒子溜達的步伐是一個標準時鐘（詳見《「原初標準時鐘」有望揭示時空起源真相》一文）。也就是說，重粒子確實是戴錶演員，可以給預告片中的片段標記時間順序。

換句話說，把早期宇宙不同劇本中重粒子關聯函數的理論預言，和未來對宇宙密度關聯函數測量的實驗數據相比較，其符合程度，就是區分早期宇宙不同劇本的跑分。

吃瓜群眾：「沒圖沒真相！」

好吧，你贏了，不同劇本理論上長這樣。

理論終歸是理論。這個跑分方法對未來實驗技術提出了嚴峻的挑戰。前面我們打比方的時候說，預告片要足夠高清，以至於能看清個表。宇宙學中，為了給宇宙的密度拍出全高清預告片，還有待微波背景輻射、望遠鏡巡天、21厘米譜線等各種觀測手段的發展。

全程高能！早期宇宙對撞機

我們前文討論的重粒子問題，也可以換個角度來看。為確定起見，我們按最流行的暴脹劇本來說。如果未來的觀測看見了重粒子的奇葩關聯函數，除了驗證暴脹劇本，還告訴我們什麼呢？

對，還告訴我們，發現了重粒子（就是說，要看見耍猴先得有個猴）。這是在什麼情況下發現的重粒子呢？前面我們提到，暴脹宇宙全程高能，比人類可預見的將來製造的任何對撞機都要高能。所以說，啊，粒子物理對撞機上日夜盼望著的新粒子，啊！

吃瓜群眾：「你一個搞宇宙學的，忽悠啥粒子物理？尼馬！」

尼馬：「喊我幹啥？」

尼馬·阿爾卡尼-哈米德，乃美國普林斯頓高等研究院教授，同時還是中國高能物理前沿研究中心主任，江湖人稱「頭腦中的想法之多，裝滿了全息熵限」（於是臉上也彷彿露出了迷之微笑呢）。所以不要動輒一萬頭草莽的尼馬呼嘯而過，頭腦中信息太多，小心形成黑洞毀滅地球。

尼馬與皇馬（全名：璜·馬爾達西那，亦為普林斯頓高能研究院教授，曾創立AdS/CFT大法）在2015年撰文《宇宙對撞機物理》。此文析縷分條，進一步揭示了重粒子在早期宇宙中產生奇葩關聯函數的物理機制。二馬發現：重粒子的效應可以分為兩類，量子漲落產生的虛粒子和時空幾何熱力學產生的實粒子。重粒子的奇葩關聯函數正是由其中的實粒子部分產生的，條紋形的奇葩關聯函數可以看成是重粒子在早期宇宙中的雙縫干涉條紋。看到這樣的條紋，重粒子，就是你，沒跑了！仔細分析重粒子的干涉條紋，可以知道重粒子的質量是暴脹期間哈勃參數的幾倍，以及重粒子的自旋，甚至對稱性等信息。

那以後宇宙學觀測中看到了重粒子咋辦？是新物理學，還是粒子物理標準模型粒子穿了個馬甲（德西特空間中的質量修正）？陳新剛，我，和鮮於中之（美國哈佛大學）在去年的一系列工作中，計算了粒子物理標準模型中的粒子在暴脹期間的表現。

要是發現的重粒子能和我們的計算對得上號，那麼說明，粒子物理標準模型跨越了這麼多能標還是沒啥長進。這事聽起來挺沮喪的。不過，「林間花自飛，物理不應悲」，也不是說人造對撞機實驗上面就沒新物理了。新物理可能藏在對暴脹不敏感的地方。這對於人造對撞機上去哪兒找新的粒子物理，具有參考價值。

要是發現的重粒子超出了我們的計算，那就出大事了。自從粒子物理標準模型創立，四五十年來，對撞機上發現的所有粒子還沒有超出粒子物理標準模型。要是宇宙對撞機撞出一個（或者撞出一窩，多多益善），那就是在遙遠的能標上，點亮了新物理學的星星之火。撞出的究竟是個啥？粒子物理中那麼多超越標準模型的理論，穿上馬甲秀一秀，總有一款適合你！

您看，大爆炸以前已經鬧成這樣了，還不趕快造台望遠鏡去看熱鬧走起~