來源 | 返樸

撰文|王東剛（劍橋大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)與理論物理系 史蒂芬·霍金理論宇宙學(xué)中心）

理解宇宙的起源，一直是人類的終極問題。盡管關(guān)于極早期宇宙的暴脹理論獲得了極大的成功，但實(shí)驗(yàn)方面目前人們只能檢驗(yàn)其預(yù)言的兩點(diǎn)關(guān)聯(lián)函數(shù)，并且對(duì)其理論理解也停留在初級(jí)階段。對(duì)此，物理學(xué)家從“理論自洽性”的新視角提出了所謂的“宇宙自展”。

神奇的是，在這一關(guān)于宇宙起源的理論中，時(shí)間不存在了。

對(duì)于我們篤信物理學(xué)的人來說，過去、現(xiàn)在和未來之間的區(qū)別只不過是一個(gè)頑固的幻覺。

——愛因斯坦，1955

從某種意義上來說，宇宙學(xué)是終極的考古學(xué)。

考古學(xué)家通過發(fā)掘化石，以及遠(yuǎn)古時(shí)代祖先們殘留下來的蛛絲馬跡，去還原數(shù)萬年前的人類活動(dòng)，進(jìn)而推測(cè)出文明的起源與演化。宇宙學(xué)家所追尋的“化石”在天上。由于光速有限，當(dāng)我們用望遠(yuǎn)鏡去捕捉百億光年外遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的微光，我們也在窺探宇宙百億年前的樣子。而根據(jù)這些天文觀測(cè)，宇宙學(xué)家可以重構(gòu)出宇宙本身138億年的演化歷史：

一切都是大爆炸的余燼，最初的氫元素在高溫等離子體濃湯中形成，然后電子被原子核捕獲，光子開始自由穿梭；隨著空間不斷膨脹，宇宙慢慢冷卻，在漫長的百億年歲月中恒星和星系不斷誕生衰亡。

因而，“腳踏實(shí)地”的考古學(xué)和“仰望星空”的宇宙學(xué)，二者本身都是關(guān)于時(shí)間的科學(xué)。

當(dāng)我們不斷向前追溯，在地球、太陽系乃至銀河系形成以前，在宇宙的第一縷光誕生之前，甚至在熱大爆炸宇宙那團(tuán)極高溫等離子體火球出現(xiàn)之前，直到一切的開端，物理學(xué)家的好奇心希望去觸及時(shí)間的起點(diǎn)。近幾年，一系列被稱之為“宇宙自展” （Cosmological Bootstrap）注1的前沿研究顯示，我們宇宙的起源，也許是一段沒有時(shí)間的歷史。

從量子漲落到漫天星系

對(duì)于萬物開端，一切還是要從“頭”說起。目前，我們對(duì)極早期宇宙最成功的描述是所謂的暴脹理論 （Cosmic Inflation） 。根據(jù)這一理論，宇宙在大爆炸之初約10 -32 秒的極短時(shí)間內(nèi)，經(jīng)歷了一次極為劇烈的指數(shù)式加速膨脹，可以被近似看作是廣義相對(duì)論中的德西特時(shí)空 （de Sitter Spacetime） 。這一學(xué)說在20世紀(jì)80年代初由阿蘭·古斯 （Alan Guth） 、安德烈·林德 （Andrei Linde） 等宇宙學(xué)家提出，一舉解決了傳統(tǒng)大爆炸宇宙中的諸多初始條件疑難而廣受關(guān)注。然而暴脹理論的成就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。

1982年夏天，就在暴脹理論提出不久，斯蒂芬·霍金 （Stephen Hawking） 在劍橋召集了為期三周的Nuffield極早期宇宙專題研討會(huì)。這次傳奇性會(huì)議的焦點(diǎn)是暴脹宇宙學(xué)中的量子效應(yīng)。當(dāng)時(shí)，有五組宇宙學(xué)家分別進(jìn)行了理論計(jì)算注2，他們最后達(dá)成共識(shí)：當(dāng)把量子力學(xué)考慮在內(nèi)，暴脹理論為宇宙中萬物的起源提供了一個(gè)令人驚詫卻又充滿說服力的解釋。

在介紹結(jié)論前，我們先注意到，嬰兒宇宙有一個(gè)最顯著的特點(diǎn)就是“小”。今天的可觀測(cè)宇宙在暴脹之初直徑甚至還不到10-30米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所有目前已知的基本粒子。因此，除了描述宇宙膨脹的廣義相對(duì)論之外，支配微觀世界的量子場(chǎng)論在暴脹中也扮演了舉足輕重的角色。在量子物理中，真空是一個(gè)微妙的概念。它并非像我們通常想象的那樣空無一物，而是隨時(shí)隨地都充滿了不斷變化著的量子漲落，如同水面上的漣漪，起伏不定。通常這些漲落在微觀尺度上不斷產(chǎn)生，然后很快湮滅，并不會(huì)直接影響我們熟悉的宏觀世界。

而在暴脹理論中，時(shí)空背景在急劇加速膨脹，這些本該在微觀世界中自生自滅的量子漲落，瞬間被拉伸到了宏觀，成為嬰兒宇宙中最初物質(zhì)分布的不均勻性——處在漲落波峰處的宇宙物質(zhì)更多，而處在波谷處的宇宙相對(duì)空曠。起初，這些漲落的幅度也非常微小。在后續(xù)的漫長膨脹歷史中，萬有引力開始緩慢但持續(xù)地導(dǎo)演一場(chǎng)宇宙尺度的“馬太效應(yīng)”——密度大的區(qū)域物質(zhì)越聚越多，密度小的地方則變得越來越空曠。經(jīng)過百億年的演化，這些密度大的區(qū)域逐漸形成了當(dāng)前宇宙中漫天分布的各類天體，以及橫亙數(shù)百億光年的大尺度結(jié)構(gòu)。

圖1. 宇宙如同一臺(tái)究極放大器，用百億年的時(shí)間，將微觀世界中的量子漲落，轉(zhuǎn)化為宇觀尺度的星系、星系團(tuán)。今天的物質(zhì)大尺度分布隱藏了宇宙嬰兒時(shí)期的奧秘，而解密的關(guān)鍵正是“宇宙學(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)”。

這就是Nuffield會(huì)議上那個(gè)令人震驚的結(jié)論——大到超星系團(tuán)、星系，小到太陽系和地球，乃至于我們自身，萬物都源自于暴脹時(shí)期真空中的微觀量子漲落。“納須彌于芥子”，這句原本充滿思辨意味的佛家偈語在此得到了最為直觀的體現(xiàn)。這一后來被稱作“宇宙學(xué)擾動(dòng)論”的理論，成功運(yùn)用微觀世界的量子物理來解釋宇觀尺度上的物質(zhì)分布，后來被眾多物理學(xué)家認(rèn)為是科學(xué)史上最為優(yōu)雅美妙的故事之一。

暴脹理論和宇宙學(xué)擾動(dòng)論的成功極大鼓舞了過去四十年間的極早期宇宙學(xué)研究。在此理論圖像中，暴脹時(shí)量子漲落形成的“化石”又被稱為原初擾動(dòng)，它們是形成今天宇宙中物質(zhì)大尺度結(jié)構(gòu)的種子。這些“化石”空間分布的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)，也就是所謂的“宇宙學(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)”，是暴脹的核心預(yù)言。因而通過尋找宇宙中物質(zhì)大尺度分布的關(guān)聯(lián)，我們可以對(duì)該理論進(jìn)行天文觀測(cè)檢驗(yàn)。后來，隨著自上世紀(jì)90年代起對(duì)宇宙微波背景輻射中溫度漲落的精細(xì)測(cè)量，暴脹理論和宇宙學(xué)擾動(dòng)論最簡(jiǎn)單的預(yù)言——兩點(diǎn)關(guān)聯(lián)函數(shù)，已得到了非常精確的檢驗(yàn)。

這僅僅只是開始。相較而言，高階的宇宙學(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)中包含了豐富得多的極早期宇宙信息，如圖1中的三角形 （三點(diǎn)關(guān)聯(lián)） 和四邊形 （四點(diǎn)關(guān)聯(lián)） 等。原則上講，通過完全掌握宇宙中物質(zhì)大尺度分布的統(tǒng)計(jì)信息，我們能還原出暴脹的過程，探知?jiǎng)?chuàng)世之初的奧秘。

宇宙自展：時(shí)間在哪里？

從遠(yuǎn)古關(guān)聯(lián)函數(shù)中破譯宇宙起源，這一理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻非常骨感。首先，我們到目前為止還沒有探測(cè)到兩點(diǎn)函數(shù)之外的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)，雖然有越來越多的針對(duì)性巡天計(jì)劃，但如何從海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)中挖掘出這些源于遠(yuǎn)古宇宙的信息，如同在沙漠中淘金，依然充滿挑戰(zhàn)。

同時(shí)，我們對(duì)宇宙學(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)的理論理解也還停留在初級(jí)階段。

具體來說，這里問題的難點(diǎn)是德西特時(shí)空下的量子場(chǎng)論。不同于我們所熟悉的平直時(shí)空背景，加速膨脹背景下的量子效應(yīng)要繁瑣復(fù)雜得多。為了得到暴脹預(yù)言的宇宙學(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)，我們需要追蹤量子漲落在暴脹期間完整的時(shí)間演化，遍歷所有可能的歷史并求和。即使對(duì)最簡(jiǎn)單的物理過程 （如圖2所示） ，其理論計(jì)算依然讓人望而卻步。

圖2. 德西特時(shí)空下的費(fèi)曼圖。暴脹時(shí)期的量子漲落形成了微小的不均勻性，成為后續(xù)百億年演化中星系等結(jié)構(gòu)形成的種子。無數(shù)個(gè)此類事件的疊加形成了原初擾動(dòng)空間分布上的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)。在此過程中，暴脹期間的新物理，比如重粒子（圖中紫色實(shí)線），如化石般在宇宙學(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)中留下痕跡。

近年來，理論家開始換一個(gè)思路來看待這個(gè)棘手的問題：暴脹期間的時(shí)間演化太過復(fù)雜，而我們能探測(cè)到的只是暴脹結(jié)束時(shí)的“化石”遺跡，那么我們能否直接著手于最終的可觀測(cè)量——宇宙學(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)？初看貌似不太可能，但“理論自洽性”提供了另一個(gè)可能的出發(fā)點(diǎn)：我們可以構(gòu)造各種各樣的暴脹歷史，但其中只有一部分在理論上是自洽的，另一部分違背了某些基本的物理學(xué)原理，比如時(shí)空對(duì)稱性 （物理規(guī)律在不同的時(shí)空位置下保持不變） 、幺正性 （信息守恒） 和定域性 （沒有超距相互作用） 等。這一試探性思路出乎意料的成功：在很多情況下，暴脹理論的預(yù)言可以被這些基本原理完全限制！

也就是說，不管宇宙的演化歷史如何，“理論自洽性”本身可能足以確定關(guān)聯(lián)函數(shù)的結(jié)果。這套全新的視角被稱為“宇宙自展” （Cosmological Bootstrap，或譯為“宇宙學(xué)自舉”） 。

在理論物理中，此類被統(tǒng)稱為Bootstrap的方法 （通常譯為“自舉”，見注1） 已有成功的先例，比如基本粒子散射振幅研究中的S-矩陣自舉，以及共形場(chǎng)論中的共形自舉 （Conformal Bootstrap） 等。宇宙學(xué)中的自展法最早于2018年由Nima Arkani-Hamed、Daniel Baumann、Hayden Lee和Guilherme Pimentel提出[1]。隨后，連同筆者在內(nèi)的諸多同行系統(tǒng)研究了各類基本原理對(duì)宇宙學(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)的限制，這一新興的研究方向在過去幾年里蓬勃發(fā)展[2]。

在這套新的理論描述中最神奇的是，時(shí)間消失了！因?yàn)橹塾谟钪鎸W(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)，我們選取了暴脹結(jié)束時(shí)特定的時(shí)間切片，此切片上的確只有空間，沒有時(shí)間。而這一沒有時(shí)間的理論卻成功描述了暴脹的預(yù)言！對(duì)于宇宙學(xué)這一關(guān)于時(shí)間的科學(xué)，“時(shí)間”本身卻在宇宙起源的理論中隱身，這聽上去是個(gè)荒誕的結(jié)果。難道真的像愛因斯坦在半個(gè)多世紀(jì)之前所說的那樣，時(shí)間并不存在，一切都是我們的幻覺？

宇宙自展中所展示的“沒有時(shí)間的歷史” （Time Without Time） 其實(shí)在概念上由來已久。其本質(zhì)與量子引力研究中的全息原理有著千絲萬縷的聯(lián)系。近年來在理論前沿，種種跡象顯示，“時(shí)間”和“空間”本身可能并不是基本的，而是作為衍生的概念從某種更為基本的物理實(shí)在中“涌現(xiàn)”出來。

對(duì)“空間的涌現(xiàn)”，我們已在全息理論中有了一定的理解。早在1997年，理論物理學(xué)家Juan Maldacena提出了著名的“AdS/CFT對(duì)應(yīng)”。其中AdS代表反德西特時(shí)空，是與我們真實(shí)宇宙截然不同的一類時(shí)空背景 （見圖3左圖） 。在此理論構(gòu)想中，Maldacena指出AdS空間內(nèi)部的引力與邊界上的共形場(chǎng)論 （Conformal Field Theory，CFT） 以一種復(fù)雜卻精妙的方式相等價(jià)。換句話說，AdS時(shí)空的低維邊界就如同一張全息屏，包含了更高維內(nèi)部空間的物理。“AdS/CFT對(duì)應(yīng)”的出現(xiàn)為量子引力和時(shí)空本性的研究提供了一個(gè)具體的實(shí)例。經(jīng)過20多年深入的探索，理論物理學(xué)家已逐漸理清：邊界理論中的量子糾纏構(gòu)建了AdS內(nèi)部的空間距離，所以空間本身可能并不是基本的，而是自糾纏中涌現(xiàn)。

圖3. 反德西特時(shí)空中空間的涌現(xiàn)（左）；德西特時(shí)空中時(shí)間的涌現(xiàn)（右）。

那么“時(shí)間”呢？在全息原理描述中，“時(shí)間”具有和“空間”截然不同的性質(zhì)。早在AdS/CFT提出之初，理論物理學(xué)家就嘗試過將全息原理推廣至與我們所處的真實(shí)宇宙更為接近的德西特時(shí)空，即所謂的“德西特全息” （de Sitter Holography） 。直到今天，這一設(shè)想依然沒能成功實(shí)現(xiàn)。一個(gè)疑難是，在德西特時(shí)空中，原本的低維邊界 （全息屏） 變成了未來某一特定時(shí)間切片 （如暴脹結(jié)束的時(shí)刻） ，在內(nèi)部時(shí)空中延展出來的維度由空間變成了時(shí)間 （見圖3） ，但我們并不知道該如何去理解時(shí)間維的涌現(xiàn)。

宇宙自展的出現(xiàn)無疑為“時(shí)間的涌現(xiàn)”和“德西特全息”提供了新思路。我們可以去復(fù)盤宇宙自展與傳統(tǒng)時(shí)間演化方法在處理宇宙學(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)時(shí)的聯(lián)系。這時(shí)人們發(fā)現(xiàn)，暴脹期間的歷史進(jìn)程被未來邊界上原初擾動(dòng)的空間關(guān)聯(lián)所描述。具體來說，當(dāng)我們改變未來邊界上宇宙學(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)的形式，我們其實(shí)是在探索德西特時(shí)空中過去的時(shí)間流動(dòng) （見圖3右） ；不同的宇宙演化歷史給出了不一樣的未來邊界上的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)。近期，Nima Arkani-Hamed等人更是進(jìn)一步指出，時(shí)間本身的流逝與關(guān)聯(lián)函數(shù)中被稱作“運(yùn)動(dòng)流” （Kinematic Flow） 的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)相等價(jià)[3, 4]。

這些有趣的新進(jìn)展使得之前看似荒誕的結(jié)果成為可能——在一個(gè)沒有時(shí)間的理論中描述宇宙的起源和演化。或許，在最根本的層面上，過去的138億年一直以來都是沒有時(shí)間的歷史！

新物理的曙光

在理論物理的發(fā)展中，概念上的革新總是讓人激動(dòng)，然而我們也需要清醒的認(rèn)識(shí)到，宇宙自展這一研究方向尚處于萌芽階段。我們尚未建立起宇宙學(xué)的全息理論，我們也不知道，從根本上來說為什么時(shí)間會(huì)和空間不一樣；如果時(shí)間是涌現(xiàn)的，那么其背后真正的物理實(shí)在又是什么？要對(duì)這些深層次問題獲得清晰的認(rèn)識(shí)，依然有很長的路要走。

與此同時(shí)，宇宙自展這一有趣的新思路并非僅僅是暴脹理論在概念層面上的故事新編，其研究對(duì)于高能粒子物理也有重要的“實(shí)用”價(jià)值。

說到粒子物理，人們首先想到的可能是對(duì)撞機(jī)，比如說在歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) （Large Hadron Collider，LHC） 。甚至在很多硬核科幻小說中，巨型對(duì)撞機(jī)也成為了進(jìn)化為高等文明路上的“必需品”。例如在《三體》中，“智子”到達(dá)地球后的首要目標(biāo)就是擾亂高能粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)；而幾百年后的人類更是制造了木星軌道上的“環(huán)日加速器”來發(fā)展自己的基礎(chǔ)科學(xué)。文明的發(fā)展的確離不開對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的深刻認(rèn)識(shí)，但在現(xiàn)實(shí)世界中，建造大型對(duì)撞機(jī)變得越來越困難，這已成為粒子物理發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。

有意思的是，宇宙學(xué)可能會(huì)為高能物理實(shí)驗(yàn)提供新的轉(zhuǎn)機(jī)。上文中我們提到，暴脹發(fā)生時(shí)宇宙處于極微觀尺度。那時(shí)的能量密度可以高達(dá)1013GeV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何地面上大型粒子對(duì)撞機(jī)的能標(biāo)。所以，暴脹本身可以被看作是一個(gè)天然的高能物理實(shí)驗(yàn)室。借助于越來越精確的宇宙學(xué)觀測(cè)，我們可以提取出遠(yuǎn)古時(shí)期遺留下來的“化石”信號(hào)，進(jìn)而探知那時(shí)的新物理。

這一思路最直觀的呈現(xiàn)是一類被稱作為“宇宙學(xué)對(duì)撞機(jī)” （Cosmological Collider） 的原初信號(hào)[5, 6]注3。在此理論構(gòu)想中，暴脹期間高能粒子 （如圖2中的紫線） 的存在影響了原初擾動(dòng)的“形狀”，在其三點(diǎn)關(guān)聯(lián)中留下特征印記并一直保留至今天。其想法類似于地面上的加速器，只不過粒子的對(duì)撞發(fā)生在宇宙嬰兒時(shí)期，而探測(cè)的信號(hào)變成了源自宇宙深處的古老光子。

圖4. 宇宙學(xué)對(duì)撞機(jī)概念示意圖。早期暴脹中的粒子“對(duì)撞”在宇宙尺度的物質(zhì)分布中留下特殊的“形狀”；而在天文觀測(cè)中（如圖中的普朗克衛(wèi)星微波背景輻射數(shù)據(jù)），人們可以尋找這些遠(yuǎn)古痕跡，進(jìn)而探知那些極高能粒子的質(zhì)量和自旋等物理信息。

在宇宙學(xué)對(duì)撞機(jī)的研究中，自展法帶來的理論突破發(fā)揮了重要的指引作用。因?yàn)樯婕暗奖┟浧陂g的重粒子，傳統(tǒng)的時(shí)間演化計(jì)算非常復(fù)雜，通常只能得到近似的結(jié)果。而自展法本身就是一套強(qiáng)大的解析計(jì)算工具，讓我們第一次可以求解出宇宙學(xué)對(duì)撞機(jī)信號(hào)的嚴(yán)格解析預(yù)言。近幾年，筆者和合作者一起，用自展法考察了宇宙學(xué)對(duì)撞機(jī)的種種可能性[8, 9]，并推導(dǎo)出了一套完整的解析結(jié)果。因?yàn)椴辉僖蕾囉诰唧w模型，自展法還為這些宇宙學(xué)關(guān) 聯(lián)函數(shù)中的特征信號(hào)提供了系統(tǒng)的分類，極大豐富了暴脹理論的預(yù)言。

或許有人會(huì)說，理論很有趣，但宇宙學(xué)對(duì)撞機(jī)真的有可能被探測(cè)到嗎？在實(shí)際天文觀測(cè)中尋找極為微弱的百億年前的信號(hào)，聽上去像是天方夜譚。

永遠(yuǎn)不要低估科學(xué)發(fā)展的速度，更何況宇宙學(xué)本身正處于大發(fā)現(xiàn)的黃金年代！借助于自展法給出的完整理論預(yù)言，我們已經(jīng)可以在現(xiàn)有的天文觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中尋找宇宙學(xué)對(duì)撞機(jī)的信號(hào)。最近，普林斯頓的宇宙學(xué)家Matias Zaldarriaga及其合作者已利用BOSS星系巡天數(shù)據(jù)對(duì)此類預(yù)言進(jìn)行了觀測(cè)檢驗(yàn)[10]。同時(shí)，筆者與劍橋大學(xué)的觀測(cè)宇宙學(xué)同事合作，首次利用普朗克衛(wèi)星的微波背景輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行探測(cè)[11]。經(jīng)過系統(tǒng)的掃描和篩選，我們?cè)谄绽士说臄?shù)據(jù)中找到了置信度約為2個(gè)sigma的疑似信號(hào)。這究竟是真實(shí)的高能粒子信號(hào)，還是觀測(cè)數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計(jì)漲落？只有未來進(jìn)一步的檢驗(yàn)才能確定。但作為初步的分析，不得不說此結(jié)果已經(jīng)超出預(yù)期。

這一鼓舞人心的進(jìn)展當(dāng)然得益于宇宙學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析上日新月異的新技術(shù)。在未來十年里，新的微波背景輻射實(shí)驗(yàn)即將開始高精度觀測(cè)，如國內(nèi)的西藏阿里CMB觀測(cè)項(xiàng)目，國際上的西蒙斯天文臺(tái)和CMB-S4等；同時(shí)，還有多個(gè)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)觀測(cè)實(shí)驗(yàn) （比如SphereX、Euclid、LSST等） 即將啟動(dòng)。這些項(xiàng)目帶來的海量數(shù)據(jù)無疑可以顯著提升觀測(cè)精度，使得真正發(fā)現(xiàn)宇宙學(xué)對(duì)撞機(jī)中的重粒子信號(hào)成為可能。

在稍微遙遠(yuǎn)一些的未來，天文學(xué)家有希望探測(cè)到宇宙早期星系形成之前的中性氫射電信號(hào)。此類信號(hào)十分微弱，但在宇宙中廣泛存在，因其特征波長約為21厘米又被稱作21厘米線。它們可以幫助我們繪制宇宙黑暗時(shí)間物質(zhì)分布的詳細(xì)地圖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙學(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)的精密測(cè)量，是窺探暴脹理論預(yù)言的絕佳窗口。因此未來對(duì)21厘米線的觀測(cè)可以極大地推動(dòng)宇宙學(xué)的發(fā)展。借此，我們也許不僅僅可以探測(cè)嬰兒宇宙時(shí)期的高能新物理，甚至能最終揭開時(shí)間起源的奧秘。

說到這兒，我們的漫談也該告一段落了。最后，讓我們來發(fā)散思維，暢想一下一百年后的基礎(chǔ)物理研究：那時(shí)，人類對(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和時(shí)空本性有了更為深入的了解，但需要新的實(shí)驗(yàn)裝備對(duì)高能理論進(jìn)行檢驗(yàn)。那時(shí)，我們的后代應(yīng)該像科幻小說中描繪的一樣去搭建太陽系尺度的巨型對(duì)撞機(jī)嗎？

也許，月球背面的21厘米線觀測(cè)陣列是個(gè)更值得考慮的選擇 : )

注釋

1. 關(guān)于Bootstrap一詞的翻譯，其本意為靴子后面的提鞋帶，因?yàn)橛⒄Z中的一句習(xí)語“Pull yourself up by the bootstrap”（不依賴外界幫助，拽著鞋帶把自己提起來）而廣為人知。起初這句話意在諷刺荒唐可笑的不可能之事，但后來其含義莫名變得勵(lì)志起來：無論多么困難，你都可以依靠自己而成功。在理論物理中，Bootstrap一般翻譯為“自舉”（Self-lifting），意為物理規(guī)律可以由最基本的原理和理論自洽性來完全確定，不需要額外的幫助。同樣，Cosmological Bootstrap可翻譯為“宇宙學(xué)自舉”，亦可翻譯為“宇宙自展”（Self-emerging）。因其在概念上與“時(shí)間涌現(xiàn)”（the Emergence of Time）緊密相連，本文采取后一種翻譯，取“展開”、“呈展”之意。

2. 這五組物理學(xué)家是：穆哈諾夫（Viatcheslav Mukhanov）和奇比索夫（Gennady Chibisov）；霍金（Stephen Hawking）；斯塔羅賓斯基（Alexey Starobinksy）；古斯（Alan Guth）和皮（So-Young Pi）；巴丁（James Badeen），斯泰恩哈特（Paul Steinhardt）和特納（Micheal Turner）。其中穆哈諾夫和奇比索夫未參加劍橋Nuffied研討會(huì)。

3. 宇宙學(xué)對(duì)撞機(jī)的概念在2015年由Nima Akani-Hamed和Juan Maldacena提出[5]。值得注意的是，哈佛大學(xué)的陳新剛老師和香港科技大學(xué)的王一老師在2009年的文章[6]為此概念的發(fā)展提供了非常重要的奠基性貢獻(xiàn)。清華大學(xué)的鮮于中之老師對(duì)此新興方向也進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的探索[7]。

參考文獻(xiàn)

[1] N. Arkani-Hamed, D. Baumann, H. Lee, and G. L. Pimentel, “The Cosmological Bootstrap: Inflationary Correlators from Symmetries and Singularities,” JHEP 04 (2020) 105.

[2] D. Baumann, D. Green, A. Joyce, E. Pajer, G. L. Pimentel, C. Sleight, and M. Taronna, “Snowmass White Paper: The Cosmological Bootstrap,” in 2022 Snowmass Summer Study. 3, 2022.

[3] N. Arkani-Hamed, D. Baumann, A. Hillman, A. Joyce, H. Lee, and G. L. Pimentel, “Kinematic Flow and the Emergence of Time,” arXiv:2312.05300 [hep-th].

[4] N. Arkani-Hamed, D. Baumann, A. Hillman, A. Joyce, H. Lee, and G. L. Pimentel, “Differential Equations for Cosmological Correlators,” arXiv:2312.05303 [hep-th].
[5] N. Arkani-Hamed and J. Maldacena, “Cosmological Collider Physics,” arXiv:1503.08043 [hep-th].
[6] X. Chen and Y. Wang, “Quasi-Single Field Inflation and Non-Gaussianities,” JCAP 04 (2010) 027.

[7] X. Chen, Y. Wang, and Z.-Z. Xianyu, “Standard Model Background of the Cosmological Collider,” Phys. Rev. Lett. 118 (2017) no. 26, 261302.
[8] G. L. Pimentel and D.-G. Wang, “Boostless cosmological collider bootstrap,” JHEP 10 (2022) 177.
[9] D.-G. Wang, G. L. Pimentel, and A. Achucarro, “Bootstrapping multi-field inflation: non-Gaussianities from light scalars revisited,” JCAP 05 (2023) 043.
[10] G. Cabass, O. H. E. Philcox, M. M. Ivanov, K. Akitsu, S.-F. Chen, M. Simonovic, and
M. Zaldarriaga, “BOSS Constraints on Massive Particles during Inflation: The Cosmological Collider in Action,” arXiv:2404.01894.

[11] W. Sohn, D.-G. Wang, J. Fergusson, E. P. S. Shellard, “Searching for Cosmological Collider in the Planck CMB Data,” arXiv:2404.07203.

出品：科普中國