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      宇宙大爆炸，这个名字很容易让人把它误会成是一个类似炸弹爆炸的过程，但实际上，这两个过程是完全不同的。“大爆炸”首先表现在空间自身就发生了一次剧烈的膨胀过程，但这种膨胀并不是在已有空间上的扩展，而是空间自身剧烈产生增加的过程。今天把这段剧烈膨胀的过程称之为：暴胀（Inflation）。

    在这个暴胀过程中，我们宇宙的空间自身膨胀了约10的26次倍。以日常经验来看，这是一个不可思议、非同寻常的过程。那么我们又是如何知道这个过程存在过呢？前面的第15集(在B站或头条搜索“川山洞主”可看)详细介绍了它存在过的依据。而这一集要回答的是：这个非同寻常的暴胀过程是如何实现的。

什么力量在推动着宇宙暴胀？

首先，要想实现这个剧烈的膨胀过程，在当时的宇宙中  需要存在一种极强的排斥力量，推动空间的膨胀。当时主宰宇宙的力量主要是引力。所以，在当时的宇宙中，到底存在着什么样的物质或者能量，它们产生的引力能够表现为极强的排斥力。对于多数人来言，对引力最熟悉的认识  就是苹果受到地球的吸引作用。但是，如果物质不是像地球一样成球状分布，而是在整个空间中均匀分布的话，那么，牛顿的引力公式还有效吗？多年之后，爱因斯坦发现：在这种情况下，牛顿的计算公式并不完整，因为压强也会产生引力，它也是引力的来源。

当压强远远小于零的时候，引力就能表现为极强的排斥力。所以，暴胀过程要想得以实现，当时的宇宙中应该存在着一种压强远远小于零的“物质”或能量。另外，整个暴胀过程需要持续一段时间，所以在这段时间内，这种“物质”或能量的压强和密度应当保持不变。最后，在暴胀结束的时候，这种极强的排斥力应该消失，所以引力不能再表现为极强的排斥力，这就要求这种“物质”或能量的压强，在暴胀结束后，不能再是远远小于零，而是要转变为接近于零，甚至是大于零。

所以，暴胀过程到底是如何实现的，需要回答的问题变成了：当时的宇宙中，到底存在着什么样的“物质”或能量，满足：

1、在暴胀过程中，压强远远小于零，并且密度和压强保持不变；

     2、但在暴胀结束后，压强又转变为不再是远远小于零。

在今天，我们把满足这些条件的“物质”称之为：暴胀子。那么，这些暴胀子到底又是什么呢？

暴胀子到底又是什么

    对于这个问题，在上个世纪70年代末到80年代初，当时世界上最聪明的大脑开始了思考。对于第一个要求，他们很快就想到了一个候选者。这个候选者就是真空态的压强和密度。因为早在很久之前，在量子物理学的研究成果中，我们早已知道，真空态的压强正好等于它的能量密度的负数。另外，由于真空态是最稳当的状态，所以真空态的压强和能量密度是保持不变的。这样，如果暴胀子的真空态的能量密度非常大的话，真空态产生的引力就是极强的排斥力，它就可以导致暴胀过程的发生。

为了更好地理解这个结论。我们需要单独再介绍一下，在量子物理学中，真空态到底是什么。

***********真空态到底是什么***********

    在量子物理中，所谓的真空态并不是指什么都没有的状态，而是指最稳定的状态，而最稳定的状态也就是能量密度最低的状态。但是能量密度最低并不意味着能量密度就一定等于零。如果暴胀子存在自相互作用，也就是暴胀子会与自己产生相互作用，那么暴胀子真空态的能量密度就不等于零。因为就像重力的相互作用会产生重力势能一样，暴胀子的自相互作用也会导致暴胀子具有了势能。由于这个的势能的存在，真空态的能量密度——也就是能量密度最低值，就不再等于零，而是等于这个势能密度的最小值。

   势能是一种由于相互作用所产生的能量，比如大家最熟悉的就是重力相互作用产生了重力势能。并且势能大小的分布情况完全取决于相互作用力是什么样子的。不同的相互作用力产生势能大小的分布情况是不一样的。

所以，对于暴胀子，可以通过构造暴胀子的自相互作用的方式，让它产生的势能密度大小的分布曲线正好具有下图中的形状。根据前面对真空态的解释，当暴胀子具有这样的自相互作用之后，那么它的真空态的能量密度大小，或者等于势能密度的第一个最小值，或者等于势能密度的第二个最小值。

***********真空态推动宇宙发生暴胀********

可是，为什么要如此构造暴胀子的自相互作用，让真空态的能量密度具有这两种大小呢？目的就是为了让暴胀子的这两种真空态分别满足前面提到的两个条件。也就是说：当暴胀子处于第一种真空态，能量密度等于第一个最小值的时候，并且再要求这个最小值非常大，那么这种真空态的压强就远远小于零，它产生的引力就表现为极强的排斥力，从而推动空间发生暴胀，让暴胀过程开始。当暴胀子处于第二种真空态，也就是能量密度等于第二个最小值的时候，并且再要求这个最小值非常小，那么这种真空态的压强接近于零，它产生的引力不再表现为极强的排斥力，那么暴胀过程就停止

不过这个完美的方案还缺少最后一个重要的环节。那就是暴胀如何从进行的过程中变为停止，这相当于在问：暴胀子如何从第一种真空态转变为第二种真空态？对于这个问题，阿兰·古斯给出的答案是：这个转变过程由量子隧穿效应来完成的。对于暴胀过程到底是如何实现的，这个关乎宇宙如何起源的重大问题，阿兰·古斯斯最先提出了这套解释方案。

不过，阿兰·古斯的方案刚被公布出来，就立即遭到当时其他顶尖人物的反对，比如大名鼎鼎的霍金和温伯格。他们发现阿兰·古斯的方案还存在很多问题。第一个问题来自于：根据量子隧穿效应的特性，从第一种真空态转变为第二种真空态的量子隧穿过程，只会以一定的概率随机发生，而不是必定会发生。这种随机发生的结果就会导致：在空间的某些区域，量子隧穿过程出现了，也就是暴胀子已经从第一种真空态转变成了第二种真空态，这些区域内暴胀过程已经结束了；但在空间的另外一些区域，量子隧穿过程并没有发生，暴胀子仍然处于第一种真空态，暴胀过程仍然还在继续。换句话说，暴胀过程在不同空间区域的持续时间是不相同的，有些区域持续时间长，有些区域持续时间短。这个结果最终会形成一个不均匀的宇宙，这与我们今天观测到的结果  是矛盾的。

另外，阿兰.古斯的方案还存在一个漏洞：该方案没有考虑真空态的量子涨落效应。真空量子涨落让真空态的能量密度出现了微小的不均匀性。也就是说：真空量子涨落让真空的能量密度并不是正好严格等于势能密度的最小值，而在最小值附近的一个范围内随机分布。

“慢滚”暴胀方案

为了克服阿兰·古斯方案的这些问题，安德烈·林德和斯泰恩哈特，分别同时提出了改进方案。林德他们的方案是：重新构造暴胀子的自相互作用，让势能密度的分布曲线改为下图中的形状。和阿兰·古斯方案类似，势能密度的这两个最小值对应的是暴胀子两种真空态能量密度的大小。同样，暴胀子的第一种真空态产生极强的排斥力，让暴胀开始进行。暴胀子的第二种真空态产生的引力不再表现为极强的排斥力，让暴胀结束。同样，剩下的问题就是：如何让暴胀子从第一种真空态转变成第二种真空态，从而让暴胀结束。这一次，林德他们提出了新的解决方案。

在考虑了真空的量子涨落效应之后，第一个真空态的能量密度并不是严格处于势能密度的第一个最小值，而是在这个最小值附近随机分布。所以由于这种随机分布的原因，在空间中就存在着某一个区域。在这个空间区域内，真空态的能量密度，就刚好等于分布曲线上红色点处势能密度的大小。

这个空间区域内真空态的压强，产生的引力推动着这个空间区域，开始剧烈膨胀，暴胀过程开始进行。

随后，该空间区域的真空态的势能密度，会沿着分布曲线向左“缓慢”改变，逐渐变化成左边红色点的那个状态。真空态之所以会发生这种改变，其原因在于：这段分布曲线左边的势能密度更低一点，而暴胀子的状态总是倾向于  往势能密度更低的状态改变。但由于这段分布曲线的倾斜度很小，几乎是水平的，从而在这个变化过程中，暴胀子的势能密度的降低程度是非常非常小的，几乎近似为保持不变的。也就是说：暴胀子仍然处于稳定不变的状态。所以根据前面对真空态的解释，在此改变过程中，该空间区域中的暴胀子仍然近似处于真空态。这样，在势能密度向左“缓慢”变化的过程中，该空间区域一直处于真空态，那么它的压强产生的引力，就会一直推动该空间区域发生暴胀。

在此之后，暴胀子的状态会继续向势能密度更低的状态改变，由于接下来的这段分布曲线是陡峭下降的，所以这段改变过程不再是“缓慢”的，而是“快速”的。也就是说：能量密度在此过程中发生了“快速”变化，所以暴胀子不再是处于稳定不变的状态。这样根据前面对真空态的解释，在这段改变过程中，暴胀子不再是处于真空态，而是转变为了非真空态，也就是说，在该空间区域内出现了“暴胀子粒子”。由于暴胀子不再处于真空态，那么压强就不再是小于零，这样引力也就不再表现为极强排斥力，从而暴胀过程在该空间区域内就结束了。

这个从第一种真空态“移动”到第二种真空态的过程，就是林德他们提出的改进方案。与阿兰·古斯的方案相比，这个方案中的暴胀过程的结束方式显得更加自然。并且暴胀过程的持续时间长短是可以调节的。也就是说：暴胀子的状态，从分布曲线的右边“移动”到左边的时间长短，是可以通过改变这段分布曲线的长度来调节的。这样，就可以通过这种调节让该空间区域处于真空态的时间足够长，从而让暴胀的持续时间足够长，使得该空间区域能够膨胀成我们的宇宙这么大。也就是说：我们所处的这个宇宙就是从这块空间区域暴胀出来的。由于它是只从一块区域膨胀出来的，这样就不会形成一个不均匀的宇宙。

通过这些改进，林德他们的方案很好地避免了阿兰·古斯的方案会面临的问题。在今天，这个解释方案被称为：“慢滚”暴胀。在阿兰·古斯的方案中，两种真空态之间的转变是瞬间完成的。相比之下，在林德他们的方案中，两种真空态之间转变过程就显得非常“缓慢”，尽管这个过程也仅仅只持续了10的负36方秒。所以，暴胀子到底是什么，现在有了两套解释方案，而第二套方案成为了今天的主流方案。

不过，事情到此为止还没有结束。林德他们的“慢滚”暴胀方案，仅仅告诉了我们，暴胀子的自相互作用产生的势能密度分布曲线应该是什么形状的。但它还没有告诉我们，应该从哪里、以及如何推导出暴胀子的这种自相互作用。所以，剩下的任务就是：如何从已有的物理规律、理论基础出发，推导出正好具有这种自相互作用的暴胀子来。

Strarobinsky暴胀模型

斯塔罗宾斯基，在1980年，通过对引力的修正，得到了一种暴胀子。这种暴胀子的自相作用非常好地满足了“慢滚”暴胀方案的要求。在今天，这种暴胀子就被称之为：Strarobinsky暴胀模型。很快，其他人也基于不同物理理论基础，构造出了各种各样暴胀子，它们都满足“慢滚”暴胀方案的要求。每一种暴胀子都是“慢滚”暴胀方案的一次具体实现，每一个具体的实现就被称为一种暴胀模型。在过去的40年里，已经有几十上百种的暴胀模型被不同的人提出了，而这些暴胀模型都可以回答，宇宙诞生之后的这个剧烈膨胀阶段是如何做到的。

“慢滚”暴胀方案，以及各种暴胀模型的提出，在我们人类探索认识宇宙的过程中，具有标志性的意义。因为它标志着：对宇宙刚刚诞生时候极早期阶段的认识，我们从过去只能定性分析的时代，已经进入了可以定量计算的时代。

能取得这些成就，当然要感谢这些顶尖人物的开创性工作。到今天为止，已经有大量的科研工作者对“慢滚”暴胀方案进行了研究，发表了上万篇的研究论文。之所以有这么多人对它进行持续不断的研究，原因在于“慢滚”暴胀方案不仅可以回答暴胀过程是如何做到的，而且它还顺带回答了我们的宇宙如何起源的，这个重大问题。

解决宇宙起源的问题

首先，在最开始谈过，在暴胀过程中，真空态的能量密度是不变的。能量密度不变，空间体积却在剧烈增加，所以，暴胀过程就是大量能量产生的过程。

那么能量还守恒吗，在第28集详细谈到过(在B站或头条搜索“川山洞主”可看)，当物质的压强小于零的时候，在空间膨胀过程中，压强通过做负功的方式不断从时空自身中“提取”能量。而当压强正好等于能量密度的负数的时候，这些从时空自身中“提取”出能量，就正好能够让真空的能量密度保持不变。能量仍然是守恒的。所以，暴胀过程回答了宇宙起源的一个重要问题，那就是：宇宙中物质的能量是从哪里来的。“慢滚”暴胀方案给出的答案是：这些能量都是在暴胀过程中，从时空自身中“提取”出来的。

另外，“慢滚”暴胀方案还解决了，宇宙诞生时密度需要无限大的难题，由于在这个暴胀过程中，能量密度是保持不变的。所以在宇宙诞生时，密度不需要是无限大的。还有，根据“慢滚”暴胀方案，在暴胀结束时，暴胀子不再处于真空态，而是处于非真空态，也就是说在暴胀结束时，宇宙中充满了“暴胀子粒子”。这些“暴胀子粒子”接下来通过快速衰变，产生出了我们熟悉的普通物质的基本粒子。所以“慢滚”暴胀方案还回答了普通物质是如何起源的问题。

不仅如此，在第十二集谈到过（在B站或头条搜索“川山洞主”可看），在宇宙演化的后期，物质分布在小尺度上是不均匀的，正是这些不均匀性最后演化出了星系和恒星。这些不均匀性也存在自身的结构和特点。那么，这些不均匀性又是如何起源的呢？也就是说：星系形成的“种子”是如何起源的，“慢滚”暴胀方案也给出满意的回答。关于这个问题，下一集将会详细介绍。

  在今天，“慢滚”暴胀方案已经取得了巨大的成功，那么，我们是否已经有观测证据   能够验证这个方案了呢？另外，“慢滚”暴胀方案是否也存在着缺陷和漏洞呢？下一集将会详细介绍。