撰文戴维·凯泽（David Kaiser）
翻译孙正凡
审校向守平
粒子是物质的最小单元，宇宙则是包罗万象的最大结构，粒子如何决定宇宙的形状和命运，正是当今物理学中最热门的领域之一 ——粒子宇宙学（Particle cosmology）的研究课题。近年来，美国能源部、美国国家科学基金会（NSF）和美国航空航天局（NASA）已在该领域投入了5亿多美元的巨额资金。在理解高能粒子相互作用如何在宇宙初始时刻搅动乾坤，并对其后几十亿年的宇宙演化有何影响等方面，科学家们已经取得了长足的进展。
粒子宇宙学取得的巨大成就令人刮目相看，但在30年前，这一研究领域还不存在。在1975年以前，粒子物理学和宇宙学还是相互独立的研究领域（在美国尤其如此），没有几个科学家会认为，一个领域内的发现能够推动另一个领域的研究进展。
粒子宇宙学又为何会兴起呢？在20世纪70年代中期，研究人员认识到，早期宇宙提供了独一无二的环境，让他们有机会研究实验室中无法重现的高能物理现象。此外，资金扶持和物理教学方面的一系列变革，也将宇宙学研究推向了前台。粒子宇宙学的迅速兴起表明，政府预算、教育机构，甚至教科书的出版，都可以大幅度改变科学研究的方向。这一时期的历史也表明，当研究人员离开熟悉的领域去应对新的挑战时，科学可以获得巨大的收益。
为了更好地讲述这段历史，我们必须先了解两个科学理论体系的命运，它们分别是引力论专家引入的布兰斯–迪克场（Brans-Dicke field）和粒子物理学家苦苦追寻的希格斯场（Higgs field）。这两个体系的创立，都是为了回答20世纪50年代末和60年代初，困扰许多科学家的一大难题：为什么物体会有质量。尽管这两个理论没能促使粒子物理学和宇宙学实现统一，但它们的发展历程却展示了这两个科学分支实现交叉的过程。
两个φ场的故事
为了解释质量的起源，两大领域的研究人员各自提出了一套理论。每套理论都引入了一个φ场，两者之间具有十分明显的相似性。然而两大领域之间泾渭分明的界线，却让物理学家对这种相似性几乎一无所知。
质量似乎是物质显而易见的性质，甚至有人觉得它根本无须解释。然而，找到关于质量的理论描述，让它能与现代物理学中的其他理论协调一致，并不是一项简单的工作。
引力论和宇宙学专家是从马赫原理（Mach"s principle）入手解决这一问题的。马赫原理以奥地利物理学家、哲学家恩斯特·马赫（Ernst Mach）的名字命名，是对牛顿理论的一个著名的质疑，也给年轻的爱因斯坦提供了灵感来源。它大致可以表述如下：一个物体的质量（即改变物体运动状态时所遇阻碍的大小）最终取决于该物体与宇宙中其他物质的引力相互作用。这一原理引起了爱因斯坦的兴趣，并激发了他的灵感，不过他提出的广义相对论最终与马赫原理并不一致。
为了将马赫原理纳入引力理论，引力论专家假设了一个新的标量场（scalar field，这种场在任何一个时间和空间坐标上都可以用一个数值来表示，与它相对的矢量场则需要多个数值来表示），它能与所有的物质发生相互作用。1961年，美国普林斯顿大学的研究生卡尔·布兰斯（Carl Brans）和他的导师罗伯特·迪克（Robert Dicke）指出，在爱因斯坦的广义相对论中，引力的大小取决于牛顿万有引力常数G。按照爱因斯坦的想法，无论是在地球上，还是在最遥远的星系中，G都具有相同的数值，而且不会随时间改变。布兰斯和迪克提出了另外一种见解：如果牛顿万有引力常数随时间和空间改变，马赫原理就可以与广义相对论相容。他们引入了一个与牛顿万有引力常数成反比的场，即所谓的φ场，并把爱因斯坦引力方程中的G替换为1/φ。
根据布兰斯-迪克理论，物质除了像通常的广义相对论所描述的那样，会受到时空曲率的影响以外，还会受到局部引力强度变化的影响（参见右页插图上图）。φ场弥漫于整个空间，它的性质有助于确定物质如何在时空中运动。因此，任何对物体质量的测量都依赖于φ场的局部取值。这个理论非常具有说服力，美国加州理工学院基普·索恩（Kip Thorne）领导的引力研究小组成员甚至开玩笑说，他们每周一、三、五相信爱因斯坦的广义相对论，每周二、四、六相信布兰斯-迪克引力理论。（星期天他们则是不可知论者。）
在粒子物理学家眼中，质量问题以另一种不同的形式表现出来。（当时粒子物理学家的人数远远多于引力论专家的人数。）自20世纪50年代开始，理论物理学家就发现，他们可以在支配亚原子粒子行为的方程上增加一些特殊的对称性，用这种方式来描述核力（nuclear force）的作用。然而，方程中通常用来表示粒子质量的项，却会破坏这些特殊的对称性。对于传递弱核力（weak nuclear force，导致放射性衰变的核力）的W和Z玻色子而言，两者之间的矛盾尤为突出。按照对称性的要求，这些相互作用粒子的质量应该为零，因此核力的作用范围应该是无限大——举例来说，就算两个质子分别位于星系的两边，它们之间仍然应该存在核力作用。然而，这么长的作用范围显然违背观测事实：核力在超过原子核大小的距离上会迅速衰减。只有当相互作用粒子具有一定的质量时，理论预言的核力作用范围才会与观测事实相符。
许多物理学家当时都专注于这一难题，试图建立一个既能表示核力的对称性，又能容纳有质量粒子的理论。1961年，当时还在英国剑桥大学的杰弗里·戈德斯通（Jeffrey Goldstone）注意到，方程的解无须遵从方程本身所具有的对称性。他引入了一个标量场（恰巧也用φ来表示）来说明他的想法。当φ值等于-v和+v时，这个标量场的势能密度V(φ)降至最低点（见右页插图下图），整个系统能量也在这里达到最低，因此φ场将停驻在其中一点上。尽管两处的势能大小完全一样，方程仍然是对称的，但φ场最终只能停驻在一个点上，不是-v就是+v，因此方程的解便自然而然地破坏了对称性。（这个过程被称为自发对称性破缺。）
1964年，英国爱丁堡大学的彼得·希格斯（Peter Higgs）进一步研究了戈德斯通的工作，发现一个具有自发对称性破缺的理论允许有质量粒子的存在。当各类粒子（包括产生弱核力的W和Z玻色子）与φ场发生相互作用时，便会产生质量。希格斯证明，支配这些相互作用的方程能够遵从所有必要的对称性。在φ场停驻在势能最小值以前，这些粒子可以轻快地移动，不受任何阻碍。一旦φ场停驻在+v或-v，它就会对所有的粒子施加影响，让这些亚原子粒子“身陷泥沼”。换句话说，这些传递相互作用的粒子（包括电子之类的普通物质）开始表现出质量，对它们的质量所作的任何测量都依赖于φ场的局部取值。
布兰斯 -迪克和希格斯的论文先后在同一本刊物——《物理学评论》（Physical Review）上发表。两篇文章很快就广为人知，现在都已跻身被引用次数最多的物理学论文之列。它们都引入了一个能与所有物质相互作用的新标量场，以此解释质量的起源。它们的观点十分相似，发表之后也都迅速引起关注，也许有人会认为，物理学家应该对两篇文章进行横向比较。但是，这样的比较几乎没有发生过。从1961年到1981年，引用过布兰斯–迪克论文或希格斯论文的文章多达1,083篇，其中只有6篇文章同时引用了这两篇论文，所占比例不足0.6%。（同时引用两者的第一篇文章出现在1972年，其余的则发表于1975年之后。）当时粒子物理学和引力及宇宙学之间泾渭分明的界线，由此可见一斑：两个领域中的物理学家彼此之间几乎一无所知。
两大领域的交融
研究取得的进展，让粒子物理学家有了研究早期宇宙的理由。物理学研究经费的大幅缩减，也迫使美国各高校改革教育课程，让粒子物理学专业的学生学习其他领域的课程。这为粒子物理学和宇宙学的交融奠定了基础。
显然，这两个领域的研究人员在各自的φ场中看到了不同的东西。对于引力论及宇宙学专家而言，布兰斯–迪克场（以下简写为φBD）令人兴奋的地方在于，它提供了一种与爱因斯坦广义相对论不同的引力理论；对粒子物理学家来说，希格斯场（以下简写为φH）令人兴奋的地方在于，这种理论有希望解释有质量粒子之间的核力的性质。在20世纪70年代中期以前，没有人想到φBD和φH在物理上可能是相似的，值得放在一起加以考察。
在布兰斯、迪克、戈德斯通和希格斯引入他们各自的φ场时，在美国的科学界，粒子物理学与宇宙学之间的隔阂十分明显。1966年，美国科学院物理学评述委员会（Physics Survey Committee）在一份政策报告中建议，对粒子物理学领域的资助和博士生培养的数量应在未来几年内加倍，而对人数本来就很少的引力论、宇宙学和天体物理学领域则没有提出任何实质的扩充要求。此外，尽管当时苏联出版的一些引力论教科书中提到了关于核力的思考，美国的教科书中却没有任何学科交叉的内容。
不过，到了20世纪70年代末，物理学研究环境出现了急剧变化。回顾粒子宇宙学的迅速崛起，物理学家总是会提到促进两个学科领域融合的两大重要进展：1973年发现的渐近自由（asymptotic freedom），以及1973和1974年建立的第一个大统一理论（grand unified theory）。渐近自由指的是相互作用（例如核力）的强度随着粒子能量的增加而降低的现象。这一现象与描述粒子相互作用的一些理论矛盾，因为其他大部分作用力在这种情况下通常应该增强。渐近自由的发现，让理论物理学家首次具备了精确而可靠地计算强核力（strong nuclear force，将夸克束缚在质子和中子等核子之中的核力）等现象的能力，只要他们将计算范围限定在超高能区域（远远超出实验所能达到的高能区）。
大统一理论的建立，同样将科学家的注意力引向了超高能区域。粒子物理学家注意到，随着粒子能量的增加，三种基本作用力（电磁力、弱核力和强核力）的强度会趋近相同。理论物理学家假设，只要粒子的能量足够高，这三种作用力就会统一成同一种作用力。要想实现三种作用力的统一，粒子的能量必须超过一个天文数字——大约1024电子伏特，这比粒子加速器所能达到的最高能量还要大万亿倍。大统一所需的能量在地球实验室中永远不可能达到，但是一些研究人员意识到，如果整个宇宙始于一场大爆炸的话，在宇宙历史的早期，粒子就应该具有极高的平均能量。
随着渐近自由和大统一理论的出现，粒子物理学家终于有了研究早期宇宙的理由：大爆炸的最初时刻就像一台“穷人的加速器”，能够让他们观测到地球上不可能重现的超高能相互作用。许多科学家、科学记者、哲学家和历史学家指出，这就是粒子宇宙学迅速兴起的原因。
但是，粒子理论的进展固然重要，它还不足以解释粒子宇宙学这一新兴学科分支的成长。首先，两者在时间上就有些脱节。在全球科学界，涉及宇宙学的论文发表数量在1973年之前就出现了迅猛增长，而且增长速率与渐进自由和大统一理论的论文增长速率完全无关（参见前一页的插图）。此外，直到20世纪70年代末和80年代初，大统一理论才开始受到关注，此前甚至连理论粒子物理学家也很少注意这一理论。1978年到1980年间发表的、有关新兴的粒子宇宙学的3篇综述性文章，都没有提到渐近自由和大统一理论。
仅有新的思想，还不足以铺平粒子宇宙学的成长道路，政府投入和教育系统的转变也在其中扮演了重要角色。在20世纪60年代中期以前，美国的物理学家一直受益于“冷战泡沫”（cold war bubble），当时美国联邦政府在教育、国防和科研方面的资金投入非常慷慨。但从20世纪60年代末开始，反越战示威、冷战的解冻和“曼斯菲尔德修正案”（Mansfield Amendment，该修正案要求国防部停止对与国防需要无关的任何基础研究拨款）的通过，引发了预算的大幅削减，给美国物理学界带来了一场浩劫。当时，几乎所有的科学及工程学领域都出现了衰退，而物理学比其他领域衰落得更快，幅度也更大。物理学博士的毕业数量直线下降，1970年到1975年间下降的速度，几乎与第一颗人造卫星上天之后卫星数量的激增一样迅速。
物理学得到的联邦政府资助也陡然下降，在1967年到1976年间减少了1/3以上（以不变美元计算）。20世纪50年代到60年代中期，在美国物理协会举办的就业招聘会上，物理系学生总是供不应求，可供选择的工作岗位数量远高于求职的学生人数。但就业前景很快就变得残酷起来：1968年，989名学生竞争253份工作；到了1971年，则是1,053名学生拼抢53个职位。
当时，粒子物理学受到的打击最为严重：从1970年到1974年，美国联邦政府对该领域的资助减少了一半。人才的迅速流失也难以阻止：1968年到1970年间，离开粒子物理学领域的美国研究人员数量，是进入该领域的研究人员的两倍。1968年到1975年间，新获得粒子物理学博士学位的人数下降了44%，是物理学所有分支学科中下降最快的。不过与此同时，天体物理和引力论的命运却开始好转。20世纪60年代中期，包括类星体（quasar）、脉冲星（pulsar）和宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background radiation）在内的一系列重大发现，可能是这一领域由冷转热的部分原因。该领域内新的博士学位获得者人数从1968年到1970年增长了60%，1971年到1976年又增长了33%。与此形成鲜明对比的是，同一时期物理学新博士的总数仍在急剧下滑。
美国科学院物理学评述委员会在调查了这场“灾难”之后，于1972年发布了一份新的报告，强调了粒子物理学遭遇的困境。评述委员会指出，由于“专业面狭窄”，该领域的许多年轻理论学家很难转换研究方向，涉足其他“热门”研究领域。这份报告敦促美国全国的物理系，对粒子物理学理论人才的培养方式进行改进：“大学有责任让他们最有才华、最有能力的学生，具备进入物理学各分支领域从事研究工作的能力。”大学课程的改革很快就跟了上来，目的是拓宽研究生对物理学其他领域的接触面——引力论和宇宙学是其中倍受重视的领域。美国各地的大学物理系也纷纷开设了相关专业的课程。引力论和宇宙学在被忽视了几十年之后，重新登上了舞台的中心。美国各家出版社也随即推出了大量相关领域的教科书，以满足突然增加的需求。
粒子宇宙学的成长
粒子物理学遭受的严重打击，迫使越来越多的粒子物理学家开拓眼界，闯入了正在蓬勃兴起的宇宙学领域，粒子宇宙学也由此发展壮大。
这些突然的变化也影响了物理学家对布兰斯-迪克场和希格斯场的看法。1979年，在将近20年里没有人在同一篇论文中提到这两个场，没有人考虑过它们的物理相似性之后，两位美国物理学家几乎同时提出，φBD和φH可能就是同一个场。当时，美国宾夕法尼亚大学的徐一鸿（Anthony Zee）和美国哈佛大学的李·斯莫林（Lee Smolin），在各自的论文中都把两个关键的φ场整合在一起。他们的方法也十分类似，都是把布兰斯–迪克引力方程和戈德斯通–希格斯对称性破缺势能结合起来。（美国以外的理论物理学家在1974年到1978年间也提出过类似的想法，但当时没有引起任何关注。）
在这种理论模型中，局部的引力强度最初会随空间和时间变化，牛顿万有引力常数G正比于1/φ2。但是，在大爆炸的最初时刻，当φ场落入对称性破缺势阱之后，G就变成了今天的常数。徐一鸿和斯莫林通过这种方法，为引力与其他作用力相比为何如此微弱提供了一种解释：当φ场停驻在最终状态时，φ被固定在了某个很大的数值上（φ=±v），因此G就变得非常小了（G反比于v2）。
徐一鸿和斯莫林的学术生涯是典型的例子，生动地说明了冷战泡沫破裂之后，美国的物理学家是如何将注意力转移到宇宙学上的。20世纪60年代中期，徐一鸿在美国普林斯顿大学读本科时，曾与引力论专家约翰·A·惠勒（John A. Wheeler）短暂共事。后来，他进入美国哈佛大学攻读粒子物理学博士，1970年取得学位时，该领域最严重的衰退已经开始。据他后来回忆，他在研究生院时从来没有听说过宇宙学。完成博士后工作之后，徐一鸿开始在美国普林斯顿大学执教。1974年，他去法国巴黎休年假，从一位法国物理学家那里租了一间公寓。他在公寓里无意中找到了欧洲理论物理学家的一叠论文，他们试图用粒子物理学观点去解释各种宇宙学性质（比如为什么观测到的宇宙中物质比反物质更多）。尽管他看出这些论文中的某些想法并不可信，但这不经意的邂逅，重新激起了他早年对引力论的兴趣。休假结束之后，徐一鸿重新与惠勒取得了联系，开始把研究重心重新定位在粒子宇宙学领域。
李·斯莫林的经历则与之相反，他在1975年进入哈佛大学研究生院时，课程变革刚刚开始实行。斯莫林在学习粒子物理学的同时，还学习了引力论与宇宙学课程。他还和美国布兰迪斯大学的斯坦利·德塞尔（Stanley Deser）展开了紧密的合作，后者当时正在哈佛物理系访问。德塞尔是20世纪60年代对量子引力感兴趣的、为数不多的美国理论物理学家之一，他试图找到与量子力学相协调的引力表述方式。他也是最先在同一篇论文中同时引用布兰斯–迪克和希格斯论文的物理学家（不过在那篇1972年发表的论文中，这两个场被分别对待，并在论文的不同部分单独讨论）。斯莫林主攻量子引力，他在1979年完成学位论文时提出，φBD和φH可能是同一个场。
斯莫林的经历代表了他那一代理论物理学家在20世纪70年代中后期的培养模式。保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）、迈克尔·特纳（Michael Turner）和“硬汉”爱德华·科尔布（Edward “Rocky” Kolb，硬汉是他给自己起的昵称）等物理学家也都受到了同样的教育——在研究生院时既学习引力论，又学习粒子理论。很快，斯莫林、特纳、科尔布、斯坦哈特等人又开始培养他们自己的研究生，在粒子宇宙学这个新的交叉领域开展研究工作了。对这些年轻的理论物理学家和他们逐渐增多的学生来说，把φBD和φH联系在一起是很自然的事情。在20世纪80年代，特纳、科尔布和斯坦哈特各自领导了一个研究小组，对φBD和φH之间的关联展开了进一步研究。
1980年，徐一鸿在他1979年那篇论文的基础上进一步指出，标准的宇宙学理论（比如大爆炸模型）仍然无法解释可观测宇宙的极端平滑性（即从大尺度范围上来看，宇宙中的物质呈均匀分布）。迪克也独立得出结论，指出大爆炸同样不能解释观测到的宇宙平坦性（宇宙的弯曲程度原则上可以千差万别，而天文学家观测到的宇宙曲率却极其微小——宇宙的整体时空结构几乎是平坦的，而不是“弯曲”的）。1981年，美国哈佛大学的博士后艾伦·H·古斯（Alan H. Guth，现为美国麻省理工学院教授）提出了暴胀宇宙学（inflationary cosmology），试图解释宇宙的平滑性和平坦性。古斯模型的核心是建立在希格斯对称破缺基础上的另一个标量场——暴胀场（inflaton）。这个场为暴胀模型中宇宙最初时刻的超快速膨胀时期（即暴胀时期）提供了驱动力。
古斯的学术经历与徐一鸿类似。1972年，他在美国麻省理工学院取得粒子物理学博士学位，当时大规模课程改革尚未开始。由于受到粒子物理学衰退的严重打击，古斯在几个不同的博士后位置上捱过了好几年。20世纪70年代末，由于一个偶然的机会，他听了迪克所作的一个关于宇宙平坦性问题的演讲。古斯由此萌生了一个想法，他发现用粒子物理学理论来思考宇宙学中的难题也很有趣。他沉迷于大统一理论的新物理学之中，并且努力学习引力论和宇宙学的基础知识来充实自己，正是在这种情况下，他灵光一现，想到了暴胀。不过，真正推动这个想法向前发展的，主要还是更年轻的理论物理学家，比如斯坦哈特、科尔布、特纳以及他们的学生，这些人受到的教育恰好为发展暴胀理论打下了基础。当时莫斯科列别捷夫物理研究所（Lebedev Physical Institute）的安德烈·林德（AndreiLinde）也在研究暴胀理论。他在粒子物理和引力论长期并重的俄罗斯接受的教育，使他很快就推动了这一理论的改进。
自此以后，将布兰斯–迪克场、希格斯场和暴胀场结合在一起，自由地改写方程来解释诸多现象，就成了粒子宇宙学家的习惯做法。这一概念上的突破，从不可思议到习以为常，只经历了一两代学术人。这种态度上的转变显示了教育的力量，也显示了制度变革对科学思想所能产生的巨大影响。
这样的历史会重演吗？在20世纪90年代，美国得克萨斯已经开始建造的超级超导对撞机（Superconducting Super Collider）被迫下马，粒子物理学再次遭受重创。此后，美国政府对粒子物理学的资助也持续下滑。在20世纪70年代的学科大碰撞中，经历了日益加剧的阵痛之后，一个全新的学科分支——粒子宇宙学诞生了。现在弦论（string theory，该理论认为物质的基本结构是一维的弦）的拥护者和其他替代理论的支持者之间对于理论物理学研究方向的激烈争论，也可能同样预示着又一个新领域的萌芽。
2008年，一系列新的科学项目即将启动，其中包括瑞士的大型强子对撞机（Large Hadron Collider）、伽马射线大面积空间望远镜（GLAST）和普朗克卫星（Planck satellite，它将以前所未有的精度测量宇宙微波背景）等。物理学家期待这些项目能够带来新的成果。如果一切顺利的话，高能物理学将像30年前那样，呈现出一片充满活力、振奋人心的景象。