2026諾貝爾獎即將揭曉，可以討論的不僅有誰是獲獎熱門人選，還有哪些科學家做出了諾獎級貢獻。這當中，阿蘭·古斯（Alan Guth），安德烈·林德（Andrei Linde），阿列克謝·斯塔羅賓斯基（Alexei Starobinsky）共同提出了宇宙暴脹理論。2012年科學突破獎首次設立時，他們三人和另外6位物理學家成爲科學突破獎基礎物理獎得主，每人獎金300萬美元。2014年，他們三人分享了卡夫利天體物理學獎。2023年12月，75歲的Alexei Starobinsky去世。
值得一提的是，Alan Guth和他的兒子Larry Guth都是麻省理工學院教授。Alan Guth本碩博均畢業於麻省理工學院物理系。Larry Guth博士畢業於麻省理工學院，2012年開始在麻省理工學院數學系任教——他正是2026菲爾茲獎得主王虹的博士導師。

麻省理工學院物理系教授Alan Guth

2014年，麻省理工學院新聞中心專門以《有其父必有其子》（Like father, like son）爲題寫了一篇報道。

以下是三位天文學者爲《知識分子》撰寫的文章，介紹了Alan Guth、Andrei Linde和Alexei Starobinsky的工作，同時提到了Alan Guth和當年博士後同事戴自海的一段故事。

撰文｜任鑫李嘉睿蔡一夫（中國科學技術大學天文學系）

暴脹拯救大爆炸

人類從文明誕生之初就開始仰望星空，試圖去探索和理解這浩瀚宇宙所蘊含的奧祕和規律，但由於技術和理論的限制，早期的人們只能觀測和記錄星空中遙遠而美麗的星星，卻不知道這些星星離我們多遠，從何而來。

在愛因斯坦建立了廣義相對論後，現代宇宙學建立了起來，人們終於可以對宇宙的整體演化進行系統研究。理論和觀測是天文學的兩條臂膀，缺一不可，理論指引觀測的方向，觀測檢驗理論的對錯。

受限於當時的觀測手段和人們長久以來對宇宙 “永恆不變” 的認知，起初愛因斯坦的宇宙模型是靜態的，到了1929年，天文學家埃德溫·哈勃發現離我們越遠的星系遠離我們的速度越快，從而讓人們知道了真實的宇宙並非恆定不變，而是在不斷膨脹的。

既然宇宙是不斷膨脹的，那麼沿着時間線向前反推，在最初的時刻，宇宙中的一切將匯聚於一個密度無限大，溫度極高的點（物理上稱爲“奇異點”），宇宙的一切都源自於這個點的“爆炸”，這便是大爆炸宇宙模型（Big Bang）。

大爆炸宇宙模型雖然聽起來天馬行空，在提出之初也沒有得到科學界的認同，然而大爆炸理論預言的大尺度結構的形成和宇宙核合成過程得到了宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background，CMB）和宇宙輕元素丰度觀測結果的支持，這些觀測事實使得大爆炸理論逐漸被學界接受，併成爲了目前的標準宇宙學模型。

大爆炸宇宙模型雖然獲得了巨大成功，但是也帶來了平坦性疑難和視界疑難等問題。

平坦性疑難是指，宇宙各個組分的密度是如此的 “恰到好處”，以至於宇宙的空間高度接近三維歐氏空間，而這需要早期宇宙非常平坦，微小的一點曲率都會導致宇宙進行完全不同的演化，從而產生一個微調問題。

視界疑難是指，既然宇宙的時間有個起點，如果一段空間距離在宇宙的年齡內連光都無法跨越，那麼這段距離兩端理應是毫無關聯的，然而宇宙微波背景輻射的觀測結果表明，相距如此遠的地方，它們之間的溫度差異非常微小，也就是說，它們通過某種物理聯繫達到了熱平衡。科學家們爲了解決這個問題進行了許多嘗試和研究。

在20世紀70年代末和80年代初，阿蘭·古斯（Alan Guth）、安德烈·林德（Andrei Linde）林德和阿列克謝·斯塔羅賓斯基（Alexei Starobinsky）發現，如果在大爆炸之後的極短時間內經歷指數爆炸式的膨脹，那麼這些難題就會迎刃而解，由於這個膨脹過程就像通貨膨脹一樣離譜，在英文中便直接借用通貨膨脹（inflation）來命名，這便是暴脹宇宙模型。

三位科學家分享了2014年Kavli（卡夫利）天體物理學獎。圖源：Kavli獎官網

幸運和遺憾

1979年，擁有理論物理博士學位的古斯在康奈爾大學做第三期博士後，此時的他在粒子物理領域還沒有什麼重要的工作，正爲未來的科研道路迷茫犯愁，誰也未曾想到不久後他會在另一個領域做出重大的突破，而這段故事還有一位華人科學家的參與。

彼時，同爲康奈爾大學博士後的戴自海（Henry Tye）不久前從粒子物理領域轉向宇宙學，他經常勸導古斯和他一起做宇宙學。雖然古斯一開始並沒有接受，但他在聽到一個有關宇宙學平坦性疑難的報告後，意識到解決這一疑難的重要性，也被宇宙學深深吸引，於是轉而研究宇宙學。

一開始古斯和戴自海一起專注於磁單極子問題：大統一理論提出，宇宙早期的溫度低於大統一溫度後，由自發對稱性破缺引起的相變過程會產生衆多穩定的磁單極子（可以想象爲冷卻的宇宙岩漿中析出磁單極子這樣的“礦石”），然而在我們當今的宇宙中卻沒有探測到磁單極子的存在。

2011年1月，戴自海教授出任香港科技大學高等研究院院長。圖源: 香港科技大學

就在二人的研究將要有所成果時，戴自海回國參加了一個會議，在那個通訊非常不便利的年代，二人只能結束合作，當戴自海回到康奈爾大學時，古斯已經去了斯坦福大學開始了他的第四期博士後。就在這個時期古斯提出，早期宇宙如果處於一個“假”真空狀態，隨着溫度下降，假真空向真真空演化的過程中，宇宙會發生指數膨脹，這個過程會使得磁單極子的密度猛烈下降，從而解決磁單極子問題。

不久後，古斯又意識到，暴脹過程的存在，還可以使當前宇宙沒有因果聯繫的區域在暴脹前產生聯繫，並且早期存在的曲率也會被暴脹過程稀釋（就彷彿一個迅速吹大的氣球可以“抹平”原來的褶皺），因此他的理論不僅可以解決磁單極子疑難，也可以解釋視界疑難和平坦性疑難。他發表了《膨脹宇宙: 視界問題和平坦性問題的一種可能解決方案》一文，憑藉這個工作，古斯終於如願以償，在完成四期博士後之後獲得了麻省理工學院的副教授職位。

古斯的辦公室非常雜亂，他甚至因此 “榮獲” 波士頓環球報評選的“最凌亂辦公室獎”，但古斯對此並不在意，甚至引以爲豪，雜亂的辦公室加上有着發散思維的科學家，成就了一個偉大的理論模型。

由於恰不逢時的會議和時代侷限，戴自海沒能成爲這篇文章的作者，古斯也說，如果戴自海當時沒有回中國開會，那他應該也是提出暴脹理論的文章的主要作者，雖然戴自海錯過了暴脹理論的提出，但是之後他提出了膜暴脹的學說，並在超弦理論和膜宇宙學也做出了很多工作，取得了不少成就。

引領者

在古斯的暴脹理論中，假真空的衰變必須經過量子穿隧達到真真空態，而這一過程不僅會使宇宙變得很不均勻，也無法產生輻射，因此無法自然地和之後宇宙熱膨脹演化過程銜接。

安德烈·林德基於古斯的“舊暴脹”，提出了改進的“新暴脹”，即“慢滾暴脹”（slow-roll inflation）理論。

在新的暴脹理論中，假真空狀態衰變由標量場沿着平坦的勢能曲線緩慢滾動到真真空態來刻畫，這個過程即是指數膨脹過程，而當勢能曲線變得陡峭，暴脹就會結束，同時標量場減少的勢能衰變成各種粒子和輻射，使宇宙溫度升高，宇宙進入到輻射爲主時期。

林德改進的新暴脹模型被更多人接受，此後他繼續研究暴脹理論，提出了混沌暴脹（Chaotic inflation）和多場的混合暴脹模型（Hybrid inflation），還在暴脹多元宇宙理論和絃理論領域做了很多工作，成爲宇宙學，尤其是早期宇宙研究的引領者。

莫斯科朗道理論物理研究所的斯塔羅賓斯基也是暴脹理論研究的先驅者，他認爲早期宇宙處於一個極高能量的狀態，此時需要考慮廣義相對論中的量子修正，在引力的作用量中加入平方曲率的修正項，而這個平方項在曲率很大的時候可以作爲等效的宇宙學常數，引發早期宇宙的指數膨脹。

斯塔羅賓斯基成功提出了第一個具體的暴脹模型 “Starobinsky模型”，雖然是最早的暴脹模型，但它依舊與當前最新的宇宙微波背景輻射觀測結果保持一致。斯塔羅賓斯基還對暴脹時期引力輻射的產生與量子漲落的演化進行了研究，這些量子漲落導致了宇宙微波背景輻射溫度漲落與原初密度擾動，是當前宇宙大尺度結構形成的種子。

宇宙圖景並非一成不變

暴脹宇宙學模型和早期宇宙演化的示意圖

在以古斯，林德和斯塔羅賓斯基爲代表的科學家們的努力下，暴脹宇宙學模型被提出並不斷被完善，也成爲了當今標準宇宙學模型中的重要一環。

在標準宇宙學模型的圖像中，宇宙誕生於約138億年前的大爆炸，暴脹階段在大爆炸後約10-36秒開始，持續到大約大爆炸後10-32秒，宇宙在非常短的時間內進行了指數膨脹，宇宙的空間尺度被放大約10的80次方倍，而暴脹時期的原初擾動也成爲後來大尺度結構形成的種子。

而後宇宙的溫度不斷降低，在經歷了短暫的輻射主導期後，物質漸漸佔據了主導地位，在宇宙誕生後38萬年的時候，原子核和自由電子結合成中性氫原子，光子不再與電子發生散射，開始自由傳播，形成了宇宙微波背景輻射。

在漫長的物質爲主時期，宇宙首先經歷沒有新光源產生的黑暗時代，之後第一代恆星形成，繼而早期星系和大尺度結構開始形成，宇宙漸漸演化爲今天的模樣，並進入到當今加速膨脹的暗能量爲主時期。

當前標準宇宙學模型和宇宙整體演化的基本圖像

在現代宇宙學建立的100年間，該領域在觀測和理論兩個方面都得到了很大的發展，二者相輔相成，使得宇宙學不斷被完善。

在哈勃對遙遠星系進行觀測後，人們知道宇宙是動態的，從而導致了大爆炸理論的誕生。隨後宇宙微波背景輻射的觀測結果不僅驗證了大爆炸理論的正確性，也打開了精確測量宇宙學的大門，而宇宙微波背景輻射的各向同性以及支持平直宇宙的觀測結果也促進了暴脹理論的提出，1998年在發現宇宙加速膨脹後，暗能量的概念被引入標準宇宙學圖像，引力波和中微子的探測則打開了多信使天文學的時代。

我們看到，標準宇宙學圖像並非一成不變，而是隨着觀測和理論的進步而不斷改進的。

21世紀以來，宇宙微波背景輻射觀測，宇宙加速膨脹和引力波探測等天文學和宇宙學的重要發展都獲得了諾貝爾物理學獎。古斯、林德和斯塔羅賓斯基三人也因爲開創宇宙暴脹理論而獲得了2014年的卡夫利獎。

有理由相信，在這個天文學蓬勃發展的時代，人類會在探索宇宙的道路上獲得更多的突破，描繪出一個更加完整和豐富多彩的宇宙圖景。