多听几次关于宇宙未来演化的讲座，你肯定会听到演讲者引用罗伯特·弗罗斯特的诗歌《火与冰》，说出这样的话：
有人说世界将终结于火；有人说终结于冰。
这通常指的是宇宙是否会重新坍缩，将其所有内容物压缩到越来越小的体积，增加压力和温度，或者它是否会永远膨胀，逐渐冷却到越来越低的极端温度。然而，不常讨论的是一个关于早期宇宙的相关问题——宇宙是诞生于火还是冰？如果你正在阅读《宇宙变异》，你很可能已经了解并接受了大爆炸的观点。物理学家首先通过观察今天的宇宙，并理解已建立的引力和粒子物理理论如何描述这些现象，从而得出这个概念。然后，我们回溯时间，推断早期宇宙的样子，并通过推导出新的预测并检查它们是否与观测结果一致来检验理论。这种方法非常有效，为我们提供了对宇宙的极其完善、自洽且连贯的理解。这项工作的核心结果是宇宙正在膨胀——所有遥远的星系都在远离我们，而且它们距离越远，移动速度越快。当然，这意味着在过去，所有星系都更加接近。当你回溯到足够远的时间时，不可避免的结果是物质密度非常高，正如你从压缩日常气体中获得的直觉会告诉你的那样，人们预计在早期阶段宇宙应该是极其炽热的——用弗罗斯特的话说，是诞生于火。事实上，我们今天看到的宇宙微波背景辐射就是这种热量，被宇宙膨胀稀释和红移了。对这种遗留辐射的预测和观测构成了大爆炸宇宙学的有力证据。然而，它并没有回答所有这些炽热物质是如何产生的这个问题。现在，我们确实知道，如果我们回溯到足够远的时间，人们最终将无法单独使用引力（描述时空物理并由爱因斯坦的广义相对论理解）和量子力学（描述微观物理），而必须考虑它们相互作用的影响。因此，物质的起源完全有可能只能在一个能够让我们回答引力和粒子物理如何以这种方式协同工作的问题的理论框架中得到解释，例如弦理论。然而，我们认为我们有一个可能在暴胀理论中得到很好描述的解释，暴胀理论似乎是解决早期宇宙的均匀性和平坦性问题的必要条件，并被认为是导致宇宙中大尺度结构形成的物质和时空波动的原因。事实上，如果暴胀理论是正确的，那么它的稀释能力意味着任何预先存在的产生常规物质的机制都将变得无关紧要，并且需要一个新的、暴胀后的机制。用弗罗斯特的话说，宇宙可能诞生于冰，而暴胀可能解释了为什么以及如何将火注入到这个贫瘠的时空中。暴胀需要巨大的真空能量，这是由于缓慢滚动的标量场的势能，以导致早期宇宙以指数级速度膨胀。虽然这解决了前面提到的问题，但这种加速膨胀在稀释宇宙中所有其他物质方面也极其有效，只留下真空能量。因此，在暴胀理论中，炽热大爆炸的起源问题就变成了我们的巨大宇宙，除了暴胀子的势能和短暂的量子波动之外别无物质，最终如何充满量子场的炽热等离子体，这些等离子体最终冷却形成星系、恒星、行星和你。为了了解暴胀结束时这种巨大的真空能量如何转化为常规物质场，查看暴胀子势的一个漫画图会很有用。
正如人们所看到的，它包含一个异常平坦的部分，暴胀子沿着它缓慢滚动，导致暴胀，然后是一个场可以加速并停止表现为宇宙常数的部分。我们感兴趣的是这部分。当暴胀子开始围绕其最小值快速振荡时，有两种可能的阻尼项可以耗散能量。一种是由于宇宙膨胀引起的自然红移。但第二种是通过衰变为其他粒子。这可能是一个相当有效的过程，暴胀子中的能量密度可以平滑地转化为它所耦合的粒子热浴的能量密度。这个过程被称为**再加热**，它提供了一种可能的回答我们问题的方式，即暴胀是如何做到的。然而，在这种描述中可能存在一个微妙之处。我上面描述的方式，人们将暴胀子的衰变想象成一个在空气中摆动的摆，通过摩擦逐渐将其能量传递给空气分子，并逐渐停止。这确实是一种可能性，但它不是唯一的。事实上，既然我们提到了摆动，你也许可以想象还会发生什么。任何坐过秋千的人都知道，如果给你一个大的推力，你只是坐在秋千上，你会来回摆动，然后逐渐停止，就像我描述的摆一样。然而，人们不必如此被动，每个孩子都知道，通过在恰当的时机踢腿，可以使秋千的振幅越来越大。这就是物理学家所说的**共振**现象。这如何适用于暴胀子呢？显然，暴胀子不能踢腿——它有一个由势场曲率决定的固有频率，粗略地说，这就是它的全部。然而，如果我们在傅里叶空间中思考，可以看到控制暴胀子衰变为其他物质场的方程取决于这些场的波长（因此是频率），或者**模式**（对于专家来说，这是一个**马蒂厄**方程）。对于给定的暴胀子势，暴胀子振荡的固有频率与随机选择的模式的频率没有特殊关系。然而，存在某些模式频率范围，在这些范围内，暴胀子的振荡恰好能共振地激发这些模式，将大量能量泵入其中，就像秋千上的孩子一样。这被称为**参数共振**，对于暴胀子衰变为物质的情况，整个过程被称为**预加热**。尽管预加热是一种非平衡现象，但最终几乎所有产生的能量都会达到平衡，并在给定的平衡温度下产生等离子体。因此，人们可能会想，这种假设的早期宇宙阶段如何会有任何可观测的后果（以及这些考虑是否具有科学性）。但事实证明，一些能量可能永远不会达到平衡，因此预加热有许多可能引人入胜的后果。其中一些严格限制了粒子物理和暴胀模型，另一些则提供了解决一些未解决的宇宙学难题的新方法。下次我将告诉你们它们。
