根据国内外科技新闻的报道，北京时间10月4日，2016年诺贝尔物理学奖揭晓。三位科学家戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹、迈克尔·科斯特利茨因为“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”获奖。诺贝尔奖评选委员会认为，他们利用高等数学方法研究物质的不寻常阶段或状态，如超导体、超流体或薄磁膜，他们的研究开启了一个未知的领域。拓扑学是数学的一个分支，它主要研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。据诺贝尔奖评选委员会介绍，三名获奖者将拓扑概念应用于物理研究，这是他们取得成就的关键。

戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨提出了BKT相变，这是拓扑相变领域的一个开创性发现。人们曾经认为，对于很薄层的物质，分子的随机运动会陷入无序之中，所以不会遵循任何规律，或者说，没有任何有序的“相”，也就谈不上相变了。但是20世纪70年代，戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨发现并非如此，只要温度足够低，它们也可以有序，也有“相”，它们的相变特别奇异，与冰变成水的相变很不一样。决定这种相变的因素是薄层物质上的“旋”；当温度上升时，本来成对出现的“旋”突然分开了，这种相变被称为“拓扑相变”，因为它用拓扑学来描述。

了解三位科学家在凝聚态量子物理领域的获奖情况之后，在我们的心中萌发了一个新的念头，他们的研究思路和方式可以“复制”到天体物理学的领域，利用高等数学方法来研究宇宙最早期物质——能量体的不寻常阶段或状态，开启另一个未知的领域。将拓扑概念应用于早期宇宙学的研究，也许是研究早期暴涨的有效数学工具，将拓扑数学应用到宇宙暴涨期的“原始火球”，就像爱因斯坦将黎曼几何应用到物质和能量对时空的弯曲效应，海森堡将矩阵数学应用到量子力学中粒子波动性的分析一样。既然三位科学家将拓扑学应用到量子态薄层物质的“相变”研究，获得了今年的诺贝尔物理奖，那么其他科学家将拓扑学概念应用到宇宙诞生时高温、高密、高浓缩物质——能量体的“相变”研究，也有获得诺贝尔物理奖的可能，高能物理学家已经在这一领域深耕多年，掌握了极高温流体“相变”的一些特征，但是，在短期内还不能出现诺贝尔奖级别的研究成果。

作为科学爱好者和学习者的人士，我们对宇宙早期暴涨理论至少有两个主要兴趣点，其一：这一理论关乎宇宙起源，而宇宙的起源是宇宙学的主要课题之一，也是宇宙学的首要课题。处于暴涨期的由物质粒子和高能辐射构成的“等离子体”在极短期的暴涨中也发生了“相变”，可以用流体力学和拓扑学的概念进行描述，包括欧洲大型强子对撞机在内的世界上一些主要的高能加速器实验室都在设法通过高能粒子的撞击来创造类似宇宙大爆炸时的物理条件，从而揭示宇宙起源的一些奥秘。其二：阿兰·古斯构想了“古斯暴涨”理论，这一理论与天文学家对宇宙微波背景辐射和宇宙背景均匀性和各项同性的发现高度吻合，我们没有任何理由拒绝早期暴涨的理论构想，但是，我们不知道宇宙早期的暴涨率是多少？如何测定暴涨率的大小是摆在物理学家面前的一个难题，“无所不能”的粒子和天体物理学家给出了微观和宏观宇宙的一切数据，让我们相信诸如：电子的半径、自旋和质量；宇宙的半径、年龄和总质量。现在，我们期待通过流体力学和拓扑学的物理数学工具，科学家也能告诉宇宙最早期、中期和晚期的膨胀率是多少。由于开发的物理数学模型和依据的参数不同，他们提供的数据也会有一些差别，甚至有很大的差异。

“哈勃定律”也许有一定的适用范围，在微小的时空和更大的宏观尺度上，这一定律也许失效，哈勃定律是一个经验公式，不能从理论上推导出来，如果存在“古斯定律”，这一定律不会是一个经验公式，只能从理论上推导出来，因为我们根本不能从最遥远的宇宙中观测到宇宙早期暴涨的迹象，在宇宙的边缘也许留下了早期暴涨的痕迹，包括最早期的物质粒子和辐射，但是，现有的地面和太空仪器观测不到宇宙的最边缘，因此，科学家需要依靠模拟和模型技术来重现宇宙开端的暴涨过程，在模拟技术和模型中添加一些我们可以间接获取的一些数据，计算出宇宙早期的暴涨率。

对比一下科学家对”哈勃膨胀”测定，可以将哈勃常数理解为哈勃膨胀率，天文学家在真实的宇宙背景中测量星系和星系团离开我们的“逃逸速度”，星系和星系团在远离我们的方向上“急速前行”，它们的光谱线发生“多普勒红移”，显然，我们在宇宙的最边缘看不到这种早期暴涨带来的光谱红移。对哈勃常数的测定已经进行了至少300多次，获得的数据越来越精确，然而，对暴涨率的计算和测定还不能获得同样的成果。我们只能设想“古斯定律”的存在，但是，不知道用什么方程式来描述这一定律，既然宇宙经历了微观的膨胀阶段，某种膨胀规律可能存在，需要物理数学家将这一方程式写出来，可以将它理解为“创世方程式”，相信这一方程式与哈勃定律的经验公式不同，毕竟哈勃的宇宙匀速膨胀不同于宇宙早期的暴涨，这是两种性质不同的膨胀。天文学家发现，“变化无常”的宇宙经历了最初的暴涨、中期的减速膨胀和晚期的加速膨胀，却没有经历哈勃的匀速膨胀阶段。哈勃的宇宙膨胀概念是正确的，匀速膨胀的概念则不一定正确。

本作者在对暴涨率的思考中能够想到的还有一个“不确定性原理”的问题，在微小的时空范围测定宇宙的暴涨率必然要考虑量子作用的效应，暴涨的发生期极短，远远不到一秒的时间，根据量子力学的不确定性原理，我们越是精确地选定时间点，越是不能精确地测定暴涨率的大小，对于其它的物理参数也是一样。因此，我们只能大致上了解暴涨率随时间变化的规律和大小，比如：我们的宇宙膨胀到“兵乓球”时的膨胀率，膨胀到地球、太阳系和银河系大小的膨胀率等等，不管我们信不信，在极短的暴涨期结束时，宇宙的大小可能已经暴涨到超过银河系的范围，一个“小宇宙”在暴涨中已经形成。除了概念和思想，我们的感觉器官无法把握宇宙的变化，我们只能惊叹，只能在哲学和文化的思维中想象那些超自然的力量，既然自然用“不确定性原理”创造了一切客体和人的主体，那么我们的概念和思想也会受到这一原理的约束，我们的确不能彻底把握万事万物的变化，但是，我们越来越接近一种科学的认识：没有一种超自然的力量能够左右自然本身的变化。

（邓如山2016-10-13）

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