为什么说宇宙极早期经历过一次暴胀

20世纪70年代,大爆炸宇宙论已经成功地解释了遵循哈勃定律的膨胀、氢和氦等轻元素的丰度以及微波背景辐射等观测现象,因而被公认为标准宇宙学模型。但是,它仍然面临一些难以克服的疑难,主要包括:

第一,视界问题。天文观测能够达到的最大范围称为视界,其尺度相当于从大爆炸开始起光线所走的距离。视界是事物能有因果联系的最大尺度,它会随宇宙年龄的增长而扩大,越早的时期视界越小,越接近现在视界越大。当宇宙的年龄只有38万年时,视界也就是大约38万光年大小。那个时刻宇宙发生了一个重大变化:在那之前,宇宙中的质子可以和电子结合形成氢原子,很快又会被光子电离成质子和电子,这种复合—电离的过程是可逆的。但到宇宙年龄38万年时,宇宙由于膨胀,温度已降低到3000开,光子的能量减小,已经无法把氢原子电离成质子和电子了。随着电子的减少,光子在传播时就不会再被电子散射,可以“自由”飞行。这些自由的光子就遗留在宇宙中,成为宇宙背景辐射。随着宇宙继续膨胀,这些辐射就变成了今天弥漫在我们周围的微波背景辐射。在地球上看起来,微波背景辐射的光子是从一个以我们为球心的球面上发出来的,这个面称为最后散射面。观测表明宇宙中的微波背景辐射是高度各向同性的,不同方向的温度差仅约1/100 000。也就是说,最后散射面上每个地方的温度都一样。这样就产生了一个矛盾:按理说,在最后散射面所对应的时间,宇宙的视界只有38万光年,这个尺度对应到天球上的张角大约是1°;但最后散射面的立体角有4万多平方度,于是可以分成4万多个相互不发生关联的区域(视界)。这些相互不关联的区域,温度怎么会全都一样呢?

第二,平坦性问题。在大爆炸宇宙的模型中,宇宙的几何性质对平坦的偏离是随着宇宙膨胀而变大的。这就像我们瞄准远方的目标射击,如果一开始有一个小的偏差,结果就会有巨大的偏离。我们的宇宙也与此类似,从大爆炸到今天,宇宙的几何对平坦的偏离要增大58个数量级。如果大爆炸之初的宇宙有一点点不平坦,那么到今天就会放大为巨大的不平坦。然而观测表明,今天的宇宙是平坦的,这就要求宇宙在早期必须极其平坦,或者原初宇宙的密度与膨胀速率处处都十分精确地相同,精确到仅在小数点之后第58位才出现偏差。这样的巧合在物理上是十分困难的。

第三,结构起源问题。我们今天观测到的宇宙是由星系、星系团、超星系团这样的结构组成的。这样的结构来自于早期的密度扰动。如果你在一面鼓上撒上些均匀的细沙,敲鼓后就可以发现细沙会出现疏密相间的纹路,纹路的尺度与鼓振动的波长尺度相当,这和形成星系的原理类似。要产生星系这样的结构,扰动波长得有几百万光年那么长。然而,按照大爆炸理论计算,在星系形成之初,当时的视界尺度尚小于扰动波所需的尺度,这就使星系等结构无法在视界内形成。这种情况就像你无法在一个比指甲盖还小的鼓上敲出细沙的纹路一样。那么,今天的星系又是怎么来的呢?

第四,遗迹粒子问题。物理学中关于各种力的大统一理论预言,在宇宙早期的极高温条件下应该产生大量的遗迹粒子,其中也包括磁单极子。磁单极子只有一个极性,就像电子只带负电荷或质子只带正电荷那样。但我们今天发现的磁性物质,比如磁铁,都有两个极性,即S极和N极。你把一块磁铁掰成两半,它还是有两个极性,不断掰下去直到原子级别,它依然有两个极性,这对世界上所有的物质都是如此。至今我们从未找到过一个磁单极子。这又是为什么呢?

暴胀使宇宙变得平坦

面对这些困境,美国物理学家古思在1981年提出了暴胀理论。暴胀是指从宇宙诞生之后1035秒到1033秒之间的一个极早阶段,在那段极短的时期内,宇宙的尺度指数式地膨胀了1043倍。暴胀可以解决以上的这些疑难。暴胀允许宇宙早期尺度非常小,可以比不经历暴胀的宇宙早期尺度小1043个量级。在这么小的尺度内,磁单极子的数量就非常少,今天找不到磁单极子也显得很自然。这么小的尺度在视界范围之内,温度、密度等各种物理状态得以通过扩散而均匀。宇宙经历暴胀之后尺度已经超出了视界范围,变成了彼此无法联系的多个系统,但是均匀的性质却留下来了,表现为背景辐射的各向同性,这也解决了均匀性问题。同样,暴胀之前的宇宙尺度非常小,其产生的原初密度扰动也在视界之内。暴胀把这些扰动拉大到星系、星系团和超星系团的尺度,于是宇宙可以形成复杂的结构,这又解决了结构起源问题。暴胀的过程和膨胀的过程不一样(前者由真空能量主导,后者由辐射能量或物质主导),所以在暴胀过程中宇宙原来的不平坦性不仅不会被放大,反而会缩小。于是,即使原初宇宙不平坦,经历暴胀之后也会变得十分平坦。这就解决了宇宙的平坦性问题。由于暴胀理论很好地解决了大爆炸宇宙论原先无法处理的这些问题,而且与观测事实符合得很好,因此已经被绝大多数科学家接受。

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