暴胀理论于1980年由麻省理工学院(MIT)的科学家阿兰·固斯提出。该理论指出,早期宇宙的空间以指数倍的形式膨胀。
上文我们说了宇宙大爆炸理论诞生后,所面临的,它们分别是:空间各向同性难疑,可观测宇宙空间平坦难疑,磁单极子消失难疑。这三个问题都是大爆炸解决不了的问题,说明大爆炸理论还不够完善。今天就说下宇宙学家如何解决这些问题。
暴胀理论的诞生从20世纪70年代末开始,有许多世界顶级的理论物理学家在构建这些问题的解决方案。当然这并不是说抛开大爆炸理论另起炉灶,毕竟大爆炸理论取得了太多成功,此外没有哪个理论能像它一样能同时说明这三项事物:哈勃膨胀、较轻元素的丰度、均匀且呈黑体光谱的微波背景辐射。大爆炸理论说明,宇宙必然经历了一个热度、密度都超高,且极速膨胀的早期阶段,才能演化出今天呈网状的星系团大尺度结构。
但是,该理论的“软肋”看来就在这个早期阶段之前的“极早”时期,如果能在上述高温、高密的阶段之前再辨认出某种更早的阶段,这三个疑难或许就解决了。1979年12月,有一位年轻的理论家正在思考这个问题,他名叫古斯(Alan Guth)。
当时空中到处是物质和辐射时,其膨胀会以一种很特别的模式进行:随着物质和能量密度的降低,膨胀率也会降低,然而密度的降低正是由宇宙的膨胀导致的,所以膨胀率的下跌是不可避免的。可是,理论上并非所有的时空都会随着时间的流逝而降低其影胀率,这方面的一个经典案例叫德西特(De Sitter)时空,它的膨胀率不是由物质或辐射决定的,而是由它自身固有的内在能量决定的!它的醒目之处在于,将宇宙的主宰从物质或辐射改成了空间自身的内在能量密度。
按原有看法,单位体积内的能量会随宇宙膨胀而减少,但若按德西特时空的观点,只要空间自身蕴含着巨大的能量,那么能量密度就不会随着宇宙膨胀而下降,宇宙的每个单位体积内的能量密度将保持不变。由于膨胀率的变化与能量密度的变化是相关的,所以德西特时空的膨胀率数值也是持恒的,而这将推导出一个比大爆炸理论中更加壮阔的图景,即呈指数式膨胀的宇宙!
不同能量密度下宇宙的膨胀率与我们曾经考虑过的诸多情况相比,指数式膨胀是个截然不同的局面。试想,如果宇宙中最主要的内容是物质,那么随着空间的膨胀,物质密度会降低,所以膨胀率也会按照特定规律不断降低。设宇宙在诞生后经过特定一段时间后,达到了一个特定的大小,以这个大小为参考值,那么经过两倍的时间后,其各个方向上都会比参考值大59%,经过四倍时间后则比参考值大 152%,经过十倍时间后也只比参考值大 364%。
这就是说,虽然宇宙还在变大,但其增大率在不断降低。如果改设辐射为宇宙最主要的内容,那么膨胀率的这种下跌趋势还会更加严重,因为不仅辐射的密度会随着膨胀下降,而且单个量子的波长也会随着宇宙膨胀而增加,从而导致量子自身所带的能量也下降了。
在宇宙被辐射主宰的情况下,按前述的例子算,宇宙在经过两倍的单位时间后,各个方向上只会比参考值大41%,四倍时间后比参考值大 100%,十倍时间后只能比参考值大 216%。但是,如果我们能允许宇宙在其自身固有能量的作用下进行指数式膨胀,允许膨胀率保持不变,那么宇宙的扩张速度之高会达到让人感觉不适的程度。
在指数式的膨胀情景中,宇宙将被其内在性质的能量所主导。仍以前述的例子计算,则两倍的单位时间之后宇宙在各个方向上都比参考值大 172%,四倍时间后比参考值大1909%,十倍时间后比参考值大出惊人的810 208%,即超过参考值的8000 倍。一言概之,指数式膨胀模型会让宇宙在短时间内大过其他所有模型给出的预期!
古斯的大见识在于,他设想这种指数式膨胀存在于大爆炸发生之前。也就是说,在那个高温、高密、被物质和能量充满的早期宇宙之前还有一个阶段,这个阶段的名字就叫“宇宙暴胀”( cosmic inflation )。下面来考虑一下,这种暴胀状态将会给上文所说的、威胁着大爆炸理论地位的三大疑难带来何种影响。
暴胀理论如何解决三大难题如果没有古斯提出的这个更早的阶段,就没有理由去期待宇宙中各个相距遥远的局部空间具有相同的属性。因为我们可以设想这些局部曾经彼此相连,因而共享了相同的信息,只是在指数式暴胀的作用下彼此远离了,这才形成了我们如今看到的天空各个方向背景辐射温度相同的局面。也就是说,它们看上去没有可能互通信息,只是因为我们无法见证暴胀阶段发生的事情。而假如暴胀阶段确实存在,那么这些目前彼此远隔上百亿光年的地方,就曾经在暴胀时期“亲密无间”,只是随着时空的膨胀而被分开了。
如果没有什么特别的原因,宇宙本应有着极大的正向曲率或负向曲率。毕竟,如果认为宇宙膨胀率和物质/能量的密度是两个不相关的指标,那么它们之间这种毫无来由的精妙平衡听起来就太像天方夜谭了。但只要引入暴胀阶段的概念,那么不论宇宙的初始类型是平坦的、开放的还是闭合的,都可以被拉伸开来,由此让我们在可以观察的范围内觉得宇宙是平坦的——这与可观测范围之外的宇宙是否平坦无关。在整体上说,宇宙确实可能有着极大的正向或负向曲率,但我们认知的宇宙仍然可以是平坦的,正如一个从未走出过自己所住街区的人不可能去察觉大地是不是个曲面一样。
只要宇宙真的曾有一个温度和密度都高到任意程度的阶段,如今必定会留下各种的证据。目前,这种证据苦寻不到。而暴胀宇宙理论的出现,给宇宙拥有的能量水平设定了一个上限。这么说的原因在于,不论暴胀阶段之前发生过什么,暴胀阶段必开始于特定的能量水平上——因为该阶段结束时,这些能量会转换成物质和辐射。至于发生于暴胀阶段之后的高温大爆炸,其温度上限也不可能超过(甚至不可能达到)空间暴胀时自身的能量密度,因为一旦物质和辐射开始创生,能量密度就必然随着宇宙的膨胀而下降!
这里必须指出的是,古斯最初的创意,并不足以达到在科学理论上“新桃换旧符”的条件。尽管他的理论有许多闪光点,但他提出的第一个暴胀模型其实推导不出一个各处密度均匀、各方向性质一致的宇宙。也就是说,原有的理论模型能够解释的诸多观测事实中,有一个是古斯解释不了的。
不过,古斯的暴胀假说展现出了极为强大的发展潜力,于是许多科学家立刻投身于优化这个理论的工作。只过了一年,这个缺陷就被两个科研力量各自独立地弥补了:一个是林德(Andrei Linde),另一个是由阿尔布莱希特(Andy Albrecht)和斯坦哈特(Paul Steinhardt)带领的团队。到20世纪80年代初期,暴胀模型已经变得扎实可用了。
如何能更形象地说明暴胀过程?暴胀阶段为什么会结束?我认为可以假想一个高悬于地面上方的、非常平坦的平面,而且它由无数个小方块规整排列而成,相邻的方块之间被某种看不到的力量推挤在一起,所以方块暂时不会落下,但方块之间并未粘连。然后再想象一个很重的球(如保龄球)在这个平面上滚过,与此同时,宇宙在暴胀。球每滚过一个方块,宇宙就多了一些用于暴胀的时间,大小变成原来的两倍以上;当球滚过64个方块后,暴胀的幅度已足够引入当今宇宙中可能存在的最小粒子,并且伸展出当今可见的整个宇宙。
诚然,这颗球此后还有可能在平面上继续滚动,不过我们这里只考虑它最少需要滚过的方块数就够了。然后,在某个时刻,滚动的球可能压到了某个受力比较薄弱的方块,或者可能已经积累了足够的作用能力,总之它终于将一个方块压脱了。
紧接着,从球所在的位置开始,就会发生摧枯拉朽般的连锁反应,众多相邻的方块纷纷脱落,掉向地面。当球和方块全都掉到地上时,暴胀阶段就结束了,这同时也标志着当前这个到处看着都差不多的宇宙拉开了帷幕,此时的宇宙中充满着物质、反物质、辐射,其能量水平则是由那些假想的方块掉落前的高度决定的。(由于假想方块掉落之前的高度没有达到特定值,所以能量水平不够高,也就没有给我们留下磁单极子。)于是,暴胀之后的宇宙就进入了一个有很高温度和很高密度、不断扩张但也不断冷却着的阶段,这个阶段就是我们说的“大爆炸”。
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