文/奥斯宇宙小课堂原创首发,转载请注明出处;图片来源网络,侵权立删
我突然意识到,那个跟小豌豆一样漂亮的蓝点就是地球。我举起大拇指,闭上一只眼睛,大拇指就完全把地球挡住了。我并没有感觉自己像一个巨人,我感觉自己非常、非常渺小。——尼尔阿姆斯特朗
如果我们以最大的距离标尺(这里指的是远大于单个星系大小的距离标尺)看我们的宇宙,会有许多属性是任何宇宙起源的理论都必须做出解释的。我们现有的这个年轻宇宙最精确的图像是由欧洲空间局的普朗克卫星拍摄的宇宙微波背景辐射图。
宇宙微波背景辐射图这幅图可以说是宇宙大爆炸的余烬,它描绘的就是整个宇宙,它看似简单却会让人引发很多深思!其中,不同的颜色表示宇宙大爆炸发生的38万年后,宇宙密度的细微变化。宇宙微波背景辐射最明显的特征是它极其一致,辐射时的温度为2.开氏度(略高于绝对零度),只有十万分之一的上下波动。这些细微的温度差异由图片中的不同颜色表示。这种一致性很难用标准大爆炸模型来解释,原因很简单。
宇宙大爆炸因为我们今天所观测到的宇宙有亿光年的跨度。这意味着如果我们从地球的相反两面看向宇宙微波背景辐射,我们会看到被亿光年分开的古老宇宙的两个发光的部分。然而,宇宙只有亿年的岁月,这意味着光这种速度最快的物质只能穿行亿光年。因此,宇宙微波背景辐射的两个“相对的”部分在标准大爆炸模型中,永远不可能彼此接触,而且没有绝对的原因说明它们的温度应该基本相同。
光速穿梭我在前一句话中强调“基本”是因为,正如我们所知,宇宙景辐射微波背景辐射有大约十万分之一的轻微变动,这是非常重要的。宇宙并不是到处都是完全平滑和一致的,在密度上的这些变动会转化为宇宙微波背景辐射中的温度整个宇差异。密度稍大一些的区域最终埋下了星系形成的种子,所以没有它们,我们根本不会存在。在其他极端平滑的宇宙初期中,又是什么引起了这些细微的变动呢?
浩瀚宇宙全高层宇宙的另一个很难解释的基本属性是它的弯曲性——或者说是缺乏弯曲性——这也可以用宇宙微波背景辐射来衡量。空间看似绝对平坦,就像一个真正的溜冰场通过爱因斯坦的方程式,我们知道室间的形状与宇宙中物质和能量的密度与分布有关。但是,在标准大爆炸理论中,宇宙并不是平坦的。实际上,在宇宙演变的亿年间,宇宙需要进行大量微调来保持平坦,相反,测量到的曲率半径要比可观测宇宙的半径大很多——大约超过60星等。这是一个大问题!
浩瀚宇宙在20世纪80年代初期,对可观测宇宙的这些问题和其他属性的研究促使一批苏联与美国的物理学家提出了一个激进的观点。这个现代的版本,也被称为宇宙暴涨理论,它最著名的支持者是阿伦·古斯、安德雷·林德和阿列克谢·斯塔罗宾斯基。在这里我要提出一个问题:如果暴涨开始了,那么它怎么停下来?答案是暴涨完全是自然停下来的,但是我们要来个潇洒的旋转,探索一个“我们为何在此”的核心问题上。
海洋波浪根据量子场理论定律,标量场推动暴涨上下波动,如同大洋表面的波浪。如果场内储存的能量足够多,那么暴涨就会开始。有人可能会认为这样快速的膨胀会将能量急速地稀释,从而导致波动的停止。但标量场有一个很有趣的属性,那就是它们的能量密度可以随着空间的膨胀而保持相对的恒定。你可以将膨胀的空间想象成是对场做功,向其注入能量使其维持高水平。接下来,场中能量的高水平会继续推进膨胀。
大洋波浪这听起来像是终极免费午餐,而且在某种意义上它几乎就是如此,尽管能量会逐渐稀释并最终消散。这一过程所需的时间取决于场中初始波动的大小以及场本身的细节情况,但是一般来说,初始能量越大,随着膨胀的继续,场值下降所需的时间就越长。一个经常用来描述这种情形的类比是想象是太空球运动。球在山谷上方的高度代表了标量场的能量密度。当球位于高处时,场中能量很大,会促使暴胀发生。
太空球运动绝妙地诠释了暴胀理论当球缓慢地滚向谷底时,能量减弱,暴胀也就停止了。在谷底时,球会来回振荡,直至停止。同样,标量场来回振荡,这样会将其能量以粒子的形式倾倒在宇宙中,做成了一份“热浓汤”,这也就是我们所说的“大爆炸”。换句话说,暴涨自然结束,而标准大爆炸紧随其后。因此,推动暴涨的标量场的衰变就是大爆炸发生的主要原因!