通货膨胀理论提出已近40年。是时候了解大爆炸之前发生了什么。
我们已经无数次讨论过宇宙大爆炸理论,以及它为什么会成为宇宙起源的主导理论。并不是说大爆炸理论是绝对正确的,而是它是我们能够解释以下三种观察到的现象的唯一宇宙观:
我们观察遥远的星系,发现离我们越远的星系,离我们越快!到了20世纪,人们已经意识到这种现象的根本原因是空间本身在膨胀!
这也意味着,按照目前遥远星系的退行速度,这些星系将在不久的将来加速从我们的视线中消失。毫不夸张的说,未来地球上的人类在宇宙中只会看到一个星系,那就是我们自己的星系群合并后的巨大椭圆星系!我真的无法想象当时的这种情况。当时人类没有任何可观测的数据来了解宇宙。
所以从逻辑上来说,即使我们不是物理学家,让我们自己推理,我们也可以知道现在宇宙又在膨胀了,所以宇宙在过去一定是变小了!
那么宇宙变小的后果是什么呢?如果以前宇宙在空间上更小,那么密度更大,当然也更热,那么下面的问题就是:当宇宙变得足够热的时候会发生什么?
如果加热普通物质,只要温度足够高,原子就会被电离,所以宇宙在过去的某个时间是原子核和电子的等离子体!当原子从电离等离子体变成中性气体时,宇宙的高温辐射会通过中性原子在太空中自由传播,我们称之为大热爆炸的“余辉”。经过长途旅行,这种能量应该已经转移到红外线,或者更远的微波波段。以上都是很符合逻辑的推理,你说呢?
宇宙微波背景辐射是由arno penzias和R Wilson在1964年首先发现的。当时由于技术的限制,人们没有观测到微波辐射中的温度波动,全天温度完全一致,给人们带来了很大的麻烦。物质分布如此绝对均匀,那么这些结构,如恒星、星系和星系团,是如何形成的呢?
所以上图是90年代COBE卫星对微波背景的精确测量。测量结果不仅证实了大爆炸余辉的存在,也证实了微波辐射(黑体辐射)的温度和光谱类型与大爆炸预言的完全一致!然后WMAP(各向异性探测)和普朗克卫星精确测量了微波辐射的微小波动!
其实如果我们再回头看,会看到什么?宇宙的温度高到足以摧毁单个原子核,以至于宇宙中只剩下质子、中子、电子和辐射粒子!
当宇宙冷却到质子和中子可以稳定结合形成原子核而不被辐射粒子(光子)炸开的时候,我们就可以对核聚变的数量和类型做出非常准确的预测。所以这里是第三个!
大爆炸理论可以准确预测普通物质相对于光子的密度,以及其他核合成元素相对于氢的丰度。通过对微波辐射光谱的测量,我们发现轻元素的丰度与理论预测惊人的一致!这对于其他宇宙模型来说是不可能的,所以大爆炸是目前我们宇宙演化的主导理论。
宇宙大爆炸没有那么完美,还有很多东西没有解释清楚。例如...
宇宙为什么这么光滑?即使在大爆炸之初,宇宙也是平坦的,宇宙总体上是平滑均匀的,但全天一致的微小波动是如何出现的?为什么会有恒星、星系、星系团等结构?
这是一个很好的问题,但是大爆炸本身并没有回答这个问题。那么还有哪些问题是大爆炸无法回答的呢?
原则上,宇宙可以是任何形状或曲率,因为在广义相对论中,物质和能量决定了空间的曲率。当宇宙非常年轻时,物质和能量的密度可以使空间呈现任何形状,我们从实验中发现,空间是非常平坦的。事实上,即使我们今天测量微波背景的温度波动。
我们发现在哈勃体积930亿光年的范围内,宇宙的曲率小于2%,真的是平的!其实很多朋友会问这样一个问题,说宇宙中的物质一开始能量密度极高,为什么没有一起坍缩形成黑洞呢?这是因为大爆炸以来物质和能量的密度一直处于临界值,令人费解。什么是微调空间的曲率?是什么导致空间如此平坦?
宇宙微波背景在空间各个方向的温度大致相同。为什么会这样?宇宙一端的物质与另一端的物质是完全分离的,从诞生之日起就如此,两者之间从未有过交流和信息传递。但是它们的温度是一样的!根据我们的常识,两个物体之间必须有一致的温度。毕竟热传之后,起码要有接触。微波辐射的温度在930光年的范围内是一样的,就好像他们一直在接触一样。这是怎么回事?大爆炸没说。
如果我们的高能理论是正确的,宇宙不仅应该有微波背景和丰富的轻元素,还应该有一堆非常奇怪的遗迹,比如磁单极子、宇宙弦等拓扑缺陷。然而至今无人找到。
以上问题在《生活大爆炸》中都是无法回答的。任何像艾伦·古斯这样的理论物理学家都需要找到一个新的理论来解决所有这些问题,而一个新的理论需要做一个好的科学理论会做的事情:做一个新的预测!
这就是宇宙膨胀理论。它创造了大爆炸的高温、致密和膨胀状态。最初,宇宙只有真空能量。真空能量的量子涨落使得宇宙在各处微小的区域开始暴涨(以指数速度)。暴涨后真空能量衰变为物质,创造了大爆炸的初始阶段,部分真空能量被锁在了太空中。这就是我们现在所说的宇宙常数:暗能量!在这个过程中,暴涨做了以下几件事:
最后一点尤为重要,因为这些涨落不仅可以在宇宙微波背景下测量(也可以在1979年Gus提出暴胀理论时我们宇宙的大尺度结构下测量)!
所以当我们测量微波背景辐射和大尺度结构时,我们发现这些微小的涨落与暴胀理论的量子涨落预测是一致的!
如果非要说正确与否,目前认为暴胀理论解释宇宙起源98%正确!
这也意味着我们目前看到的宇宙起源的一些时间线图像存在一些缺陷或者至少不应该把热爆炸放在暴涨的宇宙前面?这是很多人都在问的问题。大爆炸之前是什么?目前的答案是:宇宙在真空能量下暴涨!
不幸的是,我们不知道宇宙暴胀之前发生了什么,就宇宙暴胀的性质而言,我们永远也不会知道在此之前发生了什么,因为暴胀还有一个名字叫无毛定理。也被称为宇宙视界,和黑洞视界没什么区别。空间的指数级膨胀抹去了之前的一切!至少目前来看,这是物理学允许我们了解宇宙的最古老的东西。
暴涨是大爆炸的原因。根据我们所看到的,暴涨夷平了宇宙的空间,使宇宙的温度在各个方向都相同,消灭了一些以前存在的奇异粒子,在所有尺度(无论大小)上制造了适当的波动,成长为我们现在拥有的恒星、星系和星系团。这是我们所能知道的关于大爆炸前宇宙的最古老的故事!