暴胀理论已经提出近40年,是时候搞懂大爆炸之前

“据说天下没有免费的午餐,但宇宙是终极的免费午餐。”——阿兰·古思


艾伦·古斯是美国著名的理论物理学家,也是宇宙暴涨理论的创立者,他的这句话正是对宇宙大爆炸理论起源问题的一个形象的阐述。而暴涨理论也在一定程度上弥补了大爆炸理论的不足和关于起源问题的尴尬!下面我们就说下暴涨理论都说了什么?解决了哪些问题?并且告诉了我们在大爆炸之前是什么?


我们已经无数次地谈论过大爆炸理论,以及为什么这个理论目前已经成为关于宇宙起源的主导理论。并不是说大爆炸理论是绝对正确的,而是这个理论是我们唯一能解释以下三个观测现象的宇宙观点:


1、哈勃的宇宙膨胀。

当我们观察遥远星系的时候,我们发现离我们越远的星系,远离我们速度越快!在20世纪的时候,人们就已经意识到这个现象的根本原因是: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,在不久的将来这些星系都会加速消失在我们的视野之中。毫不夸张的说,在未来地球上的人类,只会看到宇宙中只有一个星系,那就是我们本星系群合并后的巨大椭圆星系!到时这种情况真的不敢想象。到时的人类没有任何可观测数据去了解宇宙。


所以在逻辑上,就算我们不是什么物理学家,让我们自己推理,我们也能知道宇宙现在再膨胀,那么在过去宇宙肯定更小!


那么更小的宇宙会导致什么后果?如果宇宙在过去空间更小,密度就更大,当然温度也更高,所以下面的问题就是:当宇宙变得足够热得时候会发生什么?


如果你加热普通物质,只要温度足够高原子就会被电离,因此宇宙在过去的某个时期就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的时候,宇宙的高温辐射会穿过中性原子在空间中自由的传播,我们说这是热大爆炸的“余辉”。经过漫长的旅途这些能量应该已经转移到了红外线,或者更远的微波波段。以上都是非常符合逻辑得推理,你觉得呢?


2、这是宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射在1964年由阿诺·彭齐亚斯和R·威尔逊首次发现,当时由于技术的限制,人们并没有在微波辐射中观察到温度的波动,全天温度完全一致,这就给人们造成了很大的困扰,物质分布的如此绝对均匀,那么恒星、星系、星系团这些结构怎么形成?


所以上图为上世纪90年代COBE卫星对微波背景进行的精确测量,测量的结果不仅证实了大爆炸余晖确实存在,而且证实了微波辐射的温度和光谱类型(黑体辐射)与大爆炸所预测的完全一致!再到后来的WMAP(各向异性探测)和普朗克卫星更是精准的测量了微波辐射中的微小波动!


事实上,如果我们再往回看,会看到什么?宇宙的温度高到可以摧毁单个的原子核,以至于宇宙只剩下质子、中子、电子和辐射粒子!


当宇宙冷却到质子和中子可以稳定的结合在一起形成原子核,而不会被辐射粒子(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精确的预测。所以下面就是第三条!


3、大爆炸核合成创造的轻元素丰度。

大爆炸理论可以准确的预测普通物质相对于光子的密度,以及其他核合成的元素相对于氢的丰度,通过我们对微波辐射光谱的测量,我们发现的轻元素丰度和理论预测惊人的一致!这是其他宇宙模型做不到的,所以大爆炸目前是我们宇宙演化的主导理论。


大爆炸没有解释的问题

大爆炸并不那么完美,它也有很多东西没有解释。例如……


宇宙为何如此平滑?甚至在大爆炸开始的时候宇宙就一样表现得很平坦了,宇宙大体上表现得平滑均匀,但上文中说得全天一致的微小波动是怎么出现的?为什么会有恒星、星系、星系团这样的结构等等?


这是一个很好的问题,但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回答不了的呢?


  • 为什么宇宙在空间上是平坦的?

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,在宇宙非常年轻的时候,物质和能量密度可以使空间呈现出任何形状,而我们从实验中发现空间非常平坦。事实上,即使是我们今天测量微波背景的温度波动。


我们发现在我们可观测宇宙930亿光年的范围内宇宙的曲率小于2%,真的挺平的!其实也有很多小伙伴会问这么一个问题,都说宇宙一开始物质能量密度极大,那为何没有重新塌缩在一起形成黑洞?这就是因为从大爆炸时期物质和能量的密度就已经处在了,让空间平坦的临界值,这一点很让人费解,是什么在微调空间的曲率?是什么导致了空间如此平坦?


  • 此外还有温度问题。

宇宙微波背景在空间的各个方向都有大致相同的温度。为什么会这样呢?宇宙一端的物质与另一端的物质是完全分离的,从诞生到现在一致如此,彼此之间从来没有交流和信息传递。但是它们的温度却是一样的!按照我们的常理两个物体之间要有一致的温度,毕竟经过热传递,至少要有接触,微波辐射的温度在930光年的范围都是一样的,就好像它们一直在互相接触一样。这是怎么回事?大爆炸没有说。


  • 那些奇怪的东西(奇异粒子)在哪?

如果我们的高能理论是正确的,宇宙不应该只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,如磁单极子、宇宙弦和其他拓扑缺陷。然而,至今还没有发现一个。


以上的问题都是大爆炸无法回答的问题,任何一个像阿伦·古斯一样的理论物理学家,都需要找到一个新的理论来解决所有的这些问题,而新的理论就需要做一个好的科学理论都会做的事情:提出一个新的预测!


暴涨理论如何解决这些问题,以及新的预测

这就是宇宙暴涨理论。是它创造了大爆炸高温,密集,膨胀的状态,宇宙一开始只存在真空能量,真空能量发生的量子涨落使宇宙在各处以微小的区域开始暴涨(以指数级的速度暴涨),暴涨结束后,真空能量衰变到物质中,创造了大爆炸的初始阶段,并且一部分真空能量被锁定在了空间中,这就是我们现在说的宇宙常数:暗能量!在这个过程中暴涨做了以下事情:


  • 快速拉伸空间,不管宇宙以前是什么形状,指数膨胀都可以让空间变得非常大,大到看起来是平的。(这个类似于我们地球,大到让我们看起来地球就是平的)
  • 暴涨发生在一个极小的处于平衡状态的区域(在这个微小的区域里,所有的物质都有机会达到相同的温度)然后快速膨胀并将其延伸到整个宇宙,使我们整个可观测宇宙充满了曾经的小而均匀的温度区域。
  • 暴涨理论的消除作用,会将之前存在的奇异粒子(磁单极子、宇宙弦等等)降低到可以忽略的程度。
  • 最后(新的预测)在暴涨过程中存在的量子涨落给出了从宇宙开始的涨落类型和波谱的预测。

最后一点尤为重要,因为这些波动不仅在宇宙微波背景中是可以测量到(但在1979年古斯提出暴涨理论时还没有能力测量),而且在我们宇宙的大尺度结构中也是如此!


所以当我们测量微波背景辐射和大规模的结构时,我们发现这些微小的波动与暴涨理论的量子涨落预测相符!


如果非要说个正确与否的概率,目前认为暴涨理论在解释宇宙起源问题上有98%的可能性是正确的!


这也意味着,我们目前看到的一些宇宙起源的时间轴图像,都存在一些缺失或者至少不应该把热大爆炸放在宇宙暴涨的前面?这就是很多人都在问的一个问题,大爆炸之前是什么?目前的答案是:真空能量下的宇宙暴涨!


遗憾的是我们不知道在宇宙暴涨之前发生了什么,而且就宇宙暴涨的性质而言,我们永远也不会知道在这之前发生了什么,因为暴涨还有一个名字叫无毛定理。也被称为宇宙视界,和黑洞视界没什么两样,空间的指数膨胀抹去了之前的一切!至少在目前来说,这是物理学允许我们知道的关于宇宙最古老的事情。


总结一下

暴涨是大爆炸发生的原因。根据我们所看到的,暴涨将宇宙空间拉平,使宇宙在各个方向上的温度相同,消除了之前存在的一些奇异粒子,并在所有的尺度上创造适当的波动(无论大小尺度)成长为我们现在拥有的恒星、星系和星系团。这就是大爆炸之前,这就是我们关于宇宙所能知道的最古老的故事!