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我们为什么需要宇宙暴胀理论?并不完美的科学假说

2018-10-25 8:47:12来源:新浪科技作者:任天责编:马卡评论:

北京时间10月25日消息,据国外媒体报道,宇宙大爆炸模型是目前对宇宙历史的最成功解释,而且这一模型的核心框架可以很容易地浓缩为一句话:在很久以前,我们的宇宙要比现在小得多。在这个简单的句子背后,是许多经过数十年观测后得到验证的重要预言。宇宙的膨胀速率、宇宙微波背景辐射、最轻元素的产生、近处和远处星系之间的差异……所有这些研究获得的证据使宇宙学成为一门科学。然而,一些问题依然悬而未决。

在没有其他补充或修正的情况下,大爆炸理论无法解释所有观测结果。

望向遥远的宇宙

我们看到的是无比巨大的宇宙空间。目前可观测的宇宙直径超过900亿光年。而且,随着我们对过去的了解越来越深,我们的目光也看得越来越远。围绕在我们周围的是宇宙微波背景辐射,这是宇宙诞生不久(大约27万年)时遗留下来的“化石”痕迹——宇宙最古老的光,距离现在过去了138亿年。

这些热辐射穿过遥远的宇宙空间,来到我们身边。距离之远,我们现在还无法到达其源头。而且,对于宇宙微波背景的不同部分,其辐射也彼此无法到达。用物理学的术语来说,宇宙微波背景的不同区域不是因果关联的。换句话说,在过去138亿年中,对于我们可观察宇宙极限范围内的一大块区域而言,如果要与另一大块区域沟通,就必须发送比光速更快的信号。

如果宇宙微波背景不是几乎完全平滑的话,这些就不是什么大问题。新生宇宙具有相同的温度(差别只有百万分之一)。为什么一切都协调得如此之好,一处区域的变化都没有足够的时间影响到其他区域?

宇宙是平的

尽我们所能对宇宙进行测量,会发现宇宙的几何学性质似乎是完全的平坦。在大的宇宙尺度上,平行线永远保持平行,三角形的内角加起来是180度,以此类推。你在高中学到的欧几里得几何规则都适用。

但是,宇宙没有理由是平坦的。在大尺度下,宇宙可以有任何想要的弯曲,它可以像一个巨大而多维的沙滩球,也可以像骑马用的马鞍。然而,它选择了平坦,而且不只是有点平坦。在如今的宇宙中,没有哪里的曲率可以达到几个百分点的精度,早期宇宙则肯定能达到百万分之一的平坦程度。

为什么?在所有可能的曲率选择中,几乎完全平坦的选项难道没有一点可疑吗?而且事实上,我们确实怀疑这种平坦度是有原因的,而不仅仅是掷骰子的幸运结果。

神秘的磁单极子

在理论物理学中,磁单极子是假设的仅带有单一磁极的基本粒子——想象一个只有北极或南极的粒子在独自转动。在已知物理学中,具有磁北极的物体也同时具有磁南极。根据目前关于最早期宇宙(大约是10^-35秒时)的最佳模型,当时宇宙中应该充斥着这样的磁单极子。

这些磁单极子应该非常常见,甚至应该成为我们日常宇宙生活中的正常部分。然而,截至目前我们还没有看到哪怕一个证据。在黑暗宇宙中似乎并没有潜藏着神秘的单极子粒子。

它们去哪里了?在宇宙刚开始变得有趣时,它们应该大量存在的,但如今却无处可寻。

暴胀的宇宙

目前我们对这些难题的最佳解释是宇宙暴胀(inflation)的过程。1980年,美国物理学家阿兰·古斯(Alan Guth)首次提出了这一理论,并指出导致磁单极子充斥宇宙的过程也使宇宙进入了一个快速膨胀的时期。

想象一下,如果将你的身体——包括肠胃、大脑、骨架等等——膨胀到整个宇宙大小,并且只花了不到10^-32秒的时间。这是非常猛烈的膨胀过程,所谓宇宙暴胀即是如此。阿兰·古斯提出,当我们的宇宙非常年轻时,它就在不到一眨眼的时间里膨胀到了如此庞大的尺度。

对古斯而言,这是解决磁单极子难题最干脆的途径。通过使宇宙变得如此之大,磁单极子就会被稀释。我们可观测的部分宇宙只是整个宇宙的一个小角落,还有无比巨大的空间在那里,我们甚至永远都不能期望会发现磁单极子。

宇宙暴胀还解决了大爆炸理论的另两个问题。在暴胀之前,宇宙有充足的时间来协调和平衡温度,然后再进入一个更大尺度的状态,同时一些曾经连接着的区域也彼此分离,无法再互相接触。在这样一个广阔的宇宙中,我们在可观察的部分里也只能测量到平坦的几何学特征。谁会在乎整个宇宙的曲率是多少……它太大了,以至于在我们看来几乎完全是平坦的。地球是有曲率的,但如果站在地面上看,你会看到后院的草坪是平坦的,因为它的面积相对地球表面而言太小了。在考虑宇宙形状的问题时,你也可以运用同样的逻辑。

尽管如此,科学家对宇宙暴胀背后的机制仍然充满困惑。作为一个并不完美的科学假说,暴胀理论不能只解释当前的观察结果,也在对未来的观察进行预测。那就是未来新的故事了。

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关键词:宇宙暴胀宇宙

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