暴涨宇宙学的历史与发展

天道无极

资料来源

书名：宇宙的最后三分钟
作者：保尔·戴维斯（Paul Davies）
出版：上海科学技术出版社·科学大师佳作系列


http://www.hudong.com/wiki/%E6%9A%B4%E6%B6%A8


暴涨理论（Inflation）是关于极早期宇宙的一组模型的通称，这些模型包括一个短暂的(指数的)快速膨胀，在远远不到一秒钟的时间内，将现在已成为可观测宇宙的东西，从一个比质子还小很多的体积，炸开到大约柚子那么大。这个过程应该能够抹平时空而使宇宙平坦(见平坦性问题)，也应该能解决视界问题。

                               
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暴涨在1980年代被承认为极早期宇宙的标准模型。它取得这样的成功，不仅仅因为它解决了有关宇宙本质的许多难题，而且由于它解决这些难题时应用了大统一理论（GUT）和与宇宙学研究毫无关系的粒子物理学家发展出来的量子理论知识。发展这些关于粒子世界的理论时并未想到它们可能应用于宇宙学(它们决不是为了处理后来竟然解决了的所有问题而‘设计’的)；很多人认为，这些理论在宇宙学领域的成功，说明它们确实得到了对于宇宙的真正重要的了解。


粒子物理学(研究最细微之物)和宇宙学(研究最庞大之物)的联姻，看来已经解释了宇宙如何起源和如何演变成当前的样子。因此，暴涨可视为自最早暗示宇宙起源于大爆炸的宇宙膨胀被发现以来，宇宙学思想的最重大进展。

                               
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观测到的宇宙膨胀暗示，它是150-200亿年前从一个密度无穷大的奇点起源的。量子物理学认为这种极端的说法没有意义，应该改为膨胀起始于直径不超过普朗克长度(米)的一个区域，因而当时的密度不是无穷大，而是‘只有’大约克每立方厘米。


第一个难题是，如此致密的东西怎么能够膨胀——它应该拥有极其强大的引力场，在它刚刚诞生后就会把它变成黑洞并(重新转为奇点)归于消失。暴涨模型提出前，大爆炸理论的其他问题涉及时空的极度平坦(意味着宇宙的膨胀和引力的反抗达到平衡，致使宇宙精确地处在永远膨胀和终将发生坍缩至大崩塌这两者的分界线上)，以及宇宙显示的极度均匀性和各向同性，这种性质以背景辐射的均匀性展现得最清楚。

                               
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当宇宙仍如普朗克长度那么大时，如果给它一个猛烈的向外推动(其作用犹如反引力)，所有这些问题都能得到解决。如此小的一个空间区域真是太小，开始时不可能包含不规则结构，所以最初它是均匀和各向同性的。以光速传播的信号有非常充裕的时间在难以置信的微小体积内互相交叉，所以不存在视界问题——胚胎宇宙的两边彼此‘知晓’对方。而时空本身因膨胀而变得平坦，就像放入水中的梅干泡发后，布满皱纹的梅干表皮变得平滑。与标准大爆炸模型一样，我们仍然可以把宇宙类比于膨胀气球的外膜，但现在必须把它看成在其存在的最初瞬间大大暴涨了的实在的巨大气球。


大统一理论在应用于宇宙学时造成如此大的轰动，是因为它预言存在的机理正是进行这种工作所需要的，这就是所谓的标量场（scalar field）。标量场与大统一的原始力在宇宙开始膨胀和冷却时分裂成我们今天所知的基本力有关。引力应该在普朗克时间——暴涨10^-43秒——时就分离出去了，而强力在大约暴涨10^-35秒之前分离。大约在暴涨10^-32秒内，标量场应该已经完成了它们的工作，至少每隔暴涨10^-34秒将宇宙增大一倍(暴涨理论的有些版本甚至认为膨胀得比这更快)。这听起来可能是适度的，但它意味着在暴涨10^-32秒内加倍了100次。这已足够引起比一个质子小暴涨10^20倍的量子涨落，并在大约15×暴涨10^-33秒内将它暴涨为直径约10厘米的球。在这个时候，标量场已经完成了对宇宙的初始发动任务，平静下来，释放它的能量，留下一个如此高速膨胀的火球，以致引力即使现在已经能够开始发挥其将一切东西拉回到大崩塌的作用，也需要经过数千亿年先制止膨胀，然后才能使其反转。


奇妙的是，时空的这种指数膨胀，可用威廉·德西特在1917年根据广义相对论提出的首批宇宙模型之一加以准确描述。德西特的这个模型仅仅被当成与现实宇宙无关的数学珍品达半个多世纪；现在却成了暴涨宇宙学的基石之一。
暴涨的特质之一是，它似乎进行得比光速更快。即使是光也要10亿分之3秒(3×暴涨10^-9秒)才能走完一米，而暴涨只用了大约5×暴涨10^-33秒就把宇宙从远小于一个质子的大小扩大到直径10厘米。这种情形之所以可能，是因为膨胀的是时空本身，物质只是被它带动而已；不论在暴涨期间或是自暴涨发生以来，没有任何东西通过时空的运动可以比光更快。确实，正是由于膨胀是如此快速，物质才没有来得及在膨胀进行期间运动，这个过程在变成我们今日宇宙的原始量子泡最初的均匀性中‘凝固’了。暴涨剧本在其不长的历史中已经历了好几个发展阶段。第一个暴涨模型是莫斯科朗道理论物理研究所的阿列克谢·斯塔罗宾斯基（Alexei Starobinsky）在1970年代末提出的——不过当时不叫‘暴涨’。那是一个基于量子引力理论的极其复杂的模型，后来称之为‘斯塔罗宾斯基宇宙模型’，在当时的苏联宇宙学家中引起了轰动。可惜，苏联科学家那时仍然很难出国旅行或与苏联势力范围以外的同行通讯，有关消息未能传播到苏联以外。

                               
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1981年，当时在麻省理工学院的艾伦·古斯（Alan Guth），在对斯塔罗宾斯基的工作毫不知情的情况下，发表了一个不同的暴涨理论版本(《物理学评论》，32卷，347页，1981年1月)。这个版本影响更大，原因有二，其一是比较明白易懂，其二是身在美国的古斯能够和全世界的同行自由探讨他的观点。而古斯给他描述的过程所起的名称‘暴涨’极富感染力，也给他带来了意外的好运。虽然古斯的原始模型在一些细节上有明显缺陷(他当时也承认这点)，但正是这一版本的观点使所有宇宙学家明白了暴涨的威力。


1981年10月，在莫斯科召开了一次以暴涨为主题的国际会议。斯蒂芬·霍金（Steven Hwaking）提交了一篇论文，声称暴涨根本不能成立；安得列·林德（Andrei Linde）则公布了一份叫做‘新暴涨’的改进版本，避开了古斯模型遇到的困难。有趣的是，林德是霍金谈话时的正式翻译，承担了给听众传达与他自己对立的观点这一令人为难的任务！但在正式发言之后，霍金终于相信林德是对的，暴涨也可能成立。几个月后，宾夕法尼亚大学的安德里亚斯·亚布勒希特（Andreas Albrecht）和保罗·斯坦哈特 (Paul Steinhardt)发表了他们的新暴涨理论；到1982年底，暴涨已经稳固地确立了它的地位。


此后，林德参与了大多数重大理论发展。下一步进展是认识到不必对膨胀成我们这个宇宙的普朗克大小的时空区做任何特别的规定。如果那是一切标量场均成立的某个更大时空区的一部分，那么只有标量场能引发暴涨的那些时空区才能导致出现我们自己这样的宇宙。林德把这叫做‘混沌暴涨’（Chaotic Inflationary），因为标量场在早期的超级宇宙的不同地点可取任何数值；这是今天的暴涨理论标准版本，可视为与人择原理（anistropic principle）有关的理论思维的一个例子(注意，这里使用‘混沌’一词和日常所指的一团糟意义相似，与称为‘混沌理论’的数学科目无关)。


混沌暴涨思想导致暴涨理论(迄今)最重大的进展。标准大爆炸宇宙学未能回答的主要问题是，奇点‘之前’是什么。人们常说这个问题没有意义，因为时间是从奇点开始的。但混沌暴涨认为，我们的宇宙是在某个预先存在的时空区中、由量子涨落生长而成的，而且在我们自己的宇宙内部也能经由完全等效的过程创造出暴涨区。在1983年，林德提出早期宇宙的量子态也许以一种无序的方式逐点变化：这里是低能态，那里是中等激发态，某些地方则是高激发态。处于激发态的地方会出现暴胀。此外，林德对量子态变化特性的计算清楚地表明，高激发态暴胀得最快而衰退得最慢。结果是对某个具体的空间区域来说，能态激发得越高，宇宙应暴胀得越剧烈。显然，在极短时间之后，能量碰巧为极大因而暴胀也最快的空间区域会膨胀得最大，并占据整个空间的最大部分。林德把这种情况同达尔文进化或经济学联系起来。对应于某个甚高激发态的一次成功的量子涨落，所产生的结果是那个区域的体积在瞬息之间便出现巨大的增长，尽管这意味着它外借了大量的能量。所以，那些借了许多能量、处于超级暴胀之中的区域很快便取得了统治地位。


无序暴胀的结果是，宇宙会被分割成一团微宇宙，或者说一团宇宙泡，某些泡发疯似地暴胀，而有的则根本不出现暴胀。因为纯粹是由于随机涨落的结果而使某些区域具有十分大的激发能，在这些区域内出现的暴胀会比原始理论中所假定的暴胀要强得多。但是，这些区域正是暴胀最强烈的区域，所以要是在暴胀后宇宙中随机选择一点，那么这一点很可能就落在这种高度暴胀的区域中。因此，我们自己在空间中的位置很可能便位于某个超级暴胀区内很深的地方。按林德的计算，这种“大宇宙泡”也许已经暴胀了10的8次方幂。这是一个在 1 的后面跟着 1 亿个零的数！总之，新宇宙可以从我们的宇宙分离出来，我们的宇宙本身可能是从另一个宇宙分离出来，这是一个没有起始也不会终结的过程。关于这个话题的一种说法是，‘分离’过程是通过黑洞进行的，每当一个黑洞坍缩为奇点，它会‘跳’出来并进入另一组时空维度，创造出一个新的暴涨宇宙——这就是称为婴儿宇宙（Baby Universe）的情景。



我们自己的宏伟宇宙版图应只是无限多个高度暴胀宇宙泡中的一个，因而在庞大无比的尺度上，宇宙看上去仍然会是极端无序的。我们这个宇宙泡的延伸距离之远大大超出了目前可观测宇宙的范围，在它的内部物质和能量大致呈均匀分布。但是，在我们的宇宙泡之外还有其他宇宙泡，以及一些仍处于暴胀过程中的区域。事实上，在林德模型中，暴胀永不停息。始终有一些空间区域正发生暴胀，那里正在形成新的宇宙泡，那怕另一些宇宙泡走完它们的生命循环而已死亡也没有关系。所以，这是某种形式的永恒宇宙，它同前面一章所讨论的子宇宙相类似。在这种宇宙中，生命、希望和泡宇宙永恒不息地在涌现出来。因暴胀而产生泡宇宙决无结束之日，可能也谈不上有什么起点，尽管现在对此还存在某些争议。


永远暴涨及自我生产宇宙的思想，与弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）及加扬·纳里卡（Jayant Narlikar）提出的稳恒态假说版本，有一些相似之处。它在 50 年代以及 60 年代的早期曾一度流行，而至今它仍是用来摆脱宇宙终结的最简单而又最吸引人的学说。在赫尔曼·邦迪( Herman Bondi )和戈尔德的原始形式中，稳恒态学说假定宇宙在大尺度上是永远保持不变的。因此，宇宙没有开端，也没有终结。随着宇宙的膨胀，新物质不断地创生出来以填补空隙，同时保持总体密度不变。任何一个星系的命运同我在前面几章中所描述的情况相类似：那就是诞生、演化和死亡。但是，一些星系源源不断地从新创生的物质中形成，而新创生物质的补充又是永无止境的。因此，宇宙的总体状况看上去是相同的，在给定的空间范围内有着相同数目的星系，它们由各种年龄的星系混合组成。

稳恒态宇宙的概念无需解释宇宙最初如何从虚无中诞生，它还把在演化过程中产生的各种各样有趣的现象同宇宙的永恒掺合到一起。事实上，除了这点以外，它保证宇宙将永葆青春，这是因为尽管各别星系会慢慢地死去，但宇宙作为一个整体永远也不会变
得老态龙钟。由于新物质自然就提供了能源，因而我们的后裔永远不必因为能源越来越枯竭而到处去发掘可利用的东西。一旦老的星系燃料用完了，居民们就迁往比较年轻的星系，而这个过程可以永无止境地、以同等充沛的精力、多样性和活跃性，一直维持下
去直到永远。

但是，要使这个理论成立，还需要某些必要的物理条件。因为膨胀，每隔几十亿年宇宙的体积便要增大 1 倍。为了使密度保持不变，在此期间需要创生出大约10^48吨的新物质。这个数字看上去很大，但平均说来，这相当于每一百年在机舱那么大的空间内只出现 1 个原子。这种现象我们不大可能会注意到。一个比较严重的问题是关于这个理论中使物质得以创生的那种物理过程的性质。至少我们应该要知道，提供这份额外质量的能量来自何处，而这个能量魔瓶又怎样会取之不竭，用之不尽？在这个版本的稳恒态假说中，创造场（creation field）扮演着发动暴涨的标量场的角色。1994年12月，在伦敦召开的一次皇家天文学会会议上，霍伊尔曾经牵强附会地指出，暴涨理论的有关方程式与他的稳恒态理论版本中的完全一样，只不过将字母‘C’换成了希腊字母‘φ’而已(译注：英文‘创造’一词的首字母是‘C’，所以创造场又叫做C场。在数理科学中，希腊字母‘φ’常代表标量，所以有时称标量为φ场。两个称谓的差别就是‘C’和‘φ’的不同，故霍伊尔如是说。)。‘这’，霍伊尔(很不老实地)说，‘就是全部分歧所在’。


暴涨理论的当代支持者得出的这些方程式与霍伊尔的方法完全无关，他们不愿意接受这种抽掉了他们的大爆炸模型之宇宙学精髓的类比。确实，当1980年古斯被问及当时全新的暴涨概念与稳恒态理论有何关系时，据说古斯的反应是‘什么是稳恒态理论？’不过，虽然一般认为暴涨是大爆炸宇宙学的发展，但更恰当的是把它看成大爆炸和稳恒态两种理论的最佳特点的结合。


所有这些好像一场无谓的哲学争论，它和论证多少个天使可以在一个针尖上跳舞一样手事无补，惟一说明问题的是COBE卫星的背景辐射观测资料，这些资料揭示的微小不规则结构图景与暴涨理论预言的完全一致。对暴涨概念最早期(早在1981年)的担心之一是，它也许太过完美以致难以信其为真。特别是，如果这个过程能如此高效地抹平宇宙，那么像星系、星系团等等那样大的不规则结构怎么能够产生？但是，当研究者更仔细考察这些方程式后，他们认识到，甚至在我们宇宙的直径大约是暴涨10^-25厘米——比普朗克长度大1亿倍——时，量子涨落应该仍然能在宇宙结构中引起微小的涟漪。


理论认为，暴涨之后这些涨落被扩大，表现为宇宙中物质和能量分布的不规则性。这些密度扰动应该在物质和辐射解耦时期(约在大爆炸30万年后)给背景辐射留下印记，使背景辐射正好具有先由COBE卫星、后由其他仪器探测到的那种不均匀性。解耦以后，密度涨落增长为当前星系分布所显示的宇宙大尺度结构。这意味着COBE卫星的观测确实提供了宇宙年龄不到暴涨10^-30秒钟时，究竟发生过什么事情的信息。 没有其他理论能够解释何以宇宙总体上如此均匀，却又包含了以星系空间分布和背景辐射变化为代表的这种‘涟漪’。这并不证明暴涨理论正确，但值得记住，如果COBE卫星发现的涨落是另一种图景(或者根本没有发现涨落)，那就证明暴涨理论是错的。从最佳科学传统来看，暴涨理论的毫不含糊的主要预言已经‘成为现实’。暴涨还预言原始扰动可能留下了具有特殊性质的引力辐射的痕迹，未来10-20年内有望研制成功灵敏度足够辨认这一特征辐射的探测器。

                               
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meibozh

靠。好复杂！终于看完了。

gohomeman1

如楼上所言，一是必须给出信息来源，虽然这些内容我都知道
二是要修改那些表示指数的错误。如果，应该是10^-35秒

gohomeman1

内容我很早就知道，因为这本书我有。但是图显然是后添加的。

LICHX

暗能量，暗物质是最近发现的，它主宰了宇宙的大部分，我想以后的历史应该有暗能量，暗物质参与。