宇宙中的一切来自大爆炸,那么大爆炸又是来自哪里?

宇宙中的一切来自大爆炸,那么大爆炸又是来自哪里?

“科学理论应该具有简单性、解释性、预测性。但目前我们所说的暴胀理论、多元宇宙似乎并没有这样性质。”——保罗·斯坦哈特,2014

当我们谈到宇宙诞生的时候,第一时间会想到宇宙起源于炙热、稠密、膨胀的状态,一切的物质都来自于此。通过观察和测量宇宙今天正在膨胀的事实(星系之间在各个方向上的距离越来越远)我们不仅可以确定宇宙的命运,还可以确定它从何而来。那么你可能想问:宇宙的一切来自大爆炸,那么大爆炸又是来自哪里?

大爆炸理论存在的问题,以及暴胀理论如何解决这些问题

当然大爆炸理论并不完善,在发展的过程中也出现了一些谜题,包括:

宇宙最初的热大爆炸状态从何而来?为什么相隔甚远、不同的空间区域,自时间之初就没有时间交换信息的地方,却充满了彼此相同的物质密度和辐射温度?为什么宇宙会如此完美地平衡于物质密度和膨胀率之间?如果宇宙中物质的数量超过最初的膨胀率,那么宇宙就会在大爆炸初期重新崩塌;如果宇宙中物质的数量小于最初的膨胀率,那么宇宙就会快速膨胀到可能形成任何物质结构。如果宇宙曾经存在超热、超高密度的状态,那么高能、遗留的奇异粒子(比如磁单极子)现在在哪里呢?这些粒子理论上今天应该存在,而且很容易找到。

以上问题的解决方法出现在1979年底/ 1980年初,由阿兰·古斯提出的宇宙暴胀理论,在一定程度上解决了这些问题。

通过假定宇宙并非直接起源于热大爆炸,而是在热大爆炸之前还存在一个状态,这个状态的宇宙不是由物质和辐射组成,而是当时的宇宙只存在固有的真空能量,正是这些真空能量发展出了我们目前所看到的宇宙:

暴胀结束后,真空能量衰变到物质中,创造出了一个热的,稠密的,膨胀的初始状态,(热大爆炸)使宇宙充满物质和辐射,指数膨胀的空间,使宇宙各向同性(各个方向温度几乎一致),指数膨胀的空间,使宇宙各向均匀(各个方向的物质密度看起来都是一样的),指数膨胀的空间,使得当时可能存在的奇异粒子,迅速被稀释到今天无法检测到的程度。

在暴胀时期空间呈指数增长,空间迅速被拉伸成平面,到处都有相同的性质(包括温度和物质密度,以及微小的波动),当膨胀结束时,就会创造出一个与我们现在看到的宇宙非常相似的宇宙。另外,暴胀理论还会提出了4个额外的预测,这些预测在当时并没有被验证或观察到。

暴涨理论提出来的预测
宇宙空间是平坦

在20世纪80年代早期,我们已经完成了对星系、星系团的大规模调查,并开始了解宇宙的大规模结构。根据我们所看到的,我们可以测量出来以下两个数字:

宇宙的临界密度,或者说物质密度需要多大才能使宇宙在大坍缩和永远膨胀之间保持完美的平衡。

宇宙的实际物质密度是多少,不仅来自我们所看到的发光物质、气体、尘埃和等离子体,还来自包括暗物质在内的所有引力源。

我们发现,第二个数字仅仅是第一个数字的10%到35%,换句话说,宇宙的物质比临界密度小得多,这意味着宇宙空间曲率是开放的。

但是膨胀预言了一个空间平坦的宇宙。无论以前的宇宙是什么形状,在暴胀结束后,它都是平坦的,或者至少与平坦没有什么区别。这两者之间的差异是怎么回事呢?

随着1998年对超新星观测的结果,暗能量的出现,再加上2003年第一次发布的WMAP数据,我们开始明白,宇宙实际上是平坦的,物质密度低的原因是因为宇宙中还存在我们完全意想不到的新形式的能量。

宇宙物质密度的微小波动是由暴胀时期的真空能量波动创造的

在宇宙暴胀时期,真空能量的微小波动被指数膨胀的空间放大到了更大的尺度上。我们今天的宇宙在量子尺度上具有固有的不确定性,即由于海森堡测不准原理而导致的能量微小波动。

但是在暴胀期间,那些小规模的能量波动应该会延伸到整个宇宙,延伸到巨大的宏观尺度,最终应该延伸到整个可见的宇宙!

1992年COBE卫星首次对宇宙微波背景中的密度波动进行了观察,我们发现这些波动是存在的。随着WMAP对COBE的改进,我们能够测量这些波动的大小,并且与暴胀理论预测一致。

宇宙的涨落是绝热的,或者各处熵值相等。

宇宙的波动可能有不同的形式:绝热的、等温的,或者两者的混合。暴胀理论预测这些波动应该是100%绝热的,这意味着无论是WMAP测量的CMB,还是像2dF和SDSS测量的大型结构,都有非常具体测量结果。如果宇宙微波背景辐射和大尺度结构波动是相关的,它们就是绝热的;如果不是,它们就是等温的。

通过我们的测量,其结果与暴涨理论预测的一致,宇宙的涨落是绝热的,各处熵值相等。

最后,宇宙具有特定的引力波波动频谱。

这是最后一个,也是唯一一个还没有得到证实的重大宇宙事件。有些模型,比如林德的混沌暴胀模型会产生大量值的引力波,而另一些模型,比如阿尔布雷希特-斯坦哈特模型,会产生非常小量值的引力波。

我们知道它们的光谱应该是什么,以及这些波如何与CMB偏振中的波动相互作用。唯一的不确定性是它们的规模,可能小到无法实际观测,这取决于哪种暴胀模型是正确的。

因此,暴胀理论并不是某种脱离了可观测事实的理论怪兽。相反,它做出了4个新的预测,到目前为止,我们已经证实了3个!它也预测了一些我们还没有搞清楚如何观察的现象,比如一个多元宇宙,但这至少不会影响暴胀理论的成功。

宇宙暴胀理论不是投机性的理论。由于我们对CMB和宇宙大尺度结构的观测,我们已经能够准确地证实它所预测的现象。这是我们目前所宇宙中发生最早的时间,并且它在大爆炸之前就已经发生了。