宇宙之初：大膨脹②宇宙膨脹時是什麼樣的？

宇宙充滿了物質和能量，我們通過各種方式對其進行了觀測。原子在引力的作用下，經過數十億年，凝聚成片成團，逐步演變為行星，恆星，氣體雲，單個星系，星系團等，它們構成了如今這個巨大的宇宙網絡——我們稱之為「可觀測的宇宙」。

自「宇宙大爆炸」發生之後，宇宙一直在膨脹和冷卻。但是大爆炸並不是宇宙的開始。在它之前，有一個稱為「宇宙膨脹」的時期，它出現得更早，它為大爆炸的產生提供了初始條件。

瘋狂的膨脹

宇宙膨脹為我們描繪了一個與我們「可觀測的宇宙」完全不同的景象。

想像你（是一個粒子）位於時空結構中的某個位置，你的對象（是另一個粒子）就在你身旁。現在，影響你們距離的唯一因素，是宇宙的膨脹。那麼，你們之間的距離會如何變化呢？

如果你們所處的宇宙充滿了物質，那它將以時間三分之二的功率擴展，這時你們之間的距離為t^2/3；

如果你們所處的宇宙充滿了輻射，那它將像時間的平方根一樣膨脹，這時你們之間的距離是t^1/2；

但是，當你們所處的宇宙膨脹時，它的空間將呈指數增長，即e ^Ht（H是宇宙的膨脹率）。

由於膨脹不僅是指數的（指空間增長速度），而且是快速的（指膨脹率），因此，只要大約10^-35秒，你和你對象的距離就會增加一倍。

但是，膨脹最大的特點不是它的「快」（畢竟大爆炸的初期可能同樣迅速），而是它的瘋狂——瞬間就會將處於其中的任何東西（你們）的距離由「咫尺」變「天涯」，並永遠不得再見。

經過10^-35秒，你們距離是最初的2倍；2×10^-35秒後，距離變為的4倍；3×10^-35秒後，距離是8倍；4×10^-35秒後，16倍。

如果你還忍心，可以繼續算下去。經過10^-34秒，你們相隔距離是原先的10²⁴倍；10^-33秒後，它將是10³⁰倍；10^-30秒後，是10³⁰⁰⁰⁰倍……

任意形狀的空間

如此瘋狂的膨脹，它空間本身應該是什麼樣子的呢？

這似乎並不重要，你可以想像成是各種各樣的形狀：球形的、打結的、扭曲的等等。它可能充滿了拓撲缺陷，並且整個過程中都有漏洞，它可能以奇怪的方式在多個地方連接，它甚至可能存在於微小的亞原子顆粒內……

你如何想像都可以，因為不管空間的初始形狀如何，膨脹期間，它都會被拉伸到相對於你是無限的大，以至於無論你從哪個角度看，它都是平坦的（就像我們站在地球上，無論怎麼看，地球都是平的一樣）。

膨脹如此強大的拉伸能力，這股力量是從哪來的呢？它來自於空間本身固有的能量。

膨脹會創建出新的空間，而這些新的空間，又同樣具有相同的內在能量。新的空間將再創建的空間……

膨脹會結束嗎？

膨脹並非在宇宙（整個膨脹場）各個區域都會永遠持續下去，當每次創建新空間時，它都有一定的（很小）概率會終止。

膨脹場是一個量子場，它隨時間而擴展，在不同區域會有不同的值。儘管有的區域結束了膨脹——比如我們「可觀測的宇宙」所處的區域，但更多區域——比如可觀測宇宙之外的區域——將繼續膨脹。所以在無限大的尺度上，膨脹是永恆的。

那麼，在什麼情況下膨脹會結束呢？

如果把膨脹描繪成一個在山頂上緩慢滾動的球（因為整個膨脹場很多區域都在膨脹，所以實際上會有很多這樣的球），那麼，當球從山頂滾入山谷時，它就會結束。

當膨脹創建新的空間時，球就會往一側滾動，往哪一側滾動，更接近山頂還是更接近山谷，它是隨機的。如果球滾向山頂，那它將繼續膨脹，產生新的空間。如果球滾入山谷，那麼膨脹就結束了，能量隨即轉化為大爆炸的能量，剩下的就是大爆炸的故事了。

膨脹結束後，空間固有能量又是如何轉化為大爆炸能量的呢？

只要膨脹繼續下去，空間就會繼續被各種尺度的能量波動所充滿，從而形成一個特別的空間結構——看起來像連續振動的網格，並且會在所有尺度上產生引力波。

最後，膨脹結束（指某個區域）。（該區域）所有空間固有的能量，在不同位置，值略微不同，且都在下降。這些能量，會不斷轉化為物質、反物質、輻射，並創建出一個溫度很高、密度很大，且溫度和密度都處處均勻的宇宙。

這種過渡被稱為「宇宙再加熱」，它標誌著膨脹階段的結束，大爆炸的開始。這時，宇宙中能量漲落變成了密度漲落。正是這密度漲落，導致了如今我們「可觀測的宇宙」大規模結構的產生。

膨脹仍在發生

從理論上講，「可觀測的宇宙」之外的事物，對我們而言，是永遠看不到的。

膨脹建立並創造了整個宇宙，並為大爆炸提供了它的初始條件。即使在今天，仍有很大的空間在膨脹（雖然這些空間我們都無法看到）。隨著膨脹，新的、大小相等或更大的空間不斷被創建出來。

也許，你會有疑惑：如果整個宇宙如此膨脹，那麼身處其中的我們，為什麼彼此之間沒有被隔離得無限遠呢？

對此，宇宙學家建議我們應該拋開直覺，並接受一個事實，即「宇宙膨脹的能量來自它空間本身固有的能量」。只有這樣，我們才能更好地理解宇宙膨脹。