由一幅「宇宙微波背景輻射圖」引發的深思,探索大爆炸的形成原因

2020-12-05 楓林推文天地

文/奧斯宇宙小課堂原創首發,轉載請註明出處;圖片來源網絡,侵權立刪

我突然意識到,那個跟小豌豆一樣漂亮的藍點就是地球。我舉起大拇指,閉上一隻眼睛,大拇指就完全把地球擋住了。我並沒有感覺自己像一個巨人,我感覺自己非常、非常渺小。——尼爾阿姆斯特朗

如果我們以最大的距離標尺(這裡指的是遠大於單個星系大小的距離標尺)看我們的宇宙,會有許多屬性是任何宇宙起源的理論都必須做出解釋的。我們現有的這個年輕宇宙最精確的圖像是由歐洲空間局的普朗克衛星拍攝的宇宙微波背景輻射圖。

宇宙微波背景輻射圖

這幅圖可以說是宇宙大爆炸的餘燼,它描繪的就是整個宇宙,它看似簡單卻會讓人引發很多深思!其中,不同的顏色表示宇宙大爆炸發生的38萬年後,宇宙密度的細微變化。宇宙微波背景輻射最明顯的特徵是它極其一致,輻射時的溫度為2.72548開氏度(略高於絕對零度),只有十萬分之一的上下波動。這些細微的溫度差異由圖片中的不同顏色表示。這種一致性很難用標準大爆炸模型來解釋,原因很簡單。

宇宙大爆炸

因為我們今天所觀測到的宇宙有900億光年的跨度。這意味著如果我們從地球的相反兩面看向宇宙微波背景輻射,我們會看到被900億光年分開的古老宇宙的兩個發光的部分。然而,宇宙只有138億年的歲月,這意味著光這種速度最快的物質只能穿行138億光年。因此,宇宙微波背景輻射的兩個「相對的」部分在標準大爆炸模型中,永遠不可能彼此接觸,而且沒有絕對的原因說明它們的溫度應該基本相同。

光速穿梭

我在前一句話中強調「基本」是因為,正如我們所知,宇宙景輻射微波背景輻射有大約十萬分之一的輕微變動,這是非常重要的。宇宙並不是到處都是完全平滑和一致的,在密度上的這些變動會轉化為宇宙微波背景輻射中的溫度整個宇差異。密度稍大一些的區域最終埋下了星系形成的種子,所以沒有它們,我們根本不會存在。在其他極端平滑的宇宙初期中,又是什麼引起了這些細微的變動呢?

浩瀚宇宙

全高層宇宙的另一個很難解釋的基本屬性是它的彎曲性——或者說是缺乏彎曲性——這也可以用宇宙微波背景輻射來衡量。空間看似絕對平坦,就像一個真正的溜冰場通過愛因斯坦的方程式,我們知道室間的形狀與宇宙中物質和能量的密度與分布有關。但是,在標準大爆炸理論中,宇宙並不是平坦的。實際上,在宇宙演變的138億年間,宇宙需要進行大量微調來保持平坦,相反,測量到的曲率半徑要比可觀測宇宙的半徑大很多——大約超過60星等。這是一個大問題!

浩瀚宇宙

在20世紀80年代初期,對可觀測宇宙的這些問題和其他屬性的研究促使一批蘇聯與美國的物理學家提出了一個激進的觀點。這個現代的版本,也被稱為宇宙暴漲理論,它最著名的支持者是阿倫·古斯、安德雷·林德和阿列克謝·斯塔羅賓斯基。在這裡我要提出一個問題:如果暴漲開始了,那麼它怎麼停下來?答案是暴漲完全是自然停下來的,但是我們要來個瀟灑的旋轉,探索一個「我們為何在此」的核心問題上。

海洋波浪

根據量子場理論定律,標量場推動暴漲上下波動,如同大洋表面的波浪。如果場內儲存的能量足夠多,那麼暴漲就會開始。有人可能會認為這樣快速的膨脹會將能量急速地稀釋,從而導致波動的停止。但標量場有一個很有趣的屬性,那就是它們的能量密度可以隨著空間的膨脹而保持相對的恆定。你可以將膨脹的空間想像成是對場做功,向其注入能量使其維持高水平。接下來,場中能量的高水平會繼續推進膨脹。

大洋波浪

這聽起來像是終極免費午餐,而且在某種意義上它幾乎就是如此,儘管能量會逐漸稀釋並最終消散。這一過程所需的時間取決於場中初始波動的大小以及場本身的細節情況,但是一般來說,初始能量越大,隨著膨脹的繼續,場值下降所需的時間就越長。一個經常用來描述這種情形的類比是想像是太空球運動。球在山谷上方的高度代表了標量場的能量密度。當球位於高處時,場中能量很大,會促使暴脹發生。

太空球運動絕妙地詮釋了暴脹理論

當球緩慢地滾向谷底時,能量減弱,暴脹也就停止了。在谷底時,球會來回振蕩,直至停止。同樣,標量場來回振蕩,這樣會將其能量以粒子的形式傾倒在宇宙中,做成了一份「熱濃湯」,這也就是我們所說的「大爆炸」。換句話說,暴漲自然結束,而標準大爆炸緊隨其後。因此,推動暴漲的標量場的衰變就是大爆炸發生的主要原因!

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