宇宙暴脹理論是怎麼出現的?真的正確嗎?

2020-12-05 天使沒翅膀i

一切要從過去30年間宇宙學領域發生了什麼說起:暴脹理論的誕生;這一理論在近些年的發展,即暴脹成為暴脹多重宇宙理論和弦理論的一部分;接著則是對未來的期望。

在大約一個世紀之前,愛因斯坦提出了一個叫作宇宙學原理的理論,聲稱宇宙是各向同性的。此後許多年,人們普遍使用了這一原理。事實上,這一原理很早之前就被牛頓論證過。在今天的天體物理學書籍中,仍以各種不同版本的宇宙學原理呈現著宇宙的樣子。

曾幾何時,這是可以回答宇宙各處為何都相同的唯一答案。但這個問題實際上是在問,為什麼是這個宇宙?所以大家都不去考慮多重宇宙的可能,只是想解釋我們身處的宇宙為什麼這麼均勻、為什麼這麼大、為什麼平行線不會相交。這實際上都是同一個問題的一部分:如果宇宙像小球般大小,如果畫幾條垂直於小球赤道的線,它們應該在北極點和南極點相交。為何從未有人見過兩條平行線相交?

問這類問題可能看上去有些傻。比如,可能有人會對宇宙出現前發生了什麼感到好奇。我們當年學的廣義相對論告訴我們,問這個問題是沒有意義的,因為愛因斯坦方程的解在奇點無法繼續,所以何必煩心呢?不過到目前為止,始終有人為此煩心。他們在努力嘗試回答這些問題。但對大多數人來說,這種問題是形上學的,不值得認真對待。

直到暴脹理論被提出,人們才開始認真考慮這些問題。阿蘭·古斯思考了這些問題並提出了宇宙暴脹理論。在這一框架下,這些問題可以得到一致的解答。問題是,古斯很快就意識到,僅僅只有他自己的答案還不夠完整。之後,經過一年多的研究,我提出了一個新版本的暴脹理論,它對找到這些問題的答案很有助益。最開始,這個理論聽上去像是科幻小說,但在我們發現能通過它找到這些問題可能的答案之後,它就始終徘徊在我們的腦海之中。這就是我們相信宇宙暴脹理論的第一個原因。下面我將進行具體解釋。

標準大爆炸理論認為,宇宙萬物都是從一次巨大的爆炸開始的。「恐怖分子」開啟了宇宙。如果你想計算一下這場爆炸需要多少高科技爆炸物時,結果將是1080噸之多!不只如此,這些炸藥還要被壓縮成一個直徑還不足1釐米的小球那麼大。同時,「恐怖分子」們還需要恰好同時引爆它的各個部分,誤差不能超過萬分之一秒。另一個問題是,根據標準大爆炸理論,宇宙膨脹只會隨著時間變得越來越慢。但宇宙為什麼開始膨脹?誰給它的初始推力?這事看上去簡直不可思議,像奇蹟一般。不過有時人們覺得越神奇越好:顯然,上帝可以從無到有搞到1080噸炸藥,點燃它,讓它變大,反正我們怎麼方便怎麼來。我們還有其他解釋嗎?

根據暴脹理論,如果宇宙開始於幾乎真空的特殊狀態,將會省去許多大麻煩。最簡單版本是標量場(scalar field)。還記得電場和磁場嗎?標量場更簡單:它沒有方向。如果它是均勻且不隨時間變化的,那它就像真空一樣不可見,但卻擁有很多能量。當宇宙膨脹時,標量場幾乎保持不變,而且它的能量密度也是如此。

這可是關鍵問題。想像宇宙是一個裝有許多原子的大盒子。當宇宙膨脹兩倍時,它的體積增大8倍,此時原子的密度則變為原來的1/8。然而,當宇宙中充滿不變的標量場時,它的能量密度則不隨宇宙的膨脹而發生改變。因此當宇宙增大兩倍時,其中質能總量增加8倍。如果宇宙繼續膨脹,其中的總能量、總質量會迅速變得無比巨大。因此,無中生有地擁有1080噸爆炸物也就輕而易舉了。

這就是暴脹的基本概念。乍一看,似乎是徹頭徹尾的錯誤,因為它違反了能量守恆定律。能量不可能無中生有,自始至終總量不變。我曾經被邀請在瑞典的一次諾貝爾獎座談會上就能量的概念進行一次公開演講。我當時一頭霧水,他們為什麼邀請我?我要跟這些研究太陽能、風能、石油的人說些什麼呢?最終我告訴他們:「如果你想要大量能量,你可以白手起家,然後你將得到宇宙中所有的能量。」

並不是每個人都能弄懂這一點,當宇宙膨脹時,質能總量確實會變化。總能量再加上引力能才是不變的,並且它們的總和正好為零。所以宇宙的能量守恆定律始終得到了滿足,只是有些古怪:零等於零。質能總量可以任意大,以滿足我們的需要。這是暴脹理論的其中一個主要觀點。

只要在一個區域存在一種不穩定性,使得初始零質量分裂成一部分巨大的正質能和一部分巨大的負引力能,其能量總和仍然為零。但質能總量就可以要多少有多少。這正是暴脹理論的主要觀點之一。

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