暴漲理論

暴漲理論

(Massachusetts Institute of Technology)麻省理工學院(MIT)的科學家阿倫·固斯(Alan Guth)提出,早期宇宙可能存在過一個非常快速膨脹的時期。這種膨脹叫做“暴漲”,意指宇宙在一段時間裡,不像現在這樣以減少的、而是以增加的速率膨脹。按照固斯理論,宇宙大爆炸之後的一瞬間,時空在不到10秒的時間裡迅速膨脹了10倍(不需要用多少個零來表達這兩個數字有多極端了)。

宇宙膨脹

固斯提出,宇宙是以一個非常熱而且相當紊亂的狀態從大爆炸開始的。這些高溫表明宇宙中的粒子運動得非常快並具有高能量。正如早先我們討論的,人們預料在這么高的溫度下,強和弱核力及電磁力都被統一成一個單獨的力。當宇宙膨脹時它會變冷,粒子能量下降。最後出現了所謂的相變,並且力之間的對稱性被破壞了:強力變得和弱力以及電磁力不同。相變的一個普通的例子是,當水降溫時會凍結成冰。液態水是對稱的,它在任何一點和任何方向上都是相同的。然而,當冰晶體形成時,它們有確定的位置,並在某一方向上整齊排列,這就破壞了水的對稱。

處理水的時候,只要你足夠小心,就能使之“過冷”,也就是可以將溫度降低到冰點(0℃)以下而不結冰。固斯認為,宇宙的行為也很相似:宇宙溫度可以低到臨界值以下,而沒有使不同的力之間的對稱受到破壞。如果發生這種情形,宇宙就處於一個不穩定狀態,其能量比對稱破缺時更大。這特殊的額外能量呈現出反引力的效應:其作用如同一個宇宙常數。宇宙常數是當愛因斯坦在試圖建立一個穩定的宇宙模型時,引進廣義相對論之中去的。由於宇宙已經像大爆炸模型那樣膨脹,所以這宇宙常數的排斥效應使得宇宙以不斷增加的速度膨脹,即使在一些物質粒子比平均數多的區域,這一有效宇宙常數的排斥作用超過了物質的引力吸引作用。這樣,這些區域也以加速暴漲的形式而膨脹。當它們膨脹時,物質粒子越分越開,留下了一個幾乎不包含任何粒子,並仍然處於過冷狀態的膨脹的宇宙。宇宙中的任何不規則性都被這膨脹抹平,正如當你吹脹氣球時,它上面的皺紋就被抹平了。所以,宇宙現在光滑一致的狀態,可以是從許多不同的非一致的初始狀態演化而來。

在這樣一個其膨脹由宇宙常數加速、而不由物質的引力吸引使之減慢的宇宙中,早期宇宙中的光線就有足夠的時間從一個地方傳到另一個地方。這就解答了早先提出的,為何在早期宇宙中的不同區域具有同樣性質的問題。不但如此,宇宙膨脹率也自動變得非常接近於由宇宙的能量密度決定的臨界值。這樣,不必去假設宇宙初始膨脹率曾被非常仔細地選擇過,就能解釋為何現在的膨脹率仍然是如此地接近於臨界值。

為何宇宙存在這么多物質

暴脹的思想還能解釋為何宇宙存在這么多物質。在我們能觀察到的宇宙里大體有1億億億億億億億億億億(1後面跟80個0)個粒子。它們從何而來?答案是,在量子理論中,粒子可以從粒子/反粒子對的形式由能量中創生出來。但這只不過引起了能量從何而來的問題。答案是,宇宙的總能量剛好是零。宇宙的物質是由正能量構成的;然而,所有物質都由引力互相吸引。兩塊互相靠近的物質比兩塊分得很開的物質具有更少的能量,因為你必須消耗能量去克服把它們拉在一起的引力而將其分開。這樣,在一定意義上,引力場具有負能量。在空間上大體一致的宇宙的情形中,人們可以證明,這個負的引力能剛好抵消了物質所代表的正能量,所以宇宙的總能量為零。

零的兩倍仍為零

零的兩倍仍為零。這樣宇宙可以同時將其正的物質能和負的引力能加倍,而不破壞其能量的守恆。在宇宙的正常膨脹時,這並沒有發生。這時當宇宙變大時,物質能量密度下降。然而,這種情形確實發生於暴脹時期。因為宇宙膨脹時,過冷態的能量密度保持不變:當宇宙體積加倍時,正物質能和負引力能都加倍,總能量保持為零。在暴脹相,宇宙的尺度增大了一個非常大的倍數。這樣,可用以製造粒子的總能量變得非常大。正如固斯所說的:“都說沒有免費午餐這件事,但是宇宙是最徹底的免費午餐。”

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