已知與未知的宇宙

宇宙學家用幾個簡單的方程(其中最重要的幾個是愛因斯坦寫出來的)和5個獨立參數，就能描述整個宇宙的歷史——從今天一路回溯到大爆炸後的一剎那。這5個獨立參數為：普通物質、暗物質和暗能量各自的相對能量密度，以及早期宇宙量子漲落的幅度和功率譜。

問題1：我們並不理解這5個參數

哪怕只是數十年以前，天文學家都還相信，普通物質(元素周期表裡的那些物質)是宇宙質量能量的主要形式。後來的宇宙學觀測徹底顛覆了這個觀念(這也帶來了3個諾貝爾獎)。我們現在知道，在宇宙全部能量密度中，普通物質只佔5%，暗物質則佔到了25%。暗物質是一種未知的物質形式，科學家通過引力作用推測出了它們的存在。宇宙中剩下的70%是暗能量，普通物質的引力作用理應讓宇宙的膨脹減慢，而暗能量這種神秘的東西卻加速了宇宙的膨脹。暗物質和暗能量是什麼?它們為何能佔據25%和70%的宇宙成分?這些問題我們不得而知。

暴脹可能是讓我們理解宇宙大尺度結構的最好假說了。暴脹能「拉直」宇宙，抹平時空的彎曲部分，讓宇宙的溫度變得均勻。就像宇宙放大鏡一樣，暴脹也把宇宙初期微小的能量密度量子漲落放大到宇宙學尺度。這些漲落最終變成大尺度結構的種子，也就是星系、恆星、行星和包括我們在內的生命的種子。

宇宙暴脹

暴脹學說是一個被廣泛接受的成功理論。歐洲空間局(European Space Agency)的普朗克衛星最近的觀測結果，證實了我們的宇宙是平直(或者非常接近平直)而且均勻的(各向異性不超過六萬分之一)——這兩點都是暴脹學說的重要預言。此外，人們認為原初物質漲落是暴脹將量子漲落放大得來的，衛星觀測到的原初物質的漲落功率譜和幅度，與理論預期符合得非常好。

問題2：我們並沒有真正理解暴脹

是什麼驅動了暴脹的發生?如何提供這麼大的能量?

在我們的想像中，在大爆炸結束後極短的時間內，宇宙充滿了能量，這些能量以一種假想粒子的形式存在，即「暴脹子」(inflaton)。「暴脹子」不僅能解釋宇宙早期的加速膨脹，也能解釋如今的宇宙結構，因為在早期宇宙中， 「暴脹子」場能量的微小量子漲落，是唯一能導致顯著的能量密度差異的機制。

不過，我們不知道「暴脹子」的性質，不知道它從何而來以及如何找到它，甚至不確定它是否真的存在。

此外，物理學家不知道暴脹是如何自然地停止的——這就是所謂的「優雅退場疑難」(graceful exit problem)。如果一種能量場驅動了宇宙以指數級膨脹，那麼，是什麼讓這個能量場突然「關閉」?對於暴脹發生之前的宇宙——宇宙誕生的最初萬億億億億分之一秒(10-36秒)內，我們也沒有一個確定的描述。

問題三：我們不理解大爆炸是如何開始的

宇宙學領域的最大挑戰是，如何理解大爆炸本身的性質：在一個密度無窮大的點——奇點(singularity)，一切時間、空間、物質突然劇烈地噴薄而出。

從奇點中有可能跳出一個高度混亂的宇宙，那個宇宙溫度有劇烈的空間漲落，也就是說，在宇宙空間中，不同點的溫度有著巨大的差異。如果溫度的漲落太大的話，暴脹可能都沒有機會發生。因此，奇點的問題不能全靠暴脹來解決。

奇點雖然奇怪，但並非極其罕見，我們在另一個地方——黑洞的中心，也能瞥見其魅影。黑洞是巨星塌縮的遺骸。所有的恆星都是核聚變反應爐，在那裡，輕元素(主要是氫)聚合成重元素。核聚變過程提供了恆星一生的大部分能量。不過最終，核燃料耗盡，引力開始起主宰作用。在引力作用下，一顆比太陽至少重10倍的恆星會發生塌縮，然後引爆超新星爆發。如果恆星再大一些，達到15~20個太陽質量或者更大的質量，超新星爆髮結束後會留下一個緻密的核心，這個核心會失控地塌縮，形成黑洞。

TAG:宇宙解碼 |

※已知與未知的和諧
※未知死，焉知生
※未知的宇宙 是否有未知的生命 太陽人真的存在嗎？
※王陽明：知而不行，只是未知
※抑鬱成因——所知，未知與懷疑
※《降臨》面對未知和已知，我們同樣忐忑
※霍金究竟知道什麼？宇宙中人類未知的一切
※已知與未知：蘋果併購IBM傳聞緣何成笑料？
※「造訪者」與未知的「我」
※你從未聽說過的未知神秘力量，X奇聞
※跳出已知世界探索未知時空
※打破「恐懼源於未知」對未知威脅說No！
※未識之神，未知之路
※探索無知與未知 《樂園？》繪製解析
※人的已知圈越大，未知圈會更大
※關於宇宙的幾個神秘未知事件
※從算式到方程——由已知到未知
※遇見未知的自己
※在未知的時間裡，你始終要做那些已知的事