宇宙真的跟氣球一樣在膨脹變大嗎？

簡單版的回答：

簡單的說沒有決定性的證據，但是有很多觀測 favor 這樣一個理論。暴脹理論的出現解釋了宇宙學的幾個難題：視界疑難，平坦性疑難，磁單極子問題以及結構成長的種子問題。隨著觀測進一步精確，平坦性觀測啊，結構形成觀測啊都沒有偏離暴脹的解釋。但這些都是對已有現象的解釋，並不是對未知觀測預言。暴脹本身還沒有任何像「微波背景黑體輻射譜」發現這樣決定性的預言被觀測到。暴脹本身會產生原初引力波，如果發現了原初引力波在微波背景輻射上的印記，將會是對暴脹理論的有力支持。

複雜版的回答：

Planck 衛星的觀測告訴我們，宇宙的空間在千分之六的精度下是平坦的。為什麼宇宙空間這麼接近平坦？理論家們不喜歡這麼巧合的事情。這就好像間諜不喜歡得來過於巧合的情報，那背後很可能隱藏著還沒有被發現的陷阱。這樣巧合的現象在宇宙學領域被稱為「精細調節」問題。很多理論家相信，一個好的宇宙學理論，它的模型應該是自然的，不存在只有非常巧合才能出現的常數，或者狀態。需要指出的是，這只是一個物理學的審美問題，存在「精細調節」並不意味著宇宙學理論一定有問題。就好像巧合得來的情報也並不總是陰謀。

宇宙的平坦性是一個典型的「精細調節」問題。理論家直覺並不會相信宇宙曲率就真的為零。更自然的解釋是，宇宙實在太過廣大，我們可以觀測的部分太小，在這個部分里，宇宙顯得是平坦的。換句話說，我們有點像生活在遠古時期的人類，交通不便，每天能夠觸及、看到的地方只有住所周圍幾十里的區域。人在這樣小的區域中生活，永遠不會想到地球實際上是個球形，大地是彎曲的。

現代的宇宙學理論認為，這種異常的平坦很可能是宇宙演化的自然結果。具體來說，理論家們相信，在宇宙早期的某個時刻，宇宙急速膨脹，這個時期被稱為暴脹期。暴脹期的持續時間非常短（可能只有 10^{-30}秒）, 但是宇宙在這個時間裡增長了 10^26 倍。隨後宇宙膨脹的速度降了下來，雖然仍在膨脹，但速率變慢了。今天宇宙空間的膨脹的速率只有在天文學尺度上才能察覺到：一百萬光年的空間，每秒鐘只膨脹 20 多公里。

暴脹使得宇宙的平坦空間變得不再是個巧合。暴脹就好像是一個吹氣球的過程，宇宙這個氣球被瞬間吹大 10^26 倍。如果這個氣球開始只有氫原子那麼大，暴脹過後，它的體積就會變得比銀河系還大一百萬倍，結果是氣球上的任何瑕疵，都被抹的很平了，站在氣球的任何一個地方都好像站在平地上。

暴脹理論最早在 1981 年提出，構想來自於斯坦福大學的阿蘭.古斯(Alan Guth)。當時的宇宙空間曲率測量還不是很精確，但人們至少知道它彎曲的不是很厲害。此外，還有另外一個更大的問題「視界疑難」困擾著宇宙學家。所謂視界，就是指當地觀測者理論上所能夠觀測到的最大範圍。一個粒子在今天的視界，就是整個可觀測宇宙的範圍，它代表了這個粒子在整個宇宙時間裡，理論上能夠接觸到的最遠的地方。如果另一個粒子在這個粒子的視界里，那麼它們在歷史上有相互影響的可能性。否則這兩個粒子應該完全沒有關係。

我們知道宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸留下的印記，各個方向都可以觀察到的，非常均勻的，這說明了宇宙早期物質密度處處相同，處於熱平衡。事實上，1976 年微波背景輻射發現以後，人們覺得它有點均勻的過頭了。今天宇宙的尺度差不多是 470 億光年，可觀測宇宙中距離最遠的兩點，它們之間的距離是這個數字的兩倍，也就是 940 億光年。可是它們兩處的微波背景輻射溫度幾乎完全相同。我們很容易計算這個尺度在最後散射時刻的大小，令人驚奇的是這兩點在最後散射時刻距離要遠遠大於宇宙當時的視界。

我們應該已經注意到了問題所在。視界是粒子可以交換信息的最大尺度，在最後散射時刻，整個宇宙是如何在超過視界的範圍上保持熱平衡的呢？為什麼在宇宙不同地點，完全沒有因果聯繫的區域，居然會同時處於熱平衡狀態？

這有點像古生物學家在二十世紀初遇到的問題，他們在本來以為古代生物應該無法跨越大洋登上另一塊大陸，誰知道卻在不同的大陸都發現了同一種恐龍的化石。對於古生物研究來說，解決問題的關鍵在於想到大陸是會漂移的，今天看起來隔海相望，沒有辦法交流的大陸，實際上在更古老的時代卻連在一起。在那個時候，恐龍當然可以悠哉悠哉的在不同大陸間散步了。

解開視界疑難的鑰匙和這很類似。1979 年，阿蘭.古斯還是一名博士後，他畢業已經 9 年了，還沒有找到正式的教職。在此前的 8 年裡，他主要研究粒子物理學，才轉到宇宙學研究不長時間。古斯意識到，如果考慮宇宙極早期存在一個急速膨脹的時代（暴脹期），那麼宇宙異常的均勻性就很容易解釋了：雖然在最後散射時刻，這些熱平衡的區域在各自的視界之外，在更早的時刻，這些區域是可以在同一視界之內的，它們是在那時建立的聯繫。

什麼可以使宇宙急劇膨脹？我們在前面提到了暗能量的概念，這是無疑是一種使得空間膨脹的因素。但暴脹需要的膨脹速率比暗能量能夠提供的速率大得多。宇宙是如何從高速的暴脹轉變為正常的膨脹的？為了解決這些問題，阿蘭.古斯提出了暴脹場的概念。

在談暴脹場之前有必要先討論一下什麼是「場」。在物理教科書里，場這個概念無處不在，學過中學物理的讀者們應該已經聽說過電磁場，引力場。用數學的語言說，場就是「空間的函數」。或者說，場為空間的任何一點都賦予了有意義的數值。如果我們假設空間中某處有一個電子，那麼空間的不同位置處的另一個試探電子都會受到這個電子的排斥力。如果我們從場的觀點看待這個問題，我們可以認為空間中遍布著電場，電場的每一點的數值，是試探電子受到電磁力的強度和方向。另一類更簡單的場在空間的每一點只有一個數值，沒有方向，這種場被稱作標量場。溫度場就是一個標量場，在空間的每一點都有一個數值標記了當地的溫度。在現代物理觀點中，場是比粒子更基本的概念。整個宇宙中充斥著不同的場，粒子在場中被激發出來。理論家們相信，暗能量可能就對應著一種場。這個場在宇宙中處處具有相同的能量密度，它提供排斥性的引力，推動宇宙加速膨脹。

阿蘭.古斯的暴脹場和暗能量場具有類似的性質，不同的是暴脹場的能量密度要高的多，所以也就可以帶來更為劇烈的宇宙膨脹。可是，今天的宇宙膨脹速率並不很快，宇宙是怎麼由劇烈膨脹，變為「溫和」的膨脹呢？古斯的暴脹理論認為暴脹場實際上處於一種不穩定平衡的狀態，它可以向能量密度更低的狀態演化。理論家們習慣用山坡上的小球來比喻場的能量變化。

From Cosmic Web by J. Richard Gott

小球總是要向著平衡的狀態演化，如果小球在山坡上，會傾向於一路滾到谷底。但小球並不一定總是會停在谷底，如果山坡上有一個帶坑的小平台，小球就可以在這個平台上，不會繼續向坡下滾動。在平台上，小球實際上擁有較高的重力勢能，並非出於能量真正的最低點，如果有人推小球一下，小球就會繼續向山坡下滾動。暴脹場也有同樣的性質，傾向於向能量最低處演化，但也可能停在能量相對較高的局部平衡點。場理論中有時把這種局部的平衡點稱作假真空。假真空狀態的暴脹場會推動宇宙急速膨脹。但這種假真空狀態是不穩定的，從量子理論的觀點看，場的能量密度也無時無刻不在隨機的抖動，在廣闊的宇宙中，總會有那麼一些地方的抖動特別大一些，這就使得一個小區域的暴漲場脫離了假真空狀態，向更低的能量狀態演化。在這個過程中，暴脹場會將自身積蓄的能量在很短的時間裡全部釋放出來，這些能量會以高能輻射的形式充滿整個宇宙，此時的宇宙回到了經典大爆炸的形式下，宇宙的膨脹速率也會恢復「普通」，此後的演化就和經典大爆炸理論中一致了。

我們注意到，暴漲理論可以完美的解釋宇宙的平坦性問題和宇宙的視界疑難。同時，暴漲場釋放出的能量還提供了宇宙大爆炸演化的能量。按照暴漲理論，今天宇宙中的一切事物，都是從宇宙最初的假真空里從無到有，從虛變實產生出來的。

暴脹宇宙還帶來一個重要的推論，解釋了今天宇宙中的一切結構從何而來。我們之前討論過宇宙中的結構的起源是早期均勻密度分布上的小起伏。這些地方的物質比別的地方稍微高一點點，但引力會的使得這些小起伏最終成長為今天的結構。但是我們又說宇宙早期是處於完美熱平衡狀態的，這就意味著宇宙的不同地方應該完全處於相同的狀態。那麼問題來，形成今天結構的那些小起伏是從何而來的呢？

量子理論告訴我們，在微觀尺度上宇宙能量密度總是不可能完全均勻的，它的數值會不停的漲落。但這種小漲落是無法發展成為今天宇宙結構形成需要的起伏的，因為從一段時間來看量子漲落的平均值總是為零。在某一時刻或許宇宙中某處鼓起一個小包，下一時刻就消失了。但暴脹改變了這種狀況，它使得宇宙的一個微觀區域在極端的時刻內一下子變成了寬廣的宇宙空間。本來存在在微觀區域里的能量漲落一下子就變成了宏觀尺度上的密度起伏無法在下一瞬間消失了。這些起伏就是今天宇宙結構成長的種子。

通過急速膨脹，從均勻中造出不均勻的事例看起來很玄妙，其實我們也可以舉出一些日常生活中類似的例子。比如學校在課間活動時組織學生踢毽子，每 5 個學生分到一個毽子。如果這五個學生水平相當，這個毽子會在她 / 他們之間隨機傳遞。在旁觀者看來，在任意一個時刻，毽子在學生間的分配是不均勻的，但因為每個學生都只是短暫的碰到毽子，又立刻失去。但如果考察稍長的一段時間內，每個學生都平均的佔有這個毽子。我們仍然可以說，學生和毽子組成的混合體是均勻的。這時候，突然上課鈴響了，學生們必須分散回到各自的班級里，這時候就會有一位負責保管的學生收起了毽子回到自己的班級，其他學生空手而歸。這個時候，毽子的動態平均分配就被打破了。隨機漲落變成了真正的不均勻。

暴脹宇宙學在目前受到理論家的廣泛支持，但像微波背景輻射或者哈勃膨脹這種壓倒性的證據還不充足。如果在更精確的測量中，我們發現宇宙事實上存在微小但客觀的不平坦，那麼將會對暴脹理論構成嚴重的威脅。但在暴漲理論提出後 30 十多年的時間裡，宇宙學對空間平坦的精度已經提高到千分之幾的程度，我們仍然沒有發現偏離暴漲理論預言的不平坦性。因此，大多數理論家已經接受了暴漲理論，只是對暴漲場的本質，暴漲的具體過程存在分歧。但讀者仍然需要注意到，在這一節里我們談論到的東西仍然並非完全確定的理論，仍然有可能在未來的某個時刻被推翻。

為什麼暴脹的觀測證據很難獲取？因為電磁波的觀測無法直接接收到最後散射時刻之前的信息。我們對宇宙歷史的觀測止步於宇宙誕生之後 38 萬年。要想了解暴漲的信息，我們必須依賴其他的信使。一個誘人的方案是探測暴漲時期產生的引力波。引力波是相對論的另一項預言，空間自身的波動可以像水波一樣在宇宙中傳播。宇宙暴脹期的空間擴張可能會產生空間的波動，這種時空的漣漪，會輕微的和宇宙中的物質相互作用，在微波背景輻射的觀測中，我們有可能解析出暴脹引力波留下的印記。

2014 年，美國的 BICEP2 團組一度宣布他們設立在南極的探測器探測到了微波背景輻射上的引力波印記，輿論一度認為阿蘭.古斯可能會因為暴脹理論的證實而很快獲得諾貝爾獎。但後續的分析顯示，BICEP2 的觀測數據很可能受到銀河系內塵埃分布的影響，顯現出假的信號。這種觀測的複雜性要求觀測者將儀器的靈敏度推進到更高的級別。美國和中國的科學家都有計劃繼續推進這樣的觀測，可能我們在不久的未來，能夠真正獲取暴脹時期傳播來的信號，幫助我們真正理解極早期的宇宙演化。

BICEP2 團組一度以為發現了暴漲時期引力波在微波背景輻射上留下的印記。

本文來自：知乎日報

作者：狐狸先生

如文章涉及版權，請聯繫我們刪除。歡迎來稿、歡迎廣大科幻愛好者和專家學者來稿

掃一掃關注 科幻：