宇宙在誕生一千億億億億分之一秒後是什麼樣的？

現在的宇宙充滿了物質和輻射，我們可以通過各種各樣的方式觀察到。由於數十億年的引力作用，原子成群聚集在一起。這在最大尺度上形成了一個巨大的宇宙網，有星系團、單個星系、氣體雲、恆星、行星，以及更小尺度的物質。經歷這一切後，宇宙一直在膨脹和冷卻，這是自宇宙熱大爆炸的最初時刻起就一直在進行的事情。

但是大爆炸並不是宇宙的最初起點。在此之前，有一段時間被稱為宇宙暴脹，它開始的更早，併產生了熱大爆炸。生活在一個膨脹的、冷卻的宇宙中很難憑直覺描繪了一幅完全不同的暴脹圖景。下面來看一下生活在暴脹中宇宙的情況。

想像一下，你是一個粒子，位於時空結構的某個地方。在很短的距離之外，存在另一個粒子。唯一能影響它們的是宇宙膨脹。那麼，這個粒子相對於你是如何移動的呢？

如果你的宇宙充滿了輻射，它就會膨脹為時間的平方根：你和這個粒子之間的距離比是~t^1/2

如果你的宇宙充滿了物質，它就會膨脹到三分之二次方：你和這個粒子之間的距離比是~t^2/3

但是當你的宇宙暴脹時，空間呈指數級增長：就像 ~e^Ht一樣，H是宇宙的膨脹率。

這意味著，在一定的時間之後，這個粒子離你的距離增加一倍。因為暴脹不僅是呈指數式而且很快，暴脹期間宇宙膨脹率是非常大的，只需10^-35秒（一千億億億億分之一秒）就會加倍。但是，暴脹的決定性特徵並不是它的速度，因為大爆炸的早期階段可能也同樣迅速。相反，暴脹的決定性特徵是它毫不減弱。

在10^-35秒後，這個鄰近粒子的距離是最初的2倍；

在2×10^-35後，相隔距離是最初的4倍；

在3×10^-35 秒後，距離是最初的8倍；

在4×10^-35秒後，距離是最初的16倍。

這可以一直繼續下去。在暴脹10^-34秒之後，鄰近粒子與你相隔距離將會是最初的10^24倍。10^-33秒後，是初始距離的10^30倍。10^-30秒後，這個粒子的距離是最初的10^30000倍。如果你的宇宙一開始充滿了各種類型的粒子，它們會在非常短的時間內相互遠離，再也不會接觸。

空間本身可能一開始就有一個有趣的固有曲率。它可能是捲起來的，打結的，扭曲的，甚至是球形的。它可能充滿了拓撲缺陷，遍及各種洞；可能以奇怪的方式在多個地方連接起來；甚至可能整個空間包含在就像一個亞原子粒子一樣微小的體積中。

但在暴脹期間，這種快速不減弱的膨脹將會使宇宙的大小增加許多許多倍，也就是它會將其他粒子推離開的數量。它會有任何的初始幾何形狀，並將其拉伸到極其大的規模，以至於任何你看到的區域，即使和我們今天整個可觀測宇宙一樣大，也無法與空間平面區分。

暴脹如此表現的原因是空間本身有大量的能量。當宇宙結構膨脹時，新的空間被創造出來，固有的同等能量也會被創造出來。這就是為什麼膨脹是不減弱的。如果你觀察一個暴脹中的宇宙，它會持續暴脹，速度不會下降。

但在最小的尺度上，在這些條件下，也會發生量子漲落。

這些漲落現在宇宙中也在發生，與我們觀察到的任何東西相比，只發生在非常低的能量尺度和時間尺度上。如果你把這些漲落想像成突然出現消失的虛擬粒子-反粒子對，它們在極短的時間尺度上這樣做，不會導致任何有趣的事情發生。它們只是給空間本身結構增加了少量的額外能量。

但在暴脹期間，這些漲落在能量上要大得多，比現在大了約100個數量級。平均而言，由於這些量子漲落，空間固有的能量值會隨機升降約0.003%。

然而與今天不同的是，當宇宙暴脹時，這些漲落會延伸到整個宇宙。因此，空間固有的能量值改變了，更古老、更延伸的漲落出現在更大的尺度上，較年輕、不太延伸的漲落則出現在較小的尺度上。

每10^-33到10^-32秒，目前物理定律可描述的最小亞原子尺度，即普朗克尺度，被拉伸到我們當前可觀測宇宙的大小。在比那還長的時間尺度上，以前所創造的東西將會變得不可見。記住，暴脹是毫不減弱的，一瞬間前發生的事情現在就不僅僅是整個可觀測宇宙。在所有尺度上，從非常小到非常大，都應該有這些不僅留下印記，而且不斷在宇宙中印刻的量子漲落。

然而，暴脹不會永遠持續在宇宙的所有地方。每當新空間被創造出來，就會有可能暴脹將更接近其必然的結束。一種觀察暴脹是否結束了的方法是想像一個在高原上非常緩慢滾動的球。在高原下面是一個山谷，如果球滾進山谷，暴脹就會結束。

當你創造新的空間時，又會有一個隨機的概率分布，也就是球離高原的中心更近還是離邊緣更近。在球到達邊緣並滾入山谷時，暴脹結束，能量轉化為熱大爆炸的能量。

很有可能第一個經歷這種轉變的地區並沒有成為我們的可觀測宇宙，而是在我們暴脹中宇宙別的地方發生其他大爆炸時，我們倖存下來了。它們中的大多數都非常遙遠，但其中一些可能發生在離最終變成我們宇宙的地方很近。只要暴脹繼續下去，空間就會繼續充斥著各種尺度上的能量波動，創造出一種像持續振動柵一樣的空間結構。就像一個經過的引力波會引起的情況一樣，不僅僅是在一個尺度上，而是在所有的尺度上發生。

最後，暴脹結束了。這就好像所有的能量都是空間所固有的，不同的位置有小的差值，所有的能量都在下降。它轉變成物質、反物質和輻射，並創造出一個炙熱、密集、溫度均勻的宇宙，而不是寒冷的和空曠的。這種轉變被稱為宇宙再熱，它標誌著從一個暴脹時空到熱大爆炸開始的轉變。能量的波動變成了密度的波動，這就產生了現在宇宙中的大規模結構。

暴脹結束了，我們所知的宇宙開始了。從理論上講，可觀測宇宙之外的東西將永遠不會被我們看到，但即使在今天很有可能有很大的空間區域仍然在暴脹。一旦宇宙開始暴脹，就很難讓它在任何地方停止。對於每一個即將結束的地方，隨著暴脹地區的持續增長，會有一個新的、同樣大小的地方被創造出來。儘管大多數地區的暴脹會在瞬間結束，但仍有足夠的新空間被創造出來，暴脹應該是永恆的。

暴脹開始了並創造了整個可觀測的宇宙，給了熱大爆炸的產生條件，形成了現在所看見的宇宙。但是暴脹的宇宙與我們今天觀察到的宇宙有很大的不同。為了理解和想像它，我們必須把我們的直覺放在一邊，認清一個現實，那就是唯一重要的能量是空間本身結構的內在能量。

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