你見過暴脹宇宙嗎？宇宙暴脹的時候是什麼樣子？

今天的宇宙充滿了物質和輻射，可以通過各種方式觀察觀測。由於一百多億年的引力，原子聚集在一起，這在最大的尺度上形成了一個巨大的宇宙網，而星系團、星系、氣體雲、恆星、行星等都在較小的尺度上形成。通過這一切，宇宙一直在膨脹和冷卻，這是宇宙從熱大爆炸最初時刻起就一直在做的事情。（認真看完本文，相信你會知道不少你不曾知道的東西…（每一張配圖都對應正文內容，一定要看圖才能夠更好的理解）

宇宙暴脹引發了熱大爆炸，創造了可觀測到的宇宙，但我們只能測量膨脹對宇宙最後一秒的影響。然而這足以提供大量的預測，讓我們去看看，其中許多已經在觀測上得到了證實。圖片：E.Siegel，ESA/Planck和DoE/NASA/NSF關於CMB研究獲得的圖像

博科園-科學科普：但熱大爆炸不是宇宙的開始，在此之前有一個叫做暴脹宇宙的時期（暴脹宇宙理論），它出現的時間更早，並「引發」了熱大爆炸。雖然生活在一個膨脹的，冷卻的宇宙中很難憑直覺判斷，宇宙暴脹描繪了一個完全不同的畫面圖景，這就是生活在暴脹宇宙中的樣子。

我們經常把空間想像成一個三維網格，當考慮時空的概念時，這只是一個相關框架的過度簡化。如果在這個網格上放置一個粒子，並允許宇宙膨脹，粒子就會從你身邊退卻。圖片：ReunMedia/StoryBlock

想像一下：一個A粒子位於時空結構的某個地方，距離不遠處也存在著另一個B粒子。唯一影響它們的是宇宙暴脹，那麼A粒子與B粒子如何相對於移動呢？如果宇宙充滿了輻射，它就會像時間的平方根一樣暴脹：A粒子和B粒子尺度之間的距離是~t^（1/2）。如果宇宙充滿了物質，它就會像時間一樣暴脹到三分之二的能量：A粒子和B粒子距離之間的比例是~t^（2/3）。但是當宇宙暴脹時，空間會呈指數形式膨脹：~e^（Ht），其中H是宇宙的暴脹速率。

這個圖表顯示如果宇宙被物質、輻射或空間本身固有的能量所支配，時空是如何以相等的時間增量演化/擴展的，後者對應於一個暴脹的、能量固有的、由空間支配的宇宙。圖片：E. Siegel

這意味著經過一段時間後，A粒子與B粒子距離會翻倍。因為宇宙暴脹不僅是指數的，而且也是快速的（宇宙暴脹期間的膨脹率非常大）增加一倍僅需要10^（-35）秒。但是宇宙暴脹決定性特徵並不是它的快速性，畢竟熱大爆炸的早期階段可能也是如此的快（相反暴脹的決定性特徵是它的無限）：

經過10^( -35) 秒，AB粒子距離是最初的兩倍

在2×10^(-35)秒之後將是其初始距離的4倍

在3×10^(-35)秒之後將是其初始距離的8倍

在4×10^(-35)秒之後將是其初始距離的16倍

我們還可以繼續下去：經過10^（-34）秒的暴脹後，AB粒子距離將是最初的1024倍。10^（-33）秒的暴脹後是初始距離的10^30倍。10^（-30）秒的暴脹後，將是初始距離的10^30000倍。如果宇宙開始充滿了任何類型的粒子，它們將會在極短的時間內被迫遠離彼此。

在暴脹前的宇宙中，極其接近的粒子將在不斷擴張的時空中以指數式速度被驅離。在這個暴脹的宇宙中，大約10^（-32）秒的時間已經過去了，在同一空間中不可能有兩個粒子與我們今天的整個可見宇宙相對應。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

空間本身可能是以一個有趣的內在曲率開始。它可能是球狀的，打結的，扭曲的，甚至是球形的。它可能是充滿了拓撲缺陷，整個漏洞。它可以在多個地方以奇怪的方式連接起來。它甚至可以將整個空間包含在體積中，就像亞原子粒子一樣微小。

宇宙的誕生（大爆炸/暴脹/熱大爆炸），圖片：加拿大安大略省周界理論物理研究所

但在宇宙暴脹期間，這種快速而無限的暴脹將使宇宙大小增加許多倍：其數量相當於它將任何其他粒子推開的數量。它將需要任何初始幾何並將其擴展到如此大的尺度，以至於所觀察到的任何區域——甚至像我們今天所觀察到的整個宇宙都將無法與空間平面區分開來。

暴脹導致空間呈指數膨脹，這會很快導致任何先前存在的彎曲或非光滑空間看起來平坦。如果宇宙是彎曲的，它的曲率半徑至少是我們所能觀測到的幾百倍。圖片：E. Siegel (L); Ned Wright』s cosmology tutorial (R)

暴脹之所以這樣起作用，是因為空間本身固有著大量的能量。當宇宙的結構膨脹時，新的空間就會被創造出來，同樣的能量也會被創造出來。這就是為什麼暴脹是無限的。如果看一個暴脹的宇宙，它繼續以持續的方式膨脹，它的速度永遠不會下降。但在極小的尺度上，在這些條件下，也會發生量子漲落。

量子場理論計算的可視化量子真空中的虛擬粒子，即使在空曠的空間，這種真空能量也是非零的。圖片：Derek Leinweber

這些波動今天發生在我們的宇宙中，只是它們既發生在非常低的能量尺度上，也發生在與我們觀測到的任何事物相比都非常短的時間尺度上。如果把這些量子漲落想像成虛擬粒子-反粒子對-在存在中突然出現，它們是在時間尺度上這樣，時間太短不可能導致任何有趣的事情發生；它們只是為空間本身的結構增加了少量額外的能量。

圖示說明早期宇宙是由量子泡沫組成的，其中量子漲落在最小尺度上是大的、變化的和重要的。圖片：NASA/CXC/M.Weiss

但在暴脹期間，這些波動的能量要大得多：比今天大約100個數量級。平均而言，由於這些量子漲落，空間固有的能量值隨機地上下波動約0.003%。然而與今天不同的是，當宇宙暴脹時，這些波動就會延伸到整個宇宙。因此空間所固有的能量值是不同的，在較大尺度上出現較早的、拉伸更大的波動，在較小的尺度上出現較晚的、拉伸較小的波動。

在暴脹過程中發生的量子漲落確實會在宇宙中被拉伸，但它們也會引起總能量密度的波動，使在今天的宇宙中留下一些非零的空間曲率。這些場漲落導致了早期宇宙的密度缺陷，從而導致了萬物在宇宙微波背景下所經歷的溫度波動。圖片：E. Siegel / Beyond the Galaxy

每10^(-33)至10^(-32)秒，可以用我們今天所知道的物理定律來描述最小亞原子尺度（普朗克尺度）被拉伸到我們目前可觀測的宇宙大小。在比這更長的時間裡，先前創造的東西將變得不可觀測。請記住：暴脹是無限的，僅僅在一秒前發生的事情現在已經超過了整個可見宇宙。在所有尺度上，從非常小到非常大，都應該有這些量子漲落，不僅是特徵印記，而且是不斷地在宇宙上留下新特徵印記。

無任何物質、能量或任何類型曲率平直的空間表示。除了小的量子漲落，膨脹的宇宙中空間變得像這樣變得非常平坦，除了在三維網格中，而不是在二維平面上。空間被拉平，粒子被迅速地驅走，一個在三萬分之一的微小波動(在這裡看不見)仍然是唯一偏離均勻性的東西。圖片：Amber Stuver / Living Ligo

然而在宇宙中，暴脹並不能永遠持續下去。每當新的空間被創造出來，暴脹就有一種很小但有限的可能性，它將更接近其不可避免的結局。想像暴脹是否結束的一種方法是想像一個球在高原上非常緩慢地滾動。高原下面是一個山谷在下面；如果球滾進山谷，暴脹脹就結束了。當創造新的空間時，再一次出現概率的隨機分布：球是向高原中心滾動，還是靠近邊緣。在球到達邊緣並滾進山谷的地方暴脹結束，能量轉化為熱大爆炸的能量。

當這個球滾進山谷時，暴脹就結束了。但是暴脹場是量子場(中間場)，隨時間擴展，在暴脹空間的不同區域呈現不同數值。雖然許多地區(紫色，紅色和青色)將看到暴脹結束，更多的(綠色，藍色)將看到宇宙爆炸繼續，有可能是永恆的(底部)。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

很可能第一批經歷這一轉變的區域不是成為我們可觀測宇宙的區域，而是倖存下來的，而其他的大爆炸發生在暴脹宇宙的其他地方。大多數都非常遙遠，但其中一些可能發生在離最終成為我們宇宙區域非常近的地方。只要膨脹持續下去，空間就會繼續充滿所有尺度上的這些能量波動，創造出一個空間結構，看起來就像一個持續振動的網格。不只是在一個尺度上，就像我們想像的那樣：一個經過的引力波會誘發，而且在所有的尺度上。

當從遙遠引力波產生的空間漣漪穿過太陽系包括地球時，它們會輕微地壓縮和擴展它們周圍的空間。在暴脹期間，空間波動和量子漲落也存在，在所有尺度上都存在。圖片：European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS

最後宇宙暴脹將在現在的狀態下結束。就好像所有這些能量都來自於太空，不同位置有著細微的不同，所有這些能量都在下降。轉化為物質，反物質和輻射，並創造了一個宇宙，它現在是熱的，緻密的，溫度統一的，而不是冷和空的。這種轉變被稱為宇宙再熱，它標誌著從暴脹的時空過渡到熱大爆炸的開始。能量波動變成了密度波動，這就產生了我們今天宇宙中的大尺度結構。當暴脹結束時，我們所知的宇宙就開始了。

球在高表面上滑動的類比是當暴脹持續存在時，而結構崩潰和釋放能量則代表著能量轉化為粒子。圖片：E. Siegel

理論上我們將永遠無法觀測到宇宙之外存在的東西，但即使在今天，仍有很大的空間區域仍在膨脹。一旦宇宙開始膨脹，就很難讓它在任何地方停止。對於每一個到達終點的地方，都會有一個新的、大小相等或更大的位置，隨著膨脹區域的不斷增長，這個位置就會被創造出來。即使大多數區域在一秒鐘後就會看到暴脹結束，但仍有足夠的新空間被創造出來，膨脹對未來宇宙來說應該是永恆的。

這幅圖顯示了未來暴脹膨脹繼續存在的區域(藍色)，以及暴脹結束的區域，從而產生了一個大爆炸和一個像我們這樣的宇宙(紅色X)。這可能是無限的，而我們永遠也不會當然也無法知道，但一旦它在我們的區域結束，就無法看到仍在暴脹區域之外的地方。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

膨脹建立並創造了整個可觀測的宇宙，並給熱大爆炸帶來了需要它與我們所觀測到情況一致的條件。但是暴脹的宇宙與我們今天所觀測到的宇宙有很大的不同。為了理解和想像它，必須把直覺放在一邊，擁抱一個唯一重要的事實：空間結構本身有固有的能量，且任何條件下都是非零的（固有的，不可被消除的）。

（暴脹理論）暴脹宇宙模型認為宇宙早期「真空」中有超光速物質存在，宇宙在最初的10^（-35）秒呈指數攀脹，其間溫度急劇下降後回升，視界距離急增，物質向現有粒子形式轉化。其餘演化過程和大爆炸模型一致，有奇點，但可觀測範圍總小於視界距離。由古斯、溫伯格和威爾茨克印．w ilczek 根據粒子物理大統一理論首先提出宇宙模型。

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

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