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82、暴涨的宇宙


  大爆炸的膨胀宇宙模型与天文观测的精确相符使它成为标准宇宙模型,它解释了哈勃红移、背景辐射以及化学元素在宇宙中的比例等现象。但是随着对大爆炸标准模型的深入分析,一些缺陷也逐渐显露出来。除了大爆炸理论存在一个体积无限小的奇点外,主要的问题是平坦性问题、视界问题和磁单极子问题。现在的宇宙曲率几乎为零,这代表宇宙平均密度与临界密度几乎相同,而伴随着宇宙的膨胀,任何对临界密度的偏差都会被时间放大,但如今的宇宙仍然是平坦的,这种极端的巧合让我们相信背后一定有其它的原因。
  由于信息传递速度不能超过光速,宇宙中相互远离的不同区域之间应该没有因果联系,这与背景辐射的各向同性相矛盾。大爆炸模型同样不能理解为什么观测不到磁单极子。这些疑难被古斯的一个简单而优美的想法解决了,温伯格在看到这一想法时的第一个反应是遗憾:“为什么我没有想到”。
  1981年,古斯发表了他的暴涨学说,他认为,如果在大爆炸初期,宇宙存在一个指数级的暴涨过程,在一个极短的时间内,宇宙尺度从一个比质子还小的区域内迅速膨胀到10厘米左右的大小,如果极早期的宇宙中真的存在这样一个过程,就可以自然的解决三个疑难。
  空间本身的膨胀速度可以不受光速的限制,但即使在暴涨过程中,宇宙中的物质相对其所在的空间,运动速度也是无法超越光速的。通过暴涨模型,可以计算量子涨落导致的时空大尺度结构,并且可以在背景辐射的精细结构中留下痕迹,如今对宇宙中星系分布以及对背景辐射细节的观测进一步支持了暴涨学说,因此宇宙诞生初期的暴涨阶段几乎可以肯定确实发生过了。
  早在1917年,德西特就发现了带有宇宙学常数的广义相对论的一个解,它描述的就是指数膨胀的宇宙模型,当时并没有人重视这个结果,而如今,德西特的模型成为古斯暴涨学说的理论基础。暴涨的另一个理论基础来自于大统一理论,尽管统一强力、弱力及电磁力的大统一理论还没有明确的实验验证,物理学家们却已经迫不及待的将它应用于宇宙学领域了,在极早期的宇宙中,量子理论与引力效应同时存在且不可忽略。大统一理论可以给出暴涨的具体机制,从而有可能通过宇宙学的观测数据间接证明大统一理论。
  极早期宇宙的暴涨过程最初是为了解决大爆炸模型的困境想象出来的,但很快获得了观测数据的支持,而且暴涨过程也可以找到它的理论机制,理论与观测数据的支持使暴涨从纯粹的想象成为一种科学的理论。大统一对称破缺的能标为10的15次方GeV,能量高于这个能标与低于此能标时的真空状态是不同的,宇宙会从SU(5)对称性破缺为SU(3)×SU(2)×U(1)对称性,强相互作用力与电弱相互作用分离,它们变得可以区分了。
  当宇宙膨胀到其温度与此能标相当时,真空相变并不会马上发生,而是会存在一个短暂的过冷状态,在这个状态中,物质的能量密度随膨胀迅速降低,而真空能量密度不变,此时的真空能占主导,宇宙按照指数规律急剧暴涨,在大约10的-33次方秒的时间内宇宙尺度暴涨10的43次方倍,比此后的138亿年的膨胀倍数还高。暴涨结束时,真空相变发生了,两个不同的真空相态之间能量是不同的,因此真空相变释放出大量相变潜热,这些能量将真空中处于基态的大量量子场激发到激发态,因此产生了数量庞大的基本粒子。
  从这样的分析中人们认识到,大统一的真空相变可以产生暴涨的图像,但是或许对大统一理论我们的认识还不够全面,这种暴涨图像与宇宙学的要求并不相符,因此人们引入了具有自作用的标量场,通过新的真空相变机制解释暴涨产生的原因。如今阐述暴涨机制的物理模型越来越多,也可以很好的符合观测数据,人们一般不再怀疑暴涨的确发生过,却对暴涨真实的机理难以选择。
  在量子论与广义相对论描述的宇宙学的结合之处似乎存在某种混乱,这在极早期宇宙的物理模型中经常体现出来。大统一理论对质子寿命的预言被实验否定,让这个本该充满希望的理论蒙上了阴影;大统一真空相变过程可以提供宇宙暴涨的机制,却在细节上与宇宙学数据不符,似乎需要寻找新的暴涨机制;宇宙学数据要求存在一个很小但不是零的宇宙学常数,它似乎很显然应该代表真空能,而且预言真空能量密度应该很小,但是从量子论出发,无论如何都得不到很小的真空能,计算出的真空能量密度往往巨大的让人绝望。
  一系列的反常现象让人预感到,物理学又来到了一个十字路口,广义相对论与量子论这两个绝顶高手由于内在的深刻矛盾注定要进行痛苦的较量,极早期的宇宙由于引力效应与量子效应均不可忽略,成为它们最主要的战场。引领人们走出混乱,化解量子论与相对论内在矛盾的关键思想仍然隐藏在迷雾之中。
  20世纪初的紫外灾难让人记忆犹新,从严格的理论基础与逻辑出发,得到了与实验矛盾的结果,而那些理论与逻辑曾经经历过千锤百炼,很难从中发现破绽。如今的真空能量密度问题何尝不是又一场紫外灾难,好在我们有了暴涨的宇宙学模型,有了海量的天文观测数据,让我们有了真空能或者说暗能量的实验值。或许在不久的将来,或很久的将来,我们可以在一个全新的理论中,计算出真空能的实验值,甚至构造出在任意尺度上成立的新理论,解释宇宙中的一切过程。虽然这个新理论还远没有被发现,人们却早已为其起好了名字:统一场论。