我們為什么需要宇宙暴脹理論？并不完美的科學假說

來源：新浪科技 發布時間：2018-10-25瀏覽：2004次

我們為什么需要宇宙暴脹理論？并不完美的科學假說

　　新浪科技訊 北京時間10月25日消息，據國外媒體報道，宇宙大爆炸模型是目前對宇宙歷史的最成功解釋，而且這一模型的核心框架可以很容易地濃縮為一句話：在很久以 前，我們的宇宙要比現在小得多。在這個簡單的句子背后，是許多經過數十年觀測后得到驗證的重要預言。宇宙的膨脹速率、宇宙微波背景輻射、最輕元素的產生、 近處和遠處星系之間的差異……所有這些研究獲得的證據使宇宙學成為一門科學。然而，一些問題依然懸而未決。

　　在沒有其他補充或修正的情況下，大爆炸理論無法解釋所有觀測結果。

　　望向遙遠的宇宙

　　我們看到的是無比巨大的宇宙空間。目前可觀測的宇宙直徑超過900億光年。而且，隨著我們對過去的了解越來越深，我們的目光也看得越來越遠。圍 繞在我們周圍的是宇宙微波背景輻射，這是宇宙誕生不久（大約27萬年）時遺留下來的“化石”痕跡——宇宙最古老的光，距離現在過去了138億年。

　　這些熱輻射穿過遙遠的宇宙空間，來到我們身邊。距離之遠，我們現在還無法到達其源頭。而且，對于宇宙微波背景的不同部分，其輻射也彼此無法到 達。用物理學的術語來說，宇宙微波背景的不同區域不是因果關聯的。換句話說，在過去138億年中，對于我們可觀察宇宙極限范圍內的一大塊區域而言，如果要 與另一大塊區域溝通，就必須發送比光速更快的信號。

　　如果宇宙微波背景不是幾乎完全平滑的話，這些就不是什么大問題。新生宇宙具有相同的溫度（差別只有百萬分之一）。為什么一切都協調得如此之好，一處區域的變化都沒有足夠的時間影響到其他區域？

　　宇宙是平的

　　盡我們所能對宇宙進行測量，會發現宇宙的幾何學性質似乎是完全的平坦。在大的宇宙尺度上，平行線永遠保持平行，三角形的內角加起來是180度，以此類推。你在高中學到的歐幾里得幾何規則都適用。

　　但是，宇宙沒有理由是平坦的。在大尺度下，宇宙可以有任何想要的彎曲，它可以像一個巨大而多維的沙灘球，也可以像騎馬用的馬鞍。然而，它選擇了 平坦，而且不只是有點平坦。在如今的宇宙中，沒有哪里的曲率可以達到幾個百分點的精度，早期宇宙則肯定能達到百萬分之一的平坦程度。

　　為什么？在所有可能的曲率選擇中，幾乎完全平坦的選項難道沒有一點可疑嗎？而且事實上，我們確實懷疑這種平坦度是有原因的，而不僅僅是擲骰子的幸運結果。

　　神秘的磁單極子

　　在理論物理學中，磁單極子是假設的僅帶有單一磁極的基本粒子——想象一個只有北極或南極的粒子在獨自轉動。在已知物理學中，具有磁北極的物體也同時具有磁南極。根據目前關于最早期宇宙（大約是10^-35秒時）的最佳模型，當時宇宙中應該充斥著這樣的磁單極子。

　　這些磁單極子應該非常常見，甚至應該成為我們日常宇宙生活中的正常部分。然而，截至目前我們還沒有看到哪怕一個證據。在黑暗宇宙中似乎并沒有潛藏著神秘的單極子粒子。

　　它們去哪里了？在宇宙剛開始變得有趣時，它們應該大量存在的，但如今卻無處可尋。

　　暴脹的宇宙

　　目前我們對這些難題的最佳解釋是宇宙暴脹（inflation）的過程。1980年，美國物理學家阿蘭?古斯（Alan Guth）首次提出了這一理論，并指出導致磁單極子充斥宇宙的過程也使宇宙進入了一個快速膨脹的時期。

　　想象一下，如果將你的身體——包括腸胃、大腦、骨架等等——膨脹到整個宇宙大小，并且只花了不到10^-32秒的時間。這是非常猛烈的膨脹過程，所謂宇宙暴脹即是如此。阿蘭?古斯提出，當我們的宇宙非常年輕時，它就在不到一眨眼的時間里膨脹到了如此龐大的尺度。

　　對古斯而言，這是解決磁單極子難題最干脆的途徑。通過使宇宙變得如此之大，磁單極子就會被稀釋。我們可觀測的部分宇宙只是整個宇宙的一個小角落，還有無比巨大的空間在那里，我們甚至永遠都不能期望會發現磁單極子。

　　宇宙暴脹還解決了大爆炸理論的另兩個問題。在暴脹之前，宇宙有充足的時間來協調和平衡溫度，然后再進入一個更大尺度的狀態，同時一些曾經連接著 的區域也彼此分離，無法再互相接觸。在這樣一個廣闊的宇宙中，我們在可觀察的部分里也只能測量到平坦的幾何學特征。誰會在乎整個宇宙的曲率是多少……它太 大了，以至于在我們看來幾乎完全是平坦的。地球是有曲率的，但如果站在地面上看，你會看到后院的草坪是平坦的，因為它的面積相對地球表面而言太小了。在考 慮宇宙形狀的問題時，你也可以運用同樣的邏輯。

　　盡管如此，科學家對宇宙暴脹背后的機制仍然充滿困惑。作為一個并不完美的科學假說，暴脹理論不能只解釋當前的觀察結果，也在對未來的觀察進行預測。那就是未來新的故事了。（任天）