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第3節(jié):萬物肇始 大爆炸后10-43~10-32 秒(3)

大爆炸:宇宙通史 作者:(英)帕特里克·摩爾


為什么這會(huì)成為一個(gè)問題?難道宇宙在各個(gè)方向上看起來一樣不是很自然的事情嗎?也許有某個(gè)現(xiàn)在還不為人所知的規(guī)律在支配大爆炸的物理變化,保證只有幾乎是均勻的宇宙才能產(chǎn)生。但是現(xiàn)在我們還沒發(fā)現(xiàn)有任何物理理論能夠預(yù)言這一現(xiàn)象的跡象,所以至少需要考慮如下的可能,就是宇宙誕生之時(shí)不同區(qū)域之間可能存在巨大的溫度差異,比如在早期宇宙中,一半的溫度可能是另一半溫度的兩倍。那么這樣如何產(chǎn)生我們現(xiàn)在觀察到的宇宙的均勻性呢?熱量沒有時(shí)間流動(dòng)到宇宙中冷的部分,甚至沒有時(shí)間在兩個(gè)區(qū)域之間以光速發(fā)送一個(gè)消息。在這種環(huán)境下,原始的不平衡不可能被修正;而實(shí)際上,這些互相遠(yuǎn)離毫無關(guān)聯(lián)的區(qū)域卻是非常相似的。

我們的兩個(gè)星系現(xiàn)在是互相遠(yuǎn)離。但是宇宙在非常年輕時(shí)要小得多,而在兩邊的物體有可能互相接觸從而交換熱量,達(dá)到今日所見的均勻性。現(xiàn)在的問題是,這個(gè)早期階段的宇宙到底有多大?出乎意料地,答案相當(dāng)簡單。

到目前為止我們只討論過一種能夠在天文距離上起作用的力,就是萬有引力。它本質(zhì)上是一種把物體拉到一起的吸引力。引力本身會(huì)減緩膨脹的速度。我們可以嘗試從現(xiàn)在反推出宇宙的大小隨時(shí)間是如何變化的,而我們發(fā)現(xiàn)宇宙同謀的問題一直到早期宇宙都存在。換句話說,宇宙從來沒有小到過能夠讓光從一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)的程度。所以從來沒有小到能夠使得溫度差被平坦掉的程度。這個(gè)推論是建立在引力是唯一影響膨脹速度的力的基礎(chǔ)上的,所以如果我們要解決同謀問題,就必須放棄這個(gè)觀點(diǎn)。

瘋狂的暴脹

現(xiàn)在流行的解決方案在一定程度上增加了大爆炸理論的復(fù)雜度。大多數(shù)宇宙學(xué)家們現(xiàn)在相信曾有一個(gè)異常短暫的快速膨脹期,稱為暴脹。在大爆炸后10-35秒到10-32秒之間,宇宙擴(kuò)展了幾十億倍。在暴脹階段的最后,膨脹回到了一個(gè)比較穩(wěn)定的速度,和今天觀測到的一致。

如果沒有暴脹時(shí)期,我們所看到的宇宙中相對側(cè)的區(qū)域就既沒有時(shí)間來交換熱量,也沒有可能達(dá)到充分的平衡。假設(shè)的這種快速膨脹使我們能夠認(rèn)為宇宙開始時(shí)要小得多,從而可以在加速膨脹開始之前達(dá)到溫度均衡。剩余的少量不均勻性被尺度上的巨大增加所消除。這個(gè)迷人的快速暴脹帶來的一個(gè)結(jié)果就是我們所觀測到的區(qū)域只是整個(gè)宇宙的極小的一部分。即,我們只能觀察到實(shí)際上是我們周圍局部的一點(diǎn)變化,而這注定是非常有限的。用一個(gè)日常的比喻,我們知道地球從珠穆朗瑪峰峰頂?shù)阶钌畹暮系牡撞坑泻艽蟮母叨茸兓?。暴脹的等價(jià)效果就是把你腳尖下的一小塊地方擴(kuò)展到整個(gè)地球這么大,或者等效地把我們縮小到比最小的病毒還小很多的地步,那么在我們能夠到達(dá)和探索的范圍里,高度的變化將是微乎其微的。對于宇宙中的溫度起伏,暴脹也帶來了同樣的效果。


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