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【科普】大爆炸之前發生了什麼?為什麼宇宙可以無中生有?
2023/01/02

大爆炸理論雖然是我們描述宇宙起源最好的理論,各種預言都得到了觀測的實證,但是依舊有一些無法解釋的問題。

就像,我們前面說的視界難題、為什麼我們在天空中的各個方向上,看到的溫度都是一樣的?還有平坦難題,為什麼宇宙空間的曲率是0?平的不可思議?

最后一個單極難題,既然宇宙早期的溫度極高,為什麼我們現在找不到一些高能遺跡,比如磁單極子。

這三個問題都指向了宇宙早期的那個高溫、高密、極小的時刻,而大爆炸理論并不能對這個時刻做出任何描述,所以必須對大爆炸理論做出修正和補充。

從上世紀的70年代末開始,人們就考慮這個問題了,1979年理論物理學阿蘭·古斯,也對這個問題產生了極大的興趣,1981年他就發表了第一個暴脹模型,在宇宙學界引起了巨大的轟動。

暴脹理論認為,在宇宙大爆炸之前還發生了一個階段,就是空間的暴脹,發生在10^-36秒到10^-32秒,這段極小的時間內,雖然時間短,但是這個階段讓宇宙空間的半徑增大了至少10^50倍。這是個啥概念?這相當于把一粒灰塵變成了10個銀河系的大小。

所以宇宙的暴脹階段空間呈指數級的瘋狂增長,等暴漲結束以后,空間還會繼續膨脹,但是速度卻小了很多,緊接著宇宙就變成了一個高溫、致密、充滿物質、反物質和輻射的等離子體狀態。這就是我們所說的大爆炸宇宙模型了。

可以看出是宇宙的暴脹階段創造了充滿物質和輻射的宇宙,這個后面我們再說,這里先說,空間的暴脹如何解決上文留下的三個難題。

先說第一個視界問題,圖中的實線代表了標準模型中,隨著時間的推移,物質區域的大小,虛線代表了視界區域的大小,很明顯,視界區域一直小于物質區域,這也說明了宇宙的膨脹速度遠超光速。

最主要的是,從一開始,標準模型所預測的宇宙的大小,大于視界的大小,所以宇宙還來不及達到一個熱平衡的狀態,兩個地方的粒子都還處在互相的視界之外,宇宙就開始膨脹了,導致出現了視界的問題。

而暴漲模型解決這個問題的辦法是,宇宙從一開始的尺度遠小于視界的尺度,也就是圖中的紅線,這說明宇宙從一開始就是一個「親密無間」的熱平衡狀態,它們互相之間共享了信息,只是在10^-36秒的時候,空間經歷了暴漲,半徑一下擴大了10^50倍,所以才造成了看似今天分離的兩個區域,有相同的溫度。

再說,平坦難題,我們相信整個宇宙的曲率它不是正就是負,如果沒有啥特別的原因,不可能是平坦的,因為平坦的宇宙是一種物質密度和宇宙膨脹率相平衡的亞穩定狀態,這樣的宇宙非常的脆弱,多一個原子它就踏了,少一個原子就會繼續膨脹,所以我們覺得宇宙的不可能是平坦的,至少得有一些可觀測的曲率。

但是WMAP和普朗克衛星的測量結果顯示,我們的宇宙沒有可觀測的曲率,完全是平的,這是咋回事?暴脹理論就能很好地解釋了這個問題,他說,不管妳宇宙一開始是啥形狀,也不管妳的曲率一開始是正的、負的、還是平的,暴漲結束以后,宇宙從10^-26米,一下擴張到了10^24米,基本上奠定了可觀測宇宙的尺度,所以空間經過急速的拉伸之后,就變得非常平坦了。

這就像是我們處在地球上一樣,感覺地球是平的,其實地球是一個正曲率的球面,因為地球的尺度很大,同樣的,整個宇宙的尺度也很大,即使我們測量了可觀測宇宙的曲率,依然沒有發現整個宇宙的曲率。

但我們相信,整個宇宙肯定存在一個正曲率或者是負曲率,這妳想一下,這整個宇宙得多大呀,我們測量可觀測宇宙,也沒有測出它的曲率。

最后一個單極問題,以前我們說,宇宙誕生于一個溫度極高、密度極高的狀態,這個極高預示著溫度沒有上限,但是我們現在又給大爆炸之前設定了一個階段,宇宙暴脹,這樣也就是為大爆炸設定了一個能量上限。

因為暴脹結束以后,一部分空間能量才誕生了物質和輻射,所以說宇宙大爆炸的溫度并非沒有極限,它的溫度上限就不可能超過暴脹時期的能量密度。

所以說,有些高能遺跡根本就誕生不了,可能就包括磁單極子,就算它誕生了,宇宙的暴脹也會將這些為數不多的粒子,稀釋到了我們找不到的地步。這就是為啥我們找不到磁單極子的原因。

妳看,給大爆炸之前加一個暴脹階段,就能很好地解決以上的問題,而且它也能夠告訴我們,大爆炸階段宇宙的熱狀態是怎麼來的?

一句話,我們現在所能看到的一切都來自于真空,也可以理解為無中生有,是真空誕生了一切。好,下面我就解釋下,為什麼我們的宇宙是一場免費的午餐?

在我們看來空無一物的真空其實并不空,它包含了一個最基礎的能量,真空零點能,這是海森堡不確定性原理的推論。

他說,在一個極短的時間內,真空具有的能量會存在巨大的不確定性,這種能量會創生出正反虛粒子對,它們會在極短的時間內湮滅掉。

所以虛粒子對無法被直接地探測到,但我們可以間接地觀察到它們所產生的效應,比如在卡西米效應中,我們就觀察到了真空漲落使得兩個略微分開金屬板產生了微弱的吸引力,這個力要比引力大得多,所以驗證了真空中的量子漲落。

由于現在的真空已經處在了基態,也就是能量最小的狀態了,所以我們不能在從真空中再移除任何能量了,因此要想讓這些虛粒子實在化,就需要向真空中注入能量,比如說正反粒子對效應,還有霍金的黑洞輻射,量子漲落如果發生在黑洞視界邊緣,如果一個虛粒子掉入黑洞,另外一個就會帶走黑洞的質量,變為實粒子。

所以說,現在的真空不能創造任何物質和輻射,但是宇宙暴漲時期的真空,跟現在的不一樣,當時的真空稱為「偽真空」,是一種真空的的激發態,里面包含的真空能量的密度更高,這種不穩定的狀態會自發的落回到基態,我們稱之為真空相變。

或者說當時真空的相擁有更高的對稱性,但這種對稱性不穩定,會自發的破缺,導致這種真空會從一個相會轉成另外一個更加穩定的、能量更低的、對稱性破缺的相。

就好比一只用筆尖立在桌面上的鉛筆,雖然看起來是對稱的,但這種狀態是鉛筆的不穩定態,它會隨機選擇一個方向倒下去,倒在桌面上的鉛筆就會回到了穩定的基態,并且對稱性也自發破缺了,那麼在這個過程中,就會釋放出能量。

還有水的物相的轉變,在零度的時候,冰水混合物會傾向于結冰,回到更低的能態,在這個過程中,它會釋放出自身的潛伏熱。

我們相信早期空無一物的空間,也發生了這種從高能量狀態到基態的相變過程。好,我們現在想一下,大爆炸之前都發生了啥。

上圖中小球開始的位置代表了偽真空,此時空間中蘊含的真空能量的密度非常高,所以就產生了巨大的斥力,導致空間暴漲。

但這樣的偽真空跟小球一樣,不穩定,會自發的落回基態,所以說暴脹只持續了很短的時間,對小球來說就是它滾到了懸崖邊上,在往前走一點就會落入山谷,處在更加穩定的基態。

所以在很短的時間內偽真空就發生了相變,暴漲就結束了,此時的宇宙空間會釋放出大量的能量,這個階段稱為「宇宙再加熱」,也就是我們所說的大爆炸階段了。

所以說,萬物來自于空無一物的真空,是真空不同相的轉變,創造了我們所看到的一切。我們現在也認為,真空中蘊含的能量,也就是最初掌控宇宙暴漲的暴漲場,就是我們所說的暗能量。

暴漲結束以后只有一小部分暗能量轉變成了物質,但大部分依舊留在了真空當中,也就是我們現在的基態真空。目前還主導著宇宙的膨脹。以上我所說的叫慢滾暴脹模型,是比較好懂的一種說法。

那麼暴漲理論還給我們帶來了一種新的說法,叫多元宇宙,這跟由薛定諤的貓得出來的平行世界不同。

妳看,上面我們的推論都是把暴漲場當作了經典場來處理,認為整個空間同時經歷了暴漲,暴漲又同時結束,誕生大爆炸。但是我們知道暴漲場是量子場,量子場就意味著暴漲并不會結束,一直在發生。

因為由量子場創生出來的空間,所具有的勢能并不會降低,甚至比之前的還要高,那麼這些創造出來的空間,也會在局部經歷同樣的暴漲過程,又創造出空間,然后又暴漲。

在這期間有些區域的暴漲就結束了,真空能量產生了物質,大爆炸開始了。有些地方還在暴漲,進而創生更多的空間,引發更多的暴漲區域,然后這些區域又會在不同的時間,誕生大爆炸的狀態。無休無止,這就是多元宇宙論,就跟熬稀飯的時候那個泡泡有點像,每一個泡泡就是一個宇宙,每一個宇宙都是彼此獨立,沒有聯系的區域。

上圖就是形象了說明了這一點,即使我們的宇宙是從一個很小的區域開始暴漲的,也會創造出大量的互相獨立的空間。

其中紅色部分就代表了這個區域的空間暴漲結束了,開始了大爆炸,誕生了一個宇宙。其他的空間還會繼續暴漲,然后經歷大爆炸,無休無止。

這是一個非常龐大的宇宙觀,我們的宇宙只不過是眾多宇宙中的一個,而且在那個更大的母宇宙當中,現在依舊有空間在暴漲,依舊有大爆炸發生。如果真是這樣的話,那這也太奇怪了,沒辦法理解。

最后我們說下暴漲理論所帶來的兩個預測,這是一個正確的理論所必須做到的,其中一個預測就是真空能量的波動,被空間的暴漲拉伸到了[大尺度]上,形成了密度分布的不均勻,這就是恒星、星系這些結構的種子,這個預測已經得到了觀測的證實,也就是微波背景上的溫度波動。

第二個預測就是暴漲時期的引力波信號,通過觀察微波背景輻射中光子的極化模式,未來我們有可能會發現引力波的痕跡。

總的來說,暴漲理論基本上符合了一個正確的理論所需要具備的要素,妳看,他包含了大爆炸理論,解釋了大爆炸不能解釋的三個問題,也做出了一些預言,并且得到了觀測的實證。

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