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大爆炸之前发生了什么?为什么宇宙可以无中生有?

我们接着前面的文章继续说,大爆炸理论虽然是我们描述宇宙起源最好的理论,各种预言都得到了观测的实证,但是依旧有一些无法解释的问题。

就像,我们前面说的视界难题、为什么我们在天空中的各个方向上,看到的温度都是一样的?还有平坦难题,为什么宇宙空间的曲率是0?平的不可思议?

最后一个单极难题,既然宇宙早期的温度极高,为什么我们现在找不到一些高能遗迹,比如磁单极子。

这三个问题都指向了宇宙早期的那个高温、高密、极小的时刻,而大爆炸理论并不能对这个时刻做出任何描述,所以必须对大爆炸理论做出修正和补充。

从上世纪的70年代末开始,人们就考虑这个问题了,1979年理论物理学阿兰・古斯,也对这个问题产生了极大的兴趣,1981年他就发表了第一个暴胀模型,在宇宙学界引起了巨大的轰动。

暴胀理论认为,在宇宙大爆炸之前还发生了一个阶段,就是空间的暴胀,发生在10^-36秒到10^-32秒,这段极小的时间内,虽然时间短,但是这个阶段让宇宙空间的半径增大了至少10^50倍。这是个啥概念?这相当于把一粒灰尘变成了10个银河系的大小。

所以宇宙的暴胀阶段空间呈指数级的疯狂增长,等暴涨结束以后,空间还会继续膨胀,但是速度却小了很多,紧接着宇宙就变成了一个高温、致密、充满物质、反物质和辐射的等离子体状态。这就是我们所说的大爆炸宇宙模型了。

可以看出是宇宙的暴胀阶段创造了充满物质和辐射的宇宙,这个后面我们再说,这里先说,空间的暴胀如何解决上文留下的三个难题。

先说第一个视界问题,图中的实线代表了标准模型中,随着时间的推移,物质区域的大小,虚线代表了视界区域的大小,很明显,视界区域一直小于物质区域,这也说明了宇宙的膨胀速度远超光速。

最主要的是,从一开始,标准模型所预测的宇宙的大小,大于视界的大小,所以宇宙还来不及达到一个热平衡的状态,两个地方的粒子都还处在互相的视界之外,宇宙就开始膨胀了,导致出现了视界的问题。

而暴涨模型解决这个问题的办法是,宇宙从一开始的尺度远小于视界的尺度,也就是图中的红线,这说明宇宙从一开始就是一个“亲密无间”的热平衡状态,它们互相之间共享了信息,只是在10^-36秒的时候,空间经历了暴涨,半径一下扩大了10^50倍,所以才造成了看似今天分离的两个区域,有相同的温度。

再说,平坦难题,我们相信整个宇宙的曲率它不是正就是负,如果没有啥特别的原因,不可能是平坦的,因为平坦的宇宙是一种物质密度和宇宙膨胀率相平衡的亚稳定状态,这样的宇宙非常的脆弱,多一个原子它就踏了,少一个原子就会继续膨胀,所以我们觉得宇宙的不可能是平坦的,至少得有一些可观测的曲率。

但是WMAP和普朗克卫星的测量结果显示,我们的宇宙没有可观测的曲率,完全是平的,这是咋回事?暴胀理论就能很好地解释了这个问题,他说,不管你宇宙一开始是啥形状,也不管你的曲率一开始是正的、负的、还是平的,暴涨结束以后,宇宙从10^-26米,一下扩张到了10^24米,基本上奠定了可观测宇宙的尺度,所以空间经过急速的拉伸之后,就变得非常平坦了。

这就像是我们处在地球上一样,感觉地球是平的,其实地球是一个正曲率的球面,因为地球的尺度很大,同样的,整个宇宙的尺度也很大,即使我们测量了可观测宇宙的曲率,依然没有发现整个宇宙的曲率。

但我们相信,整个宇宙肯定存在一个正曲率或者是负曲率,这你想一下,这整个宇宙得多大呀,我们测量可观测宇宙,也没有测出它的曲率。

最后一个单极问题,以前我们说,宇宙诞生于一个温度极高、密度极高的状态,这个极高预示着温度没有上限,但是我们现在又给大爆炸之前设定了一个阶段,宇宙暴胀,这样也就是为大爆炸设定了一个能量上限。

因为暴胀结束以后,一部分空间能量才诞生了物质和辐射,所以说宇宙大爆炸的温度并非没有极限,它的温度上限就不可能超过暴胀时期的能量密度。

所以说,有些高能遗迹根本就诞生不了,可能就包括磁单极子,就算它诞生了,宇宙的暴胀也会将这些为数不多的粒子,稀释到了我们找不到的地步。这就是为啥我们找不到磁单极子的原因。

你看,给大爆炸之前加一个暴胀阶段,就能很好地解决以上的问题,而且它也能够告诉我们,大爆炸阶段宇宙的热状态是怎么来的?

一句话,我们现在所能看到的一切都来自于真空,也可以理解为无中生有,是真空诞生了一切。好,下面我就解释下,为什么我们的宇宙是一场免费的午餐?

在我们看来空无一物的真空其实并不空,它包含了一个最基础的能量,真空零点能,这是海森堡不确定性原理的推论。

他说,在一个极短的时间内,真空具有的能量会存在巨大的不确定性,这种能量会创生出正反虚粒子对,它们会在极短的时间内湮灭掉。

所以虚粒子对无法被直接地探测到,但我们可以间接地观察到它们所产生的效应,比如在卡西米效应中,我们就观察到了真空涨落使得两个略微分开金属板产生了微弱的吸引力,这个力要比引力大得多,所以验证了真空中的量子涨落。

由于现在的真空已经处在了基态,也就是能量最小的状态了,所以我们不能在从真空中再移除任何能量了,因此要想让这些虚粒子实在化,就需要向真空中注入能量,比如说正反粒子对效应,还有霍金的黑洞辐射,量子涨落如果发生在黑洞视界边缘,如果一个虚粒子掉入黑洞,另外一个就会带走黑洞的质量,变为实粒子。

所以说,现在的真空不能创造任何物质和辐射,但是宇宙暴涨时期的真空,跟现在的不一样,当时的真空称为“伪真空”,是一种真空的的激发态,里面包含的真空能量的密度更高,这种不稳定的状态会自发的落回到基态,我们称之为真空相变。

或者说当时真空的相拥有更高的对称性,但这种对称性不稳定,会自发的破缺,导致这种真空会从一个相会转成另外一个更加稳定的、能量更低的、对称性破缺的相。

就好比一只用笔尖立在桌面上的铅笔,虽然看起来是对称的,但这种状态是铅笔的不稳定态,它会随机选择一个方向倒下去,倒在桌面上的铅笔就会回到了稳定的基态,并且对称性也自发破缺了,那么在这个过程中,就会释放出能量。

还有水的物相的转变,在零度的时候,冰水混合物会倾向于结冰,回到更低的能态,在这个过程中,它会释放出自身的潜伏热。

我们相信早期空无一物的空间,也发生了这种从高能量状态到基态的相变过程。好,我们现在想一下,大爆炸之前都发生了啥。

上图中小球开始的位置代表了伪真空,此时空间中蕴含的真空能量的密度非常高,所以就产生了巨大的斥力,导致空间暴涨。

但这样的伪真空跟小球一样,不稳定,会自发的落回基态,所以说暴胀只持续了很短的时间,对小球来说就是它滚到了悬崖边上,在往前走一点就会落入山谷,处在更加稳定的基态。

所以在很短的时间内伪真空就发生了相变,暴涨就结束了,此时的宇宙空间会释放出大量的能量,这个阶段称为“宇宙再加热”,也就是我们所说的大爆炸阶段了。

所以说,万物来自于空无一物的真空,是真空不同相的转变,创造了我们所看到的一切。我们现在也认为,真空中蕴含的能量,也就是最初掌控宇宙暴涨的暴涨场,就是我们所说的暗能量。

暴涨结束以后只有一小部分暗能量转变成了物质,但大部分依旧留在了真空当中,也就是我们现在的基态真空。目前还主导着宇宙的膨胀。以上我所说的叫慢滚暴胀模型,是比较好懂的一种说法。

那么暴涨理论还给我们带来了一种新的说法,叫多元宇宙,这跟由薛定谔的猫得出来的平行世界不同。

你看,上面我们的推论都是把暴涨场当作了经典场来处理,认为整个空间同时经历了暴涨,暴涨又同时结束,诞生大爆炸。但是我们知道暴涨场是量子场,量子场就意味着暴涨并不会结束,一直在发生。

因为由量子场创生出来的空间,所具有的势能并不会降低,甚至比之前的还要高,那么这些创造出来的空间,也会在局部经历同样的暴涨过程,又创造出空间,然后又暴涨。

在这期间有些区域的暴涨就结束了,真空能量产生了物质,大爆炸开始了。有些地方还在暴涨,进而创生更多的空间,引发更多的暴涨区域,然后这些区域又会在不同的时间,诞生大爆炸的状态。无休无止,这就是多元宇宙论,就跟熬稀饭的时候那个泡泡有点像,每一个泡泡就是一个宇宙,每一个宇宙都是彼此独立,没有联系的区域。

上图就是形象了说明了这一点,即使我们的宇宙是从一个很小的区域开始暴涨的,也会创造出大量的互相独立的空间。

其中红色部分就代表了这个区域的空间暴涨结束了,开始了大爆炸,诞生了一个宇宙。其他的空间还会继续暴涨,然后经历大爆炸,无休无止。

这是一个非常庞大的宇宙观,我们的宇宙只不过是众多宇宙中的一个,而且在那个更大的母宇宙当中,现在依旧有空间在暴涨,依旧有大爆炸发生。如果真是这样的话,那这也太奇怪了,没办法理解。

最后我们说下暴涨理论所带来的两个预测,这是一个正确的理论所必须做到的,其中一个预测就是真空能量的波动,被空间的暴涨拉伸到了大尺度上,形成了密度分布的不均匀,这就是恒星、星系这些结构的种子,这个预测已经得到了观测的证实,也就是微波背景上的温度波动。

第二个预测就是暴涨时期的引力波信号,通过观察微波背景辐射中光子的极化模式,未来我们有可能会发现引力波的痕迹。

总的来说,暴涨理论基本上符合了一个正确的理论所需要具备的要素,你看,他包含了大爆炸理论,解释了大爆炸不能解释的三个问题,也做出了一些预言,并且得到了观测的实证。

最主要的是,他告诉了我们,大爆炸之前发生了什么?