久久看书网

第1章 看看宇宙大爆炸（第3页）

思考一下，A云的热量能否传递给b云呢？答案是不能，因为热量传递速度不能超光速，而大爆炸后时间太短，A云没有足够时间把热量传递给b云，所以A、b两朵云会存在一定温度差。

天文学家依据大爆炸模型计算，微波背景辐射中至少应该有几万个像A、b云这样温度明显不同的区域。但实际天文观测表明，微波背景辐射的温度差别极小，各个方向的温度仅有十万分之一的差别，即最冷的地方约2999.99°c，最热的地方约3000.01°c。由此可见，理论和实际观测出现了矛盾。

而爆胀场理论可解决此问题，其思路是：假设A、b两朵云最初在一粒沙子大小的空间内，这样两朵云就能互相传递热量，通过热量交换，A、b两朵云在这粒沙子大小的空间里提前混合成3000°c，然后空间发生爆炸，致使这粒沙子瞬间膨胀到银河系大小，此时银河系左边的A云是3000°c，银河系右边的b云也是3000°c，最后因量子涨落，在微波背景辐射里呈现出2999.99 - 3000.01°c的温度范围，这样就完美解决了该问题。简单来说，就是先在极小空间内提前混合好温度，空间爆炸后全空间的温度就都一样了，从而使微波背景辐射的温度也趋于一致。

2. 平坦性问题：根据广义相对论，宇宙可分为开空间、闭空间和平坦空间三种类型。天文观测表明，宇宙目前是平坦空间。但平坦空间极难形成，因为它要求宇宙的能量密度必须严格等于临界密度，就如同跷跷板一样，只要最初稍有偏离，就会随着空间的膨胀放大这种偏离。

由于量子力学的随机性，宇宙大爆炸初期，有些区域密度大，有些区域密度小，最终很可能导致形成一个不平坦的宇宙。然而天文观测显示宇宙现在非常平坦，这就产生了矛盾。

爆胀场理论可解决此问题，其思路是：一粒沙子密度不均匀，有的地方密度大，有的地方密度小，若将这粒沙子瞬间膨胀到银河系那么大，就会抹平一切密度不均匀，宇宙的空间就会变得非常平坦，从而完美解决了该问题。

3. 磁单极子问题：大多数大统一理论认为，大爆炸后10的负36次方秒左右，因温度变化，强力和电弱力分离，这次从高温到低温的相变过程中会出现磁单极子。磁单极子是指像磁铁虽有南北两极，但它只有南极或者只有北极的一种特殊粒子。

根据大爆炸模型计算，宇宙应该产生了很多磁单极子，可至今我们一个都未找到。要是能找到磁单极子，肯定能荣获诺贝尔物理学奖。

对于爆胀场理论解决此问题的方式，假设在一粒沙子里面有1亿颗磁单极子，当沙子瞬间膨胀到银河系大小，整个太阳系都分不到一颗磁单极子，自然就找不到它了。

总之，传统的大爆炸模型存在这三大缺陷，于是天文学家提出了爆胀场理论来修复这些缺陷，相当于给大爆炸模型打了个大大的补丁。

三、爆胀场理论的观测证据及相关推导

爆胀场理论有三个核心预言：宇宙空间非常平坦、存在符合高斯分布的近尺度不变的密度涨落、原初引力波。

下面我们来简单推导一下空间为何会出现指数膨胀。根据广义相对论和宇宙学原理，可得到宇宙的演化方程——弗里德曼方程，这是宇宙学极为重要的一个方程。对于宇宙大爆炸前期来说，方程后面两项可忽略不计，从而可简化为：

这里p代表物质的能量密度，G是引力常数，a(t)代表空间的大小，a(t)上面一个点代表宇宙空间的大小随时间的变化率，也就是微积分里的da\/dt。

如果爆胀场的能量密度是一个固定数值，那么p就是一个固定数值，整个方程的右边就是一个固定值，简化后它就变成一个非常简单的微分方程，大一学生基本都会解这个微分方程。其解令人惊讶的是出现了指数形式。因为a代表空间的大小，t代表时间，这就意味着宇宙空间的大小随时间呈指数变化。所以，只要假设真空爆胀场的能量密度是一个固定值，宇宙空间的大小就能随时间指数增加。

接着看看爆炸前后宇宙的总能量变化。根据定义，能量密度等于能量除以体积，而体积等于长度的三次方。由于爆炸使宇宙的长度增加了10的26次方倍，可知宇宙的体积增加了10的78次方倍。又因为宇宙爆胀场的能量密度是一个固定值，所以爆炸前后宇宙的能量增加了10的78次方倍。假如爆炸前宇宙只有几百个氢原子的能量，那么爆胀后宇宙的总能量就会变成10的55次方千克，而10的55次方千克就是现在可观测宇宙的总质量。这个结论相当震撼，以往我们一直认为宇宙大爆炸起始点密度无限大、物质无限多，现在依据爆胀场理论，大爆炸的起点只需有几百个氢原子的能量即可，宇宙几乎所有的能量都是在10的负36次方秒到10的负32次方秒之间通过空间爆胀增加的。

一、宇宙大爆炸能量来源

那宇宙增加的这么多能量是从哪里来的呢？天文学的主流观点认为是从真空获取的能量，真空蕴含着大量能量，它存在高能量状态和低能量状态，就好比水库一样，大爆炸之前的真空处于高能量状态，大爆炸之后变为低能量状态。

因为存在类似大坝高度固定的某种条件限制，所以真空能量的变化也是相对固定的，这就相当于真空暴胀场的能量密度是固定值。根据前面讲过的弗里德曼公式，暴胀场的能量密度固定会引发空间指数膨胀。