你見過暴脹宇宙嗎？宇宙暴脹的時候是什么樣子？

今天的宇宙布滿了物質和輻射，可以經由過程各類體例不雅察不雅測。因為一百多億年的引力，原子堆積在一路，這在最年夜的標準上形當作了一個龐大的宇宙網，而星系團、星系、氣體云、恒星、行星等都在較小的標準上形當作。經由過程這一切，宇宙一向在膨脹和冷卻，這是宇宙從熱年夜爆炸最初時刻起就一向在做的工作。（當真看完本文，相信你會知道不少你不曾知道的工具…（每一張配圖都對應正文內容，必然要看圖才可以或許更好的理解）

宇宙暴脹激發了熱年夜爆炸，締造了可不雅測到的宇宙，但我們只能測量膨脹對宇宙最后一秒的影響。然而這足以供給年夜量的展望，讓我們去看看，此中很多已經在不雅測上獲得了證實。圖片：E.Siegel，ESA/Planck和DoE/NASA/NSF關于CMB研究獲得的圖像

博科園-科學科普：但熱年夜爆炸不是宇宙的起頭，在此之前有一個叫做暴脹宇宙的期間（暴脹宇宙理論），它呈現的時候更早，并“激發”了熱年夜爆炸。固然糊口在一個膨脹的，冷卻的宇宙中很難憑直覺判定，宇宙暴脹描畫了一個完全分歧的畫面圖景，這就是糊口在暴脹宇宙中的樣子。

我們經常把空間想象當作一個三維網格，當考慮時空的概念時，這只是一個相關框架的過度簡化。若是在這個網格上放置一個粒子，并許可宇宙膨脹，粒子就會從你身邊撤退。圖片：ReunMedia/StoryBlock

想象一下：一個A粒子位于時空布局的某個處所，距離不遠處也存在著另一個B粒子。獨一影響它們的是宇宙暴脹，那么A粒子與B粒子若何相對于移動呢？若是宇宙布滿了輻射，它就會像時候的平方根一樣暴脹：A粒子和B粒子標準之間的距離是~t^（1/2）。若是宇宙布滿了物質，它就會像時候一樣暴脹到三分之二的能量：A粒子和B粒子距離之間的比例是~t^（2/3）。可是當宇宙暴脹時，空間會呈指數形式膨脹：~e^（Ht），此中H是宇宙的暴脹速度。

這個圖表顯示若是宇宙被物質、輻射或空間自己固有的能量所支配，時空是若何以相等的時候增量演化/擴展的，后者對應于一個暴脹的、能量固有的、由空間支配的宇宙。圖片：E. Siegel

這意味著顛末一段時候后，A粒子與B粒子距離會翻倍。因為宇宙暴脹不僅是指數的，并且也是快速的（宇宙暴脹時代的膨脹率很是年夜）增添一倍僅需要10^（-35）秒。可是宇宙暴脹決議性特征并不是它的快速性，究竟結果熱年夜爆炸的早期階段可能也是如斯的快（相反暴脹的決議性特征是它的無限）：

顛末10^( -35)秒，AB粒子距離是最初的兩倍
在2×10^(-35)秒之后將是其初始距離的4倍
在3×10^(-35)秒之后將是其初始距離的8倍
在4×10^(-35)秒之后將是其初始距離的16倍

我們還可以繼續下去：顛末10^（-34）秒的暴脹后，AB粒子距離將是最初的1024倍。10^（-33）秒的暴脹后是初始距離的10^30倍。10^（-30）秒的暴脹后，將是初始距離的10^30000倍。若是宇宙起頭布滿了任何類型的粒子，它們將會在極短的時候內被迫遠離彼此。

在暴脹前的宇宙中，極其接近的粒子將在不竭擴張的時空中以指數式速度被驅離。在這個暴脹的宇宙中，年夜約10^（-32）秒的時候已顛末去了，在統一空間中不成能有兩個粒子與我們今天的整個可見宇宙相對應。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

空間自己可能是以一個有趣的內涵曲率起頭。它可能是球狀的，打結的，扭曲的，甚至是球形的。它可能是布滿了拓撲缺陷，整個縫隙。它可以在多個處所以奇異的體例毗連起來。它甚至可以將整個空間包含在體積中，就像亞原子粒子一樣細小。

宇宙的降生（年夜爆炸/暴脹/熱年夜爆炸），圖片：加拿年夜安粗略省周界理論物理研究所

但在宇宙暴脹時代，這種快速而無限的暴脹將使宇宙巨細增添很多倍：其數目半斤八兩于它將任何其他粒子推開的數目。它將需要任何初始幾何并將其擴展到如斯年夜的標準，以至于所不雅察到的任何區域——甚至像我們今天所不雅察到的整個宇宙都將無法與空間平面區分隔來。

暴脹導致空間呈指數膨脹，這會很快導致任何先前存在的彎曲或非滑膩空間看起來平展。若是宇宙是彎曲的，它的曲率半徑至少是我們所能不雅測到的幾百倍。圖片：E. Siegel (L); Ned Wright’s cosmology tutorial (R)

暴脹之所以如許起感化，是因為空間自己固有著年夜量的能量。當宇宙的布局膨脹時，新的空間就會被締造出來，同樣的能量也會被締造出來。這就是為什么暴脹是無限的。若是看一個暴脹的宇宙，它繼續以持續的體例膨脹，它的速度永遠不會下降。但在極小的標準上，在這些前提下，也會發生量子漲落。

量子場理論計較的可視化量子真空中的虛擬粒子，即使在空曠的空間，這種真空能量也長短零的。圖片：Derek Leinweber

這些波動今天發生在我們的宇宙中，只是它們既發生在很是低的能量標準上，也發生在與我們不雅測到的任何事物比擬都很是短的時候標準上。若是把這些量子漲落想象當作虛擬粒子-反粒子對-在存在中俄然呈現，它們是在時候標準上如許，時候太短不成能導致任何有趣的工作發生；它們只是為空間自己的布局增添了少量額外的能量。

圖示申明早期宇宙是由量子泡沫構成的，此中量子漲落在最小標準上是年夜的、轉變的和主要的。圖片：NASA/CXC/M.Weiss

但在暴脹時代，這些波動的能量要年夜得多：比今天年夜約100個數目級。平均而言，因為這些量子漲落，空間固有的能量值隨機地上下波動約0.003%。然而與今天分歧的是，當宇宙暴脹時，這些波動就會延長到整個宇宙。是以空間所固有的能量值是分歧的，在較年夜標準上呈現較早的、拉伸更年夜的波動，在較小的標準上呈現較晚的、拉伸較小的波動。

在暴脹過程中發生的量子漲落確實會在宇宙中被拉伸，但它們也會引起總能量密度的波動，使在今天的宇宙中留下一些非零的空間曲率。這些場漲落導致了早期宇宙的密度缺陷，從而導致了萬物在宇宙微波布景下所履歷的溫度波動。圖片：E. Siegel / Beyond the Galaxy

每10^(-33)至10^(-32)秒，可以用我們今天所知道的物理心猿意馬律來描述最小亞原子標準（普朗克標準）被拉伸到我們今朝可不雅測的宇宙巨細。在比這更長的時候里，先前締造的工具將變得不成不雅測。請記住：暴脹是無限的，僅僅在一秒前發生的工作此刻已經跨越了整個可見宇宙。在所有標準上，從很是小到很是年夜，都應該有這些量子漲落，不僅是特征印記，并且是不竭地在宇宙上留下新特征印記。

無任何物質、能量或任何類型曲率平直的空間暗示。除了小的量子漲落，膨脹的宇宙中空間變得像如許變得很是平展，除了在三維網格中，而不是在二維平面上。空間被拉平，粒子被敏捷地驅走，一個在三萬分之一的細小波動(在這里看不見)仍然是獨一偏離平均性的工具。圖片：Amber Stuver / Living Ligo

然而在宇宙中，暴脹并不克不及永遠持續下去。每當新的空間被締造出來，暴脹就有一種很小但有限的可能性，它將更接近其不成避免的終局。想象暴脹是否竣事的一種方式是想象一個球在高原上很是遲緩地滾動。高原下面是一個山谷鄙人面；若是球滾進山谷，暴脹脹就竣事了。當締造新的空間時，再一次呈現概率的隨機分布：球是標的目的高原中間滾動，仍是接近邊緣。在球達到邊緣并滾進山谷的處所暴脹竣事，能量轉化為熱年夜爆炸的能量。

當這個球滾進山谷時，暴脹就竣事了。可是暴脹場是量子場(中心場)，隨時候擴展，在暴脹空間的分歧區域呈現分歧數值。固然很多地域(紫色，紅色和青色)將看到暴脹竣事，更多的(綠色，藍色)將看到宇宙爆炸繼續，有可能是永恒的(底部)。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

很可能第一批履歷這一改變的區域不是當作為我們可不雅測宇宙的區域，而是幸存下來的，而其他的年夜爆炸發生在暴脹宇宙的其他處所。年夜大都都很是遙遠，但此中一些可能發生在離最終當作為我們宇宙區域很是近的處所。只要膨脹持續下去，空間就會繼續布滿所有標準上的這些能量波動，締造出一個空間布局，看起來就像一個持續振動的網格。不只是在一個標準上，就像我們想象的那樣：一個顛末的引力波會誘發，并且在所有的標準上。

當從遙遠引力波發生的空間漣漪穿過太陽系包羅地球時，它們會輕細地壓縮和擴展它們四周的空間。在暴脹時代，空間波動和量子漲落也存在，在所有標準上都存在。圖片：European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS

最后宇宙暴脹將在此刻的狀況下竣事。就仿佛所有這些能量都來自于太空，分歧位置有著細微的分歧，所有這些能量都鄙人降。轉化為物質，反物質和輻射，并締造了一個宇宙，它此刻是熱的，致密的，溫度同一的，而不是冷和空的。這種改變被稱為宇宙再熱，它標記著從暴脹的時空過渡到熱年夜爆炸的起頭。能量波動釀成了密度波動，這就發生了我們今天宇宙中的年夜標準布局。當暴脹竣事時，我們所知的宇宙就起頭了。

球在高概況上滑動的類比是當暴脹持續存在時，而布局解體和釋放能量則代表著能量轉化為粒子。圖片：E. Siegel

理論上我們將永遠無法不雅測到宇宙之外存在的工具，但即使在今天，仍有很年夜的空間區域仍在膨脹。一旦宇宙起頭膨脹，就很難讓它在任何處所遏制。對于每一個達到終點的處所，城市有一個新的、巨細相等或更年夜的位置，跟著膨脹區域的不竭增加，這個位置就會被締造出來。即使年夜大都區域在一秒鐘后就會看到暴脹竣事，但仍有足夠的新空間被締造出來，膨脹對將來宇宙來說應該是永恒的。

這幅圖顯示了將來暴脹膨脹繼續存在的區域(藍色)，以及暴脹竣事的區域，從而發生了一個年夜爆炸和一個像我們如許的宇宙(紅色X)。這可能是無限的，而我們永遠也不會當然也無法知道，但一旦它在我們的區域竣事，就無法看到仍在暴脹區域之外的處所。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

膨脹成立并締造了整個可不雅測的宇宙，并給熱年夜爆炸帶來了需要它與我們所不雅測到環境一致的前提。可是暴脹的宇宙與我們今天所不雅測到的宇宙有很年夜的分歧。為了理解和想象它，必需把直覺放在一邊，擁抱一個獨一主要的事實：空間布局自己有固有的能量，且任何前提下都長短零的（固有的，不成被消弭的）。

（暴脹理論）暴脹宇宙模子認為宇宙早期“真空”中有超光速物質存在，宇宙在最初的10^（-35）秒呈指數攀脹，其間溫度急劇下降后回升，視界距離急增，物質標的目的現有粒子形式轉化。其余演化過程和年夜爆炸模子一致，有奇點，但可不雅測規模總小于視界距離。由古斯、溫伯格和威爾茨克印．w ilczek 按照粒子物理年夜同一理論起首提出宇宙模子。

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

文章出處：百度知道日報（）