宇宙結構的“種子”咋來的？如果密度波動發生變化，會怎么樣？

“在整個宇宙里只存在著一個實體,只是它的形式有各類轉變。”——〔法〕拉美特利:《人是機械》

當我們說到宇宙的時辰，我們經常會說：即使是此刻的宇宙看起來也十分的光滑和平均。您可能不睬解這句話啥意思，因為您經常會看到在宇宙中布滿了像地球這樣的行星、像太陽這樣的恒星、像銀河系這樣的星系，它們都是密度較大的物質團塊，有些處所確實空無一物的宇宙空間，怎么可能是光滑、平均的？

您其實說的也沒有錯，可是您考慮的標準太小了，若是您考慮的是數十億光年的宇宙標準，在這樣的大標準上，宇宙中的物質形當作了由物質團塊和細絲構成的網狀布局，遍地的物質分布和密度看起來都是光滑、平均的。而在早期的宇宙，即使在較小的標準上也是光滑和平均的，但在更小的標準上也存在細小的密度漲落！

這些細小的密度漲落就是今天物質布局的種子，在后來的演化中形當作了今天所看到的任何物質團塊（包羅恒星、星系、星系群和星系團），那么問題是：這些密度漲落是咋來了？從量子力學的角度來看，有沒有可能存在一個完全平均的宇宙？若是不成能，是否可以存在一個比我們的宇宙一起頭加倍平均的宇宙，這個宇宙會在更長的時候標準上才能形當作一個與我們今天的宇宙相似的宇宙？

讓我們從今天的宇宙起頭說起

在我們銀河系的標準上，我們可以看到良多密集的物質團塊，像恒星、行星、衛星、小行星甚至是人類。在這些物質團塊間是廣袤無垠的星際空間，但此中也充溢也大量的加倍彌散的氣體、塵埃和等離子體，這些物質要么是之前滅亡恒星的殘骸，要么就是還未形當作恒星的原始物質。所有這些物質團塊連系在一路就組成了我們的星系：銀河系。

在更大的標準上，單個星系可以自力的存在與宇宙中（這種星系叫場星系），也可以由少數的幾個星系構成一個集群（如：我們的本星系群），也可以由更多的星系（數百到數千）構成一個星系團！若是我們再不雅察更大的標準就會發現，這些星系群、星系團沿著龐大的絲狀布局擺列，延申數十億光年。在這些細絲之間就是龐大的宇宙浮泛，一個低密度區域，此中只存在少量的星系和恒星。

若是我們在更大的標準上不雅察宇宙就會發現，我們看到的任何一個特定的區域與其他任何一個區域看起來都是一樣的，它們有著不異的物質密度，有著不異的溫度，有著不異數目和類型的恒星和星系等等，歸正就是看起來一摸一樣。

也就是說，在最大的標準上，宇宙中的任何一塊區域不會比其他區域看起來更特說。空間的分歧區域在我們看來都具有不異的性質。這就是我們常說的各標的目的同性問題。

可是早期的宇宙并不是由今朝我們所看到的物質團塊、細絲和浮泛構成的。當我們不雅察宇宙微波布景輻射的時辰，因為一起頭測量精度的問題，無論我們怎么測量都發現早期的宇宙物質分布是完美平均的，全天空溫度都在2.725K，這就讓人百思不解！要知道一個完全平均的宇宙是不會形當作任何物質布局的。

直到在20宿世紀90年月，我們才微波輻射中有些區域的密度比平均密度高，有些區域的密度比平均密度低，這就是上文所說的細小的密度波動，大約相差80-90微開爾文。也就是說宇宙早期長短常很是平均的，只跟完美平均相差了0.003%擺布。

上圖就是普朗克衛星對微波輻射溫度細小波動的具體測量，這些不動在各個位置和標準上都是一致的，所以當今的宇宙分布在大標準上也是一致的，簡單的說，早期宇宙布局的種子是一致的，結出來的果實必定也是一致的。

上圖中紅色的“熱點”就是密度小的處所，藍色的“冷點”就是密度大的處所，而密度大的處所在將來就會在引力的感化下形當作恒星和星系，密度小的必定就對應著宇宙浮泛。宇宙布局的形當作需要這些不完美的密度波動。

這一點很好理解，若是宇宙真的是那種完美平均的分布，遍地的引力都是相等的，那么就不會有任何一個區域會吸引到更多的物質，引力不增加恒星必定就無法形當作。若是存在密度的不平均，跟著時候的推移，引力吸積物質，宇宙在5000萬到1億年間就會發生第一批恒星，數億年后星系就形當作了，到5億年得時辰，宇宙就會形當作更多的恒星和星系，高能輻射從頭電離宇宙中的中性氣體，可見光就可以在宇宙中自由的穿梭。數十億年后，我們就看到今天宇宙的模樣。

那么宇宙一起頭的密度漲落是咋來的？

有沒有可能締造出一個沒有任何密度波動的宇宙？也就是一個完美平均的宇宙？總的來說，如果以今朝宇宙降生的體例締造宇宙，就不會存在一個沒有密度波動的宇宙。我們知道宇宙降生于熾熱的大爆炸，在這個期間，宇宙中布滿了高溫、高密度的物質、反物質和輻射。

而熱大爆炸的狀況自于宇宙暴漲竣事后，真空能量轉化為物質和輻射，可是真空能量自己就存在量子波動，并在暴漲時代被拉伸到了整個宇宙中！而真空能量的波動就是最后物質密度波動的根源。

若是宇宙自己有一個暴漲的發源階段，而且遵循我們所知的物理定律，就必然會存在波動，導致形當作密渡過高和密渡過低的區域。

可是是什么決議了波動的巨細呢？它可以再小一些嗎？

謎底是必定的！

若是通貨膨脹發生在較低的能量標準上，或者暴漲的性質與我們宇宙降生時的性質完全分歧，那么這些密度波動可能會小得多。不僅可以小十倍，還可以小100倍、1000倍、100倍、10億倍甚至更小！

可是宇宙最初的密度波動很是主要，因為宇宙布局的形當作需要很長的時候。在我們的宇宙中，從最初的波動到微波布景輻射的發出需要幾十萬年的時候。從宇宙微波布景輻射到萬有引力促當作第一批恒星的形當作，大約需要1億年的時候。

從第一批恒星到一個暗能量本家兒導的宇宙只需要78億年，這個關頭，因為暗能量本家兒導宇宙今后，引力就在更大的標準上掉去了感化，并且在暗能量導致宇宙加快膨脹之前，還沒有被引力束厄局促在一路形當作的布局的物質，都是加快遠離對方。

這就意味著若是最初的密度波動更小，那么形當作第一批恒星的時候就會推遲，星系的形當作也會推遲，宇宙的布局就會發生很大的轉變。更甚者，若是密度波動很是小，有可能還沒等來得及形當作第一批恒星，暗能量都導致所有物質加快遠離彼此，那么宇宙中就真的什么也沒有了。

那么無法形當作任何布局的最初密度波動需要多小？現實上謎底很令人震動，僅比我們宇宙擁有的波動小幾百倍。也就是下圖中曲線的波動值在十幾，而不是幾千。

若是是這樣的宇宙成長到今天，不會形當作任何恒星、星系，當然我們也不會存在，其與我們現實所看到的宇宙毫無相似之處。

所以對宇宙最初密度波動的限制其實是因為暗能量的存在，若是沒有暗能量，不管最初的波動有多小，只要時候足夠長，物質在引力的感化下城市形當作布局。可是一個會在某個期間加快膨脹的宇宙就給宇宙物質布局的形當作帶來了一種緊迫感，若是在暗能量掌控宇宙之前還沒有形當作所有的布局，就再也沒有機遇了。

所以，要想形當作一個我們今天看到的宇宙，平均漲落的幅度至少跨越平均密度的0.00001%，這樣才會形當作一個有較著束厄局促布局的宇宙。

我們的宇宙之所以會當作為今天看到的宇宙，是因為它有特定的膨脹率和物質密度不動，若是這兩個身分呈現差錯，要么就會導致一個物質布局更小，甚至是沒有布局的宇宙，要么宇宙就會在早期快速、瘋狂的形當作更多大型布局，導致一個布滿黑洞的災難性宇宙。

要締造出我們今天所處的宇宙，就需要一系列極其偶爾的組合，而幸運的是，我們宇宙看起來方才好！

發表于 2020-04-25 02:00
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