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1700902699 暴涨理论仍处于不断完善过程中,正如GUTs那样,关于这一主题也有不同的差别变化。但是,暴涨理论总体上是成功的,尤其是它成功地预言:如果能够开发出足够精确之仪器,便能发现宇宙恰恰是扁平的。这告诉我们暴涨理论从根本上具有某些合理性,尽管我们不知道哪个版本的理论(如果目前理论中存在任何这样的候选者的话)最终会成功。这一理论还有其他的成功之处,它告诉我们那些导致星云形成的星系团中的细微不规则性是如何产生的,而且它还暗示了宇宙本身起源的可能方式。这与我们先前碰到的真空量子涨落有关。
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1700902701 量子不确定性意味着,从最小的尺度上讲,宇宙不可能是完全均匀与规则的。大约以普朗克长度的规模论,其必然总是存在细微不规则性,它们会忽而出现,而后又消失无踪。这种量子涨落对我们今天日常生活几乎没什么影响,至少在人类身高的尺度上而论如此(尽管它们或许对于理解作用于电子和质子等带电粒子的作用力性质具有重要意义,因而,从这个意义上说,量子涨落与我们的日常生活息息相关)。然而,宇宙学家们认识到,这些涨落肯定在膨胀时便已存在。涨落微萌之时,起自目前整个可见宇宙被暴涨拉伸到大约普朗克长度的1亿倍大小之时,涨落倏忽消失之前,已经形成了遍布宇宙的不规则性网络。那时是在暴涨末期,宇宙规模有柚子大小。这些不规则性将在宇宙中留下印记,并将于火球阶段持续存在,随宇宙膨胀而扩张,直至大爆炸数十万年之后,其时宇宙温度已经冷却至如今太阳表面温度,而且宇宙背景辐射也已遍布宇宙。量子理论精确预言了这一过程产生的不规则的模式,而且,就统计上而言,这种不规则形式恰好既存在于背景辐射中,又存在于最大尺度的星系范围内。这是暴涨理论另一个显著成功之处,它预言了宇宙是极其接近完全均匀的,但也应含有宇宙膨胀时星系赖以成长的那种不规则性。这意味着宇宙最大不规则性(超星系团)源自可能存在的最小不规则性,即真空量子涨落。
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1700902703 的确,整个宇宙或许成长自与暴涨和引力的奇特属性有关的真空量子涨落。
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1700902705 引力的这一奇特属性就是它会储存负能量。当某物(可以说任何物体!)在引力场中向下坠落(像先前描述的湖水冲出高山湖泊),能量便被释放出来。这一能量来自引力场。位置较高物体(本例中的湖水)较位置低的具有更大势能。两个能量级的差异说明湖水携带能量的运动方向。但是,从何可测知其能量级呢?两物体间的引力作用与其距离的平方成反比。因而,当两者无限远时,其作用力是零,因为一除以无穷大是零(更别说无穷大的平方了)。根据爱因斯坦的描述,这等于说某一物体的引力作用于无限大时消失,因为当时空无限大时根本不会因物体质量而扭曲。同样,这也意味着当物体距离引力场的来源无限远时,引力场中物体能量为零。然而,我们已经见识了当物体在引力场中下落时(即朝引力场源靠近时)从引力场中获取能量,进而将其转化为动能(湖水冲下山岗,或者手中倾倒的杯子,或者重力作用中下落的物体)。能量便来自引力场本身。这一(引力)场始于零能量,赋予下落物体能量,因而这一场本身必然只余下负能量。这表面看来是正确的——它不是某种方程式游戏,因为我们无从测量场的零点能量。但是,这与量子波动有何关系呢?
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1700902707 原则上,量子波动的质量(严格而言,是“质能”,记住E=mc2)是没有限制的,尽管质量越大越不可能发生波动。20世纪70年代早期,美国宇宙学家艾德·泰伦(Ed Tryon)指出20,原则上包含整个宇宙质能的量子波动可以产生于虚无,而且尽管此种量子波动极为巨大,但适当环境下此类物质重力场的负重力能量刚好能将其抵消,从而波动的整体能量为零。
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1700902709 那时,这似乎是个毫无意义的数学游戏,因为“显而易见”,任何具有如此强大引力场的量子体是不可能膨胀的,并且一旦出现这种情况便会自我毁灭。然而,十年后,这一从多个角度看都是一种反重力的作用的暴涨理论,使得蕴含着足以构造整个宇宙物质之能量的量子涨落得以在重力将其湮灭之前,膨胀至柚子大小并留下些许向外扩张的痕迹。暴涨理论先驱艾伦·古斯(Alan Guth)的说法流行起来,他提出:源于虚无之宇宙是“最大的免费午餐”。巧合的是,引力以能量的形式使物质保持平衡的这种适当环境存在的前提,就包括宇宙应是闭合的,正如我们先前探讨过的那样,当然它也可以无差别地接近扁平。所有这些均与我们所生活的宇宙中得到的观测结果相吻合。
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1700902711 如今,我们已转至纯理论科学探索的范畴,尽管它仍是一种高深莫测的思索。但是,要止步不前已经不可能了,因为这些理论提出这一问题,即如果宇宙确实是如此产生的,那么最初的量子波动来自何方?今天,差不多是有多少宇宙学家就有多少这个问题的答案,或许它们中任何一个都可能是正确的,也可能没有一个是正确的。但是,本着探讨未知事物的精神,以下是我个人偏爱的也是如今最为专家们所关注的假说。
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1700902713 我个人倾向于这一理论(这种理论本身也有许多不同形式),即产生宇宙的量子波动可能发生于我们今天宇宙中任何地方。这并不意味着现在仍有一个柚子般大小剧烈膨胀的火球在时空中向外爆发,因为虽然这一过程可以始于我们的宇宙中(或许肇端于巨星塌缩为黑洞),但是它仍可能暴涨扩张到自身的维度,并使它的所有维度都恰好和我们的宇宙的维度成直角。当然,这种假说暗示,我们的宇宙也曾以这种方式诞生于(或者萌芽于)另一宇宙的时空中,而且宇宙时空无始无终,只是相互作用的宇宙沧海之一粟。甚至有可能是,不用多久,大约一百年后的样子,我们便能够有技术能力用这种方式创造宇宙,或者是我们的宇宙是另一宇宙中的智能生物为了某种实验的目的而刻意创造出来的。但如今做这种推测还为时过早。21
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1700902715 目前,21世纪头十年被炒得最热门的演绎宇宙诞生的理论发端于第二章探讨过的弦与膜理论。此理论的一个分支将我们的宇宙想象为一个具有10个维度的实体,其中差不多有3个空间维和1个时间维压缩缠绕,微小到我们无法直接感知。我们的整个宇宙可能是漂浮在第11个维度上的一层膜,有点像一张二维的纸在三维空间中运动。或许有众多此类膜宇宙共享同一个11维,正如一本三维厚书中可以有很多二维书页。22像书中的页面一样,这些宇宙彼此距离非常近。书页间彼此层叠,书页上每一点都彼此接近,同样,在11维中,我们的三维宇宙中每一点都与另一三维宇宙中每一点相邻。邻近的宇宙距离我们或许只有不到1毫米的距离,近得像你内衣与皮肤一样,但位于一个我们无法看到与接触到的方位。实际上,从某种程度说,邻近宇宙甚至比这还要接近,因为它并不仅仅是像包围你的“第二层皮肤”——这幅图景中,三维的每个点,包括你体内的每个部分,都位于邻近另一宇宙的一点上。
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1700902717 理解这一理论的一种方式是回到二维的扁平书页宇宙理论,但是现在要想象这些宇宙中充斥着正方形、三角形等几何形状的生物。这些生物实际上是二维的,不会产生进入“书页之外”三维空间的任何东西。正方形生物的内脏相当于你三维空间中身体的内脏,而且当三维空间生物戳刺正方体生物时,它便会莫名其妙地感觉疼痛。如果一个三维球体接近这个二维世界并且缓慢穿过它,当球体的一极接触它们所居住的星球时,扁平大陆上的居民们将首先看到一个点。当球体继续向前移动,这个点将成为一个圆圈,直至球体中纬线到达这个星球,然后圆圈逐渐变小,当球体最终从另一端穿出时,便最终从一点中消失。
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1700902719 但是,假如另一个完全扁平的宇宙接近并接触这一“平面国”时会发生什么呢?这两个宇宙互相穿过,要么会彼此相安无事,要么会彼此剧烈作用,那就看你怎么设定描述它们的方程式了。如果我们将这一设想扩大到运动于11维中的三维宇宙(增加1个时间维和数个紧化的维度),而且如果我们将不同的参数加入我们探索万物至理所得到的方程之上,我们便会发现,当两个空虚而不活跃的宇宙这样碰撞时,便会借助于膨胀而引发量子爆发,产生出我们这样的宇宙。情况或许还会更为复杂(因而更为有趣),因为这两个宇宙不必完全是扁平的——想象一下两页揉皱的纸被粗粗地平展开来后彼此接近,你便会看到纸面的不同点在两个世界发生大规模接触之前就会彼此接触。自然,两个宇宙的时空不是必须像我们描述的那样扁平。它们可以是弯曲的,像球体表面,或者油炸圈的形状,或者其他有趣形状。所有这些都为M理论家们提供了许多关于我们生活的宇宙起源问题的发挥空间。除非有理由(如果有的话)相信此类理论之一有些许现实性,否则在专家圈子之外讨论这一话题意义不大。但是,这其中最简单的理论之一确实为我们的思考提供了素材,而且也表明,有关“大爆炸前”发生之事,确乎有值得一谈的地方。
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1700902721 在M理论的许多版本中,自然界4种作用力中,只有引力延及宇宙之外,进入到第7维度。从物理学角度来说,这些想法颇受追捧,因为它们能解释引力为何较其他作用力弱许多——那是因为,从某种程度说,引力的许多作用效果从我们的三维空间中逸出了。我们可以用一个悬浮于水槽中的二维金属盘来做一个不精确但有用的比拟。假如你用锤子敲击盘子,声波会从盘中传递出去,但是某些能量会以穿过第三维进入水中的声波的形式逸出。因而盘中的能量便会减少。
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1700902723 根据某些M理论模型,假如两个真空的三维宇宙漂浮在第七维度中,彼此相互接近,它们便会被引力拉近而相撞。这便会引发如大爆炸般的事件,然而能量的释放将使得两个宇宙彼此弹开并且在第七维度中彼此飘移。它们在第七维度飘移过程中,每个宇宙将在各自的三维中扩张,其物质扩散得更为稀薄直至与碰撞前的状态相同。但是,最终引力将克服这种飘移并将其重新拉近,引发另一次大爆炸和反弹,如此这般,循环往复无穷期也。这一理论有时被称为火劫宇宙模型(ekPyrotic),将在第十章深入探讨。
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1700902725 正如宇宙学家们为理解大爆炸的出处所探讨的众多理论一样,这些理论意味着我们的宇宙并非惟一的,而且我们的大爆炸也非绝无仅有。但是,从某种意义而言,我们的大爆炸却可能有自身的独特之处。在某种意义上,我们周围可能存在着数量无限的宇宙,而且还可能存在时间上或前或后数量无限的大爆炸。但是它们不大可能都是同样的。某些宇宙或许只是在大爆炸后再次塌缩前膨胀了一点而已。某些则扩张得过于迅速,其物质被拉伸得过于稀薄而无法形成星系、恒星和人类。有可能在其他宇宙中自然力与我们的宇宙中的并不相同,因而核反应过程更快或更慢,从而导致构成我们身体的那种复杂分子无论如何都无法形成。
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1700902727 我们的宇宙从很多方面来说都“恰好”适合生命的产生与演化,人们已经为这一事实困惑了许久。有人也曾提出,宇宙是专为生命而设,这一想法也许有些可信度,因为我们的宇宙可能是其他宇宙所做的实验(但是,为何我们的宇宙一切都那么合适,会出现智能生命呢?)。但是,另一些人则提出,在数量无限的宇宙中,自然规律与自然力的每一种可能的结合很可能存在于某时某处。这些宇宙的无限组合中的大部分将是毫无生机的,因为它们并不具备生命存在所要求的复杂环境。然而,仅仅是出于偶然,某些宇宙确实恰好适合生命存在,正如嫦娥碰巧吃了飞仙灵药,虽然这药本来可不是为她特意准备的。像我们这样的生命形式只有在适合生命存在的宇宙中方能存在,因此我们发现自己的宇宙如此适合(生命存在)便不足为奇了。这一切,部分是源于其无限性,即可供选择的宇宙数目的无限多,尽管我们这类宇宙极其稀少,但是对于无限多而言,即便是一个小零头也是无限多的,这使我们的确有点特殊,但并没真的特殊到哪儿去。如果这些理论是正确的,那必然存在数目无限多的类似宇宙,那里存活着与我们类似的生命形式。这种差别有些像专职裁缝给你做的衣服与成衣之间的差别。假如有无限多种可能的形状与规格的服装可供选择,那就没必要再费事去做了,因为必然有一套合适的在等着你,就像嫦娥的飞仙灵药。
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1700902729 另一方面,事实是我们所居住的宇宙具有确定而熟知的物理定律以及四种自然力,人们对其特性已精研既久。暂且不提对大爆炸前究竟发生过何事的争论,我们了解初生后瞬间膨胀至柚子大小的宇宙,这一宇宙扰动着量子不规则性,灼热异常,并且迅速膨胀着,但重力也开始使膨胀减慢下来。下一个问题是,早期宇宙是如何从那个火球发展而来的?
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1700902734 宇宙传记 [:1700902362]
1700902735 宇宙传记 第四章 早期宇宙是如何演进的?
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1700902737 推动暴涨发生的过程或许正是致使今天宇宙中的恒星、行星和人类自身诞生的原因。大部分普通物质是以质子和中子(统称为重子)的形式存在的,而它们自身也是由夸克构成的。如今,其他普通物质的重要组成部分是由电子和中微子占主导的轻子家族。然而,由于重子占我们今天可见宇宙中物质的绝大部分,因此普通的物质都被称为重(子)物质。我们的宇宙萌发自一个极端灼热、极端质密,纯粹由能量构成的火球。如今的问题是,当宇宙膨胀或收缩时,这个火球是如何产生了我们周围随处可见的重物质的?或者,我们也可以这么问:夸克和轻子从何而来?我们以为自己知道答案,但是正如历史上的无数事例一样,我们回溯的时间越久远对其阐释便越费思量。就宇宙而言,需要更多考虑能量的作用。
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1700902739 与此有关的不同程度的推测都可用早期宇宙不同时期的能量密度来衡量,根据广义相对论方程,将宇宙的膨胀回溯到过去的每个阶段进行计算,辅以多年来在粒子加速器中所获得的不同代的能量密度(或每个粒子的平均能量)。通常,这些能量是可以用电子伏(eV)来度量的,我们更要牢记一个质子的质量只有不到1吉电子伏(10亿电子伏),相当于1.7×10-27千克。我们还可以将宇宙不同时期的密度与水的密度(即每立方厘米1克)进行比较。
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1700902741 本章的末尾,大约可以选择大爆炸之后数十万年的时间点,那时宇宙已冷却到现在太阳的表面温度以下(大约6000K,或者仅仅半个电子伏),而且如今探测到的宇宙微波背景辐射也刚开始散布到宇宙。23那时,宇宙的密度仅为水的10-19(一千亿亿分之一),我们对这种情况下物质的状态也有确切的理解。自然,那时地球或者其他行星还远未存在,也没有“日”、“周”或者“年”,但如果仅仅将这些时间单位的概念当作时间的量度,每一单位都代表特定的秒数,我们可以肯定地说,大爆炸后一年,宇宙的温度是200万K,尽管其密度尚不足水的十亿分之一。大爆炸后一星期,整个宇宙的温度为1700万K,比今天太阳核心的温度大约高1/10。尽管其密度仅为水的一百万分之一,但火球中的压强是今天地球表面气压的十亿倍有余。
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1700902743 下一个里程碑的状况与我们在20世纪30年代初建立的第一个回旋加速器中探测到的情况类似。大爆炸后200秒(大约3分钟多一点),宇宙中每个粒子的平均能量是80000电子伏,温度大约相当于不到10亿K。我们已就处于此种能量状态下的粒子至少进行了70多年的实验,确信自己充分了解了那时粒子间的相互作用——而且,对更早时期的情况也有所了解。大爆炸后1秒,宇宙的温度约为100亿K(差不多100万电子伏),其整个状态正如今天超新星的中心。物质密度是水密度的50万倍,压强是今天地球大气压的1021倍。我们能够了解的宇宙初始的最后一个能与如今的物质相联系的里程碑是在大爆炸(时间零点)10-4秒(一万分之一秒)后,当时宇宙的密度大体相当于现在原子核的密度,温度大约是1万亿K(1012K,或大约90兆电子伏)。这种状况早已为人们所熟知,并已持续很长时间,宇宙的历程便是自此而始,标准大爆炸模型于20世纪60年代末也得以充分确立。
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1700902745 即便在此之前,20世纪50年代和60年代运行的粒子加速器能量已达到几个吉电子伏,对应的温度(如果在如此高能量下,温度这一概念还有此意义的话)超过30×1012K24。宇宙中此种状态在时间零点之后存在了大约3×10-8秒(300亿分之1秒)。20世纪80年代,费米实验室的核电子伏加速器达到了一万亿电子伏,制造出了宇宙年龄只有2×10-13秒的那一刻的状态。这样的加速器为第一章所述粒子物理理论的发展提供了实验支持。理论学家甚至可以利用大统一理论、超对称理论和膜理论对宇宙起源问题做出进一步推测,这些理论使他们能够猜测宇宙中10秒之前发生了什么。紧接着的下一步工作,是目前在靠近日内瓦的欧洲原子核研究委员会的大型强子对撞机(LHC)上正在进行的对地球上那些理论的检验。如果一切顺利,它将达到超过7万亿电子伏的能量,探索时间零点后10-13-15秒的宇宙状况。但是,从那时起前溯至大爆炸后10-39秒,仍有一段巨大而难测的空缺。但是,我们以为我们至少是大致了解当时的状况。而且,如果我们意欲知晓重物质从何而来,那便是我们必须着手并且继续研究的时间点。
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1700902747 如果模型是正确的,那么根据大统一及其有关的X玻色子理论,宇宙历程起于质子衰变之时:时间零点后10-39秒,每个粒子的平均能量大约1016吉电子伏,并且其温度是1029K。其密度为水的1084倍,相当于将1012(一万亿)个像太阳那样的恒星塞进一个质子大小的体积中。正是在那种条件下产生出X玻色子。
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