1700906767
1700906768
近年来为揭开这些奥秘，人们付出了巨大的努力，所采取的途径是把大爆炸基本理论与高能粒子物理的最新概念相结合。需要强调的是，这种“新宇宙学”所依赖的科学基础，其可靠性还远不及前面所讨论的话题。特别是，这些饶有趣味的过程所对应的粒子能量大大超过了迄今任何已直接观测到的结果，而涉及的宇宙时期所对应的是宇宙刚诞生后远小于一秒的极短暂时刻。那时的条件很可能异常极端，因而唯一合适的途径就是几乎完全只根据理论思想来建立数学模型。
1700906769
1700906770
这种新宇宙学的关键假设是，可能发生过一种称之为暴胀的过程。它的基本思想是，在第一秒刚开始的某一时刻，宇宙的尺度突然急剧猛增（暴胀）。为弄清楚这个假设带来些什么，再看一下图 3-2 。图上的曲线始终是向下弯的，这表明尽管任意给定的某个空间区域的尺度在增加，但这种增加的速率在减小。与此相反，暴胀意味着在一个很短的时期内，膨胀速度实际上在加快。图 3-3 （不按比例地）表示丁这种情况。最初，膨胀是缓馒的，然后它加快速度，有一小段曲线笔直向上，最后曲线恢复它的正常走向。但是，图中表示的空间区域的尺度大大超过图 3-2 曲线上同一位置的尺度（比这里面的大得多）。
1700906771
1700906772
1700906773
1700906774
1700906775
图 3-3 暴胀演化图象 按这个理论，宇宙在大爆炸中起源后不久，它的尺度便突然增大。图中的垂直方向比例已被大大缩小。暴胀相之后，膨胀速度不断减小，其变化方式与图 3-2 所示的情况非常相似。
1700906776
1700906777
为什么宇宙表现出这样诡异的行为？请记住，曲线向下弯曲是由于引力的吸引对膨胀起刹车作用的结果。向上弯曲可设想成一种反引力，或斥力，它造成宇宙的尺度增长得越来越快。虽然反引力似乎是一种异端邪说，但一些近代纯理论研究表明，在极早期宇宙由于极端温度和极端密度条件占主导地位，这种效应可能曾经出现过。
1700906778
1700906779
在讨论暴胀是怎么回事之前，先说明一下为什么能用暴胀说来解开前面列举的一些宇宙难题。首先，逐步升级的膨胀可以令人信服地说明大爆炸为什么如此之大。反引力效应是一种不稳定过程，即失控过程，这就是说宇宙尺度呈指数式增加。从数学上说，这意味着一个给定的空间区域在每个固定时间周期里尺度扩大一倍，我们称这种周期为 1 个滴答。 2 个滴答之后尺度增大到 4 倍； 3 个滴答，尺度增加到 8 倍；10 个滴答，这个空间区域膨胀到 1000 倍以上。因此，一个给定空间区域以逐步升级的速率如气球般地膨胀。计算表明，暴胀纪元末的膨胀速度非常接近于测量值（我将在第六章中严格地解释它的含义）。
1700906780
1700906781
暴胀造成的尺度急剧猛增也为宇宙均匀性提供了一种现成的解释机制。任何初始不规则性会被这种空间扩展平滑掉，这非常像一只汽球，当它胀大时其上的皱纹便会消失。同样，不同方向上早期膨胀速度的任何变化也很快被暴胀所淹没，因为暴胀在各个方向上都有相同的作用力，最后，宇宙背景辐射探测卫星所揭示的微小不规则性可用暴胀也许并不是处处都在同一瞬间结束这一事实得到解释（其理由后面马上就要讨论），所以某些区域比其他区域会暴胀得稍多一些。
1700906782
1700906783
现在来举一些数字。在最简单的暴胀理论中，暴胀力（反引力）变得异常之强，使得大约每隔100亿亿亿亿分之一秒（10-34 秒）宇宙尺度就扩大一倍。这几乎是个无限小的时间间隔，它就是前面所说的 1 个滴答。仅仅 100 个滴答后，一个原子核大小的区域就会暴胀到大约 l 光年的直径。这足以轻而易举地解决上面讨论的各种难题。
1700906784
1700906785
人们运用亚原子粒子物理理论发现了几种会导致暴胀行为的可能机制。所有这些机制都用到被称为量子真空的概念。为了理解什么是量子真空，首先必须知道量子物理的某些知识。量子理论是自发现诸如热和光之类电磁辐射性质的时候开始发展起来的。虽然电磁辐射以波的形式在空间中传播，然而有时它会表现出类似粒子的行为，特别是光的发射和吸收以一份份微小能量或量子的形式出现。电磁波情况下的量子称为光子。这种波和粒子性质的奇持混合有时称为波粒两象性。现已证明，这适用于原子尺度和亚原子尺度上的一切物理实体。因此，通常认为是粒子的东西，如电子，光子和中子，或者甚至整个原子，都会表现出类似于波的行为。
1700906786
1700906787
量子理论的基本原则是沃纳·海森伯( Werner Heisenberg ) 的不确定原理。根据这一原理，量子物体的所有属性都不具有完全确定的值。例如，一个光子或一个电子不可能同时具有确定的位置和确定的动量。对一确定的时刻，它也不可能有确定的能量。这里我们关心的是能量不确定性。尽管在宏观世界里能量是守恒的（它既不能创造也不会消失），但是在亚原子量子领域里这个定律就失效了。能量可随时自发出现无法预言的变化。所考虑的时间间隔越短，这种量子随机涨落就越大。实际上，粒子可以从我们不知道的某个地方借来能量，只要这份能量马上归还就行。海森伯不确定原理的准确数学形式要求大宗的能量借贷必须很快归还，而少量的借贷则可保留较长的时间。
1700906788
1700906789
能量的不确定性会引出一些奇怪的效应，诸如光子那样的粒子可以突然从虚无中生成，不过过后它又马上再度消失，出现这种现象的概率便是上述奇怪效应中的一种。这种粒子依靠借来的能量，因而也是依靠借来的时间得以生存。我们看不到它们是因为它们只是闪电般地一现即没，但是又确实在原子系统的特性中留下它们曾存在过的痕迹，而这些痕迹是可以测量的。事实上，通常认为的真空确实充满着川流不息的一群群这类瞬时存在的粒子，它们不仅有光子，还有电子、质子相别的所有粒子。为了把这种瞬时粒子与我们比较熟悉的永久粒子相区别，前者称为“虚”粒子，而后者则称为“实”粒子。
1700906790
1700906791
除瞬时性外，虚粒子与实粒子是完全相同的。实际上，如果用某种方法从外界补充足够的能量偿还海森伯能量借贷的话，那么虚粒子就有可能升格为实粒子，而且与其他同种实粒子没有任何区别。例如，一个虚电子在典型情况下只能存在大约 10-21 秒。 在它短促的生存期中，虚电子并非静止不动，它在消失之前可以走过 10-11 厘米的距离（作为比较，原子的直径约为 10-8 厘米）。如果这个虚电子在这么短的时间内得到能量（譬如说从电磁场），它就未必会消失，而是可以作为一个完全普通的电子继续存在。
1700906792
1700906793
尽管看不见这些虚粒子，但它们实实在在存在于真空之中。这不仅因为真空包含一个潜在的永久性粒子库，还因为尽管它们以半真半虚的形式出现，这些幽灵般的量子实体依然会留下它们的活动痕迹，而且可以探测到。例如虚光子的效应之一是使原子的能级发生极少量的偏移。它们也能使电子磁矩发生同样细微的变化。这些细微然而却很重要的变化已用光谱技术精确地测量到。
1700906794
1700906795
考虑到亚原子粒子一般不自由移动，但要受到各种与粒子种类有关的力的作用，对上述简单的量子真空图象要作些修正。这种种力也在相应的虚粒子之间发生作用。因此，也许存在不止一种真空态。许多可能的“量子态”的存在是量子物理的普遍特征。最为熟知的是原子的各种能级。这里，一个绕原子核转动的电子可以有某些非常确定的能态，而这些能态又对应着确定的能量。最低的能级称为基态，它是稳定的。较高的能级称为激发态，它们是不稳定的。如果一个电子闯入一个较高的能态，它会向下跃迁返回基态，而跃迁的途径可以不止一种。这种激发态有很确定的“衰变”半衰期。
1700906796
1700906797
类似的原理适用于真空。它可以有一种或多种激发态。这些激发态有各不相同的能量，不过它们的实际表象完全相同，即都是真空。最低的能态，也就是基态，有时称为“真”真空，以反映它是稳定态这一事实，大体上对应今天宇宙的真空区域。激发真空则称为“伪”真空态。
1700906798
1700906799
应当说，伪真空态仍然是一种纯理论的观念，其性质在很大程度上取决于所用的特定理论。但是，伪真空态很自然地出现在现今所有试图统一各种自然力的理论中。现在已确认的基本力看来有 4 种：日常生活所熟悉的引力和电磁力，以及两种短程核力——弱力和强力。这份清单过去还要长些。例如，电和磁就曾被看作是截然不同的东西，
1700906800
1700906801
电与磁的统一过程开始于 19 世纪初。当时，汉斯·克里斯琴·奥斯特( Hans Christian Oersted )发现电流产生磁场，而迈克尔·法拉第( Michel Faraday )则发现运动的磁铁会产生电流。很清楚，电与磁是有内在联系的。但是，直到 19 世纪 50 年代，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦( James Clerk Maxwell )才指示了这种联系的细节。麦克斯韦通过一组数学方程精确描述这些“电磁”现象，并预言电磁波的存在。不久，人们便意识到光也是这种波的一个例子，而且还应当存在其他形式的波，如射电波和 X 射线。因此，表面上两种不同的自然力——电力和磁力——原来是单一电磁力的两种表现，它有着自身特有的一些现象。
1700906802
1700906803
最近几十年来，这种统一过程有了更深入的发展。根据现在的认识，电磁力和弱核力是有联系的，是单一“电弱”力的组成部分。许多物理学家相信、作为所谓大统一理论的一部分，将来也会证明强力与电弱力有联系。不仅如此，所有 4 种力可能在某种足够深的层次上合成为单一的超力。
1700906804
1700906805
企图统一电弱力和强力的一些大统一理论预言了一种最有前途的暴胀力。这些理论的一个关键特征是，伪真空态的能量大得惊人：典型情况是，1 立方厘米的空间含有 1087 焦耳的能量！甚至一个原子的体积也会拥有 1062 焦耳的能量。一个受激原子却只具有 10-18 焦耳左右的能量，两者相比，后者简直是微乎其微。因此，要激发真空，需要极大的能量，而在今天的宇宙中我们不企望会找到这种状态。另一方面，一旦有了大爆炸的极端条件，这些数字就比较说得通了。
1700906806
1700906807
与伪真空联系在一起的巨大能量具有强大的引力效应。这是因为能量具有质量，这一点爱因斯坦已经为我们指出了，所以它可以像正常物质一样受引力吸引。量子真空的巨大能量拥有巨大的吸引力：1 立方厘米伪真空的质量重达 1064 吨，这比今天整个可观测宇宙的质量（约 1048 ）还大！这种异常的引力对暴胀的产生毫无用处，后者要求某种反引力过程。但是，巨大的伪真空能量是和同等巨大的伪真空压力联系在一起的，而正是这种压力起着奇妙的作用。通常，我们并不把压力看作为引力源，但这种压力却是一种引力源。在一般物体中，物体压力的引力效应与物体质量的引力效应相比是微不足道的。例如，人体重量中只有不到十亿分之一是由地球内部压力产生的，不过，这种效应确实存在，而且在一个压力极其巨大的系统中，压力引力可以与质量引力相比拟。
1700906808
1700906809
在伪真空的情况下，既有巨大的能量，又有与之相仿的巨大压力，它的相互争夺对引力的支配权，但是，关键的性质在于压力是负的。伪真空起的作用不是排斥而是吸引。现在，负压力产生负引力效应，这就是所谓的反引力。因此，伪真空的引力作用归结为它的能量的巨大吸引效应和它的负压力的巨大排斥效应之间的竞争。最终压力获得了胜利，其净效应是产生一种非常大的排斥力，它可以在一刹那间把宇宙冲开。就是这种庞大的暴胀推力，使宇宙的尺度以极快的速度即每 10-34 秒增大一倍。
1700906810
1700906811
就内禀性质来说，伪真空是不稳定的。像所有的激发量子态一样，它要发生衰变以回到基态——真真空。在几十个滴答之后，它就可能衰变。作为一种量子过程，它必然表现出上面讨论过的无法避免的不可预测性和随机涨落，这些性质都与海森伯不确定原理有关。这意味着衰变的发生就整个空间而言不是均匀的，而是会有涨落。某些理论家认为，这些涨落可能就是宇宙背景辐射探测卫星观测到的强度起伏的缘由。
1700906812
1700906813
在伪真空衰变后，宇宙重新恢复它正常的减速膨胀，由暴胀进入爆炸。封闭在伪真空中的能量得以释放，并以热的形式出现。由暴胀产生的巨大膨胀使宇宙冷却，直到温度十分接近绝对零度，然后暴胀的突然结束再次把宇宙加热到 1028 度的极高温度。今天，这个巨大的热库已几乎完全消失，残留下来的就是宇宙背景热辐射。作为真空能量释放的副产品，量子真空中的许多虚粒子获得其中的一部分能量，并转变成实粒子。这些粒子的遗骸留存至今，成为组成你、我、银河系和整个可观测宇宙的 1048 吨物质。
1700906814
1700906815
许多一流宇宙学家相信，暴胀宇宙的演化图象是正确的。如果是这样，那就意味着仅经过 10-32 秒之后，决定宇宙基本结构和物理成分的过程，便已告完成了。字宙在暴胀后肯定经受过亚原子层次上的许多附加变化，使原初物质发展成粒子和原子，而正是这些粒子和原子组成了现代宇宙的原材料。这些进一步的附加变化一直是重点研究的课题。但是，大多数附加的物质过程仅在约最初三分钟后便告完成，这一点已经解释过了。
1700906816