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第1章中那个幼儿园小朋友曾问:“空间是无边无际的吗?”永恒暴胀理论给出了一个清楚的答案——空间不仅非常庞大,它实际上是无限的,其中有着无限多的星系、恒星和行星。
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让我们更仔细地探索一下这种观点。尽管图4-7中的示意图并没有表达得很清楚,但我们在这里只对一个单独的连通空间进行讨论。现在(下面我们将回到真正的“现在”),这个空间内的一些地方正在飞速地膨胀,因为它们包含着暴胀物质;一些地方则膨胀得非常缓慢,因为它们之中的暴胀已经结束;一些地方,比如银河系内的区域,则已经完全停止了膨胀。那么,暴胀结束了吗?根据上面提到的那些研究,得到的答案是:是,又不是。暴胀已经结束了,同时它又没有结束。这到底是什么意思呢?来看看下面几个结论。
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●在空间中的几乎所有地方,暴胀最终将会以大爆炸的形式结束。
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●空间中,多多少少会有一些地方,暴胀永远不会结束。
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●暴胀体积的总量将永远增加,定期翻倍。
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●暴胀结束、包含星系的体积也将永远增加,定期翻倍。
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这是否意味着空间现在已经是无限的了?这将第1章开头提出的问题2带到了我们面前:在有限的时间中,如何能创造出无限的空间?听起来不可能。然而,正如我提过的,暴胀就像一场魔法表演,通过创造性地使用物理定律,许多看起来不可能的节目都上演了。实际上,暴胀能做得更好,在我看来,这是它最令人惊异的花招:它能在有限的体积内创生出无限的体积!具体地说,它能在一团比原子还小的物质中创造出一个无垠的空间,其中包含着无限多的星系,而不用影响外界空间。
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图4-8告诉我们暴胀是如何玩这个花招的。它展示了时空的一个切面,其中,左右边缘分别代表暴胀永不结束的两点,下边缘对应着一段时间,在这期间,两点间的整个空间都在暴胀。要画出一个正在膨胀的三维空间十分困难,所以在这张图中,我忽略了膨胀和两个空间维度,因为这两者并不影响基本论述。最终,除左右边缘之外,所有地方都停止了暴胀。弯曲的边界线表示暴胀在不同区域停止的精确时间。在一个给定的区域内,如果暴胀结束了,传统的大爆炸理论就开始在此处展开画卷,就像前两章所讨论的那样,先是变成一个炙热的核聚变反应堆,接着逐渐冷却下来,形成原子,再衍生出原子、星系,最终可能出现像我们这样的观察者。
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图4-8 如正文所说,在外界看起来比原子还小的区域内,暴胀能创造出一个无限的宇宙。在栖于此间的观察者看来,A和B是同步的,C和D也是同步的,无限的U形面上,暴胀结束于观察者的时间开端,原子形成于此后的40万年……为了简化,这张图忽略了空间的膨胀和两个维度。
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这个花招的关键点在于:根据爱因斯坦的广义相对论,如果这些星系中居住着一名观察者,那他对时间和空间的感知将与我在图4-8中用坐标轴所定义的完全不同。我们的物理空间中并没有标明尺子一样的厘米刻度,宇宙中也没有一堆事先设定好的时钟。相反,每个观察者都需要定义自己的尺子和时钟,从而定义出自己对时间和空间的概念。这种想法与爱因斯坦不朽的核心理念不谋而合,那就是“一切都是相对的”——不同的观察者对时间和空间的感知都不同。具体点说,同步也可以是相对的。
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现在假设你有一个好朋友是宇航员,他此时正在火星上执行任务,你向他发送了信息:
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“嗨!你那边怎么样啊?”
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这条消息通过无线电波以光速从地球传向火星。10分钟后,他收到了你的消息。你等待的过程中,收到了一封来自尼日利亚的垃圾邮件,向你推销便宜的劳力士手表。再过了10分钟,你收到了他的回信:
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“我很好,但我很想念地球!”
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那么,你收到垃圾邮件和火星宇航员发出邮件,这两件事哪一件发生得更早呢?令人惊讶的是,爱因斯坦发现,这个简单的问题并没有简单的答案。正确的答案取决于问题回答者的速度!比如,我坐在一艘飞船中,正掠过地球,飞向火星。在这个过程中,我拦截到了这三封邮件,并进行了分析。根据飞船上搭载的时钟,我得出结论,你朋友发出邮件的时间早于你收到垃圾邮件的时间。但是,如果我往相反的方向运动,我可能会得出相反的结论,即你收到垃圾邮件的时间更早一些。你感到晕头转向了吗?这正是爱因斯坦发表相对论时,大多数物理学家的反应。但是,之后无数的实验证明,时间就是这样运行的。唯有地球事件在火星信息到达地球之后才发生时,才能让我们确定火星事件早于地球事件。
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现在,让我们将其运用在图4-8所示的情况里。对处在这个区域之外的某人来说,可以用横轴和纵轴来分别代表空间和时间,就像我画在图中的那样,于是,A、B、C、D四件事情将按照字母顺序依次发生。此外,B一定发生得比D早,因为你可以想象出从B向D发送一条信息的情景。同样,A一定早于C。然而,鉴于A和B距离遥远,连光线都没有足够的时间到达,那我们是否还能确凿地说A早于B呢?爱因斯坦的答案是,不能。实际上,对一位栖居于图中星系里的观察者来说,将所有地方的暴胀结束都定在一个固定的时间会更有意义,因为暴胀的结束意味着大爆炸,所以对他来说,A和B实际上是同时发生的!正如图中所示,代表着“暴胀结束”的曲线并不是水平的。曲线的左右边缘弯曲得像一个U字形,代表着永不结束的暴胀,所以它实际上是无限的。这意味着,只要从这位观察者的角度考虑,他的大爆炸就开始于无限空间(也就是无限的U字形)中的一个点!这无限的空间从哪里悄然而来呢?——它来自未来无限的时间,来自U字形两端逐渐倾斜的无垠空间。
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同样地,他还会认为宇宙在接下来的时间里也是无限的。比如,如果他进行宇宙微波背景实验,拍下了他的宇宙只有40万年历史时的“婴儿照”,他所拍下的等离子体表面对应着图中质子和电子结合变成透明(不可见)氢原子的那个表面。你会发现,这也是一个无限的U字形,所以他将感觉到,40万年历史的宇宙也是无限的。他还会认为C和D是同时发生的,因为它们位于同一个U字形上,第一批星系正在其中孕育。每两条U字形之间,你都能塞下无数个U字形,所以,他感觉到有两个东西是无限的,一是宇宙的空间,二是未来的时间——尽管在外人看来,所有这一切都被灵巧地塞进了一个比原子还小的区域中。真相就是,内部的空间膨胀并不一定会增加它在外部世界所占据的空间——请记住,爱因斯坦允许空间拉伸,并从虚无中创生出更多的体积,而不用从其他地方抢夺而来。实际上,从外界看起来,这个无限的宇宙可能很像一个亚原子黑洞。阿兰·古斯和他的同事们甚至真的研究了这种可能性:在实验室里创造出一种东西,从外部看像个小黑洞,而从内部看则是一个无限的宇宙——至于是否真能做到这一点,人们尚没有定论。[10]
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在本章开始时,我们由弗里德曼的经典大爆炸理论说起,因它无法解释一些基本问题而展开了对暴胀理论的探索。那么,现在让我们用暴胀理论来重新回答一下下面这几个问题。
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问题12:是什么导致了大爆炸?
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答:一团亚原子尺度的暴胀物质在尺度上的不断翻倍。
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问题5:大爆炸是从某个单独的点开始发生的吗?
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答:基本上算是。因为它发生于一个比原子还小的区域内。
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问题4:大爆炸是从空间中的什么地方开始的?
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答:在那个微小的区域内。但是,暴胀将它拉伸到一个葡萄柚般的大小,这个葡萄柚再飞速增长,直到比我们今天看到的整个可观测宇宙还大。
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