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这个理论中宇宙得以永生:永恒持续暴胀创造出新宇宙

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  宇宙源于大爆炸是最成功的宇宙学理论,有诸多观测证据的支持。但它也存在几个难以解释的问题,为此宇宙学家为它打上了暴胀理论这个“补丁”,认为宇宙早期经历过极快的膨胀。而暴胀难以避免地会导致一个惊人的推论:永恒持续的暴胀会不断创造出新的泡泡宇宙,形成有无穷个成员的多重宇宙。

  在这篇节选自环球科学《宇宙专刊》的经典文章中,斯坦福大学物理学教授安德烈·林德(AndreiLinde)为我们详述这个令人惊奇的宇宙观。

  撰文|安德烈·林德(AndreiLinde)

  翻译|蒋南

  科学家曾认为,我们的宇宙是在大爆炸中形成的一个孤零零的火球,但如果我和同事是正确的,那我们或许很快就可以跟这种观点说再见了。我们正在20世纪80年代初诞生的暴胀理论的基础上探索一个新理论。

  暴胀理论认为,宇宙曾经历了一个“暴胀”阶段,在这个阶段,宇宙在极短的时间内指数式增大,在这一阶段结束之时,宇宙才按照大爆炸模型继续演化。在改进暴胀模型时,我们提出的全新版本暴胀理论断言,宇宙不是一个膨胀着的火球,而是一个不断生长的巨大分形。它由许多暴胀火球组成,这些火球中能产生新的火球,而新的火球接下来又会产生更多的球,就这样永远地持续下去。

  我们之所以这样做,是想解决旧的大爆炸理论遗留下的某些复杂问题。大爆炸理论的标准模型认为,宇宙是在距今约138亿年时,从一个温度和密度均为无限高的宇宙奇点中诞生的。当然,物理学没办法真正地处理这些无穷大的量。科学家通常认为,现有的物理定律不适用于那个时候。只有在宇宙的密度降到普朗克密度(每立方厘米大约1094克)之下时,这些定律才能生效。

  宇宙学的6个难题

  随着宇宙的膨胀,它的温度逐渐降低。但原初宇宙烈焰的余晖仍然以微波背景辐射的形式围绕着我们。这种辐射表明,现在宇宙的温度已降到2.7K。1965年,贝尔实验室的阿尔诺·彭齐亚斯(ArnoPenzias)和罗伯特·威尔逊(RobertWilson)发现了微波背景辐射,在这一关键证据的支持下,大爆炸理论成了为主流的宇宙学理论。此外,大爆炸理论也能解释宇宙中氢、氦和其他一些元素的丰度。

  随着研究人员对大爆炸理论的进一步研究,他们发现了一些复杂难解的问题。例如,与现代基本粒子理论相结合,标准大爆炸理论预言宇宙中存在许多带有磁荷(即只有一个磁极)的超重粒子。典型的磁单极子质量相当于质子的1016倍,即约为0.00001毫克。根据标准大爆炸理论,磁单极子在宇宙演化的最初时期就应出现,并且现在的磁单极子丰度应与质子的丰度一样。在此情况下,宇宙中物质的平均密度应比其现在的值高出约15个数量级。

  磁单极子以及其他一些难题迫使物理学家更用心地审视标准宇宙学理论的各个基本假设,而且我们也发现多数假设是非常可疑的。接下来,我会介绍其中最难解决的6个问题。

  第一个、也是最重要的一个问题就是:大爆炸是否真的发生过。人们可能会问,在大爆炸之前是什么呢?如果那时不存在时空,万物又是怎样从“无”产生的呢?是谁最先出现,宇宙本身还是决定宇宙演化的定律?有关初始奇点的问题——它究竟开始于何处?从何时开始?仍然是现代宇宙学中最难解决的一个。

  第二个麻烦之处是空间的平直性。广义相对论认为,空间可能是非常弯曲的,其典型的曲率半径约为普朗克长度,即10-33厘米。然而观测表明,我们的宇宙在1028厘米(宇宙可观测部分的半径)的尺度上差不多是平直的。我们的观测结果同理论预期值相差60多个数量级。

  关于宇宙的大小,理论和观测值之间也存在类似的差异。宇宙学研究表明,我们可观测的这部分宇宙至少含有1088个基本粒子。但是为什么宇宙这样大呢?假设宇宙的初始直径为普朗克长度,初始密度为普朗克密度,那么根据标准大爆炸理论,我们可以计算出,这样一个典型的宇宙充其量只能容纳10个基本粒子。显然这个理论的什么地方出了差错。

  第四个问题涉及膨胀的同步性。按照标准的大爆炸理论,宇宙的所有部分都是同时开始膨胀的。但宇宙的所有不同部分怎么能做到同步膨胀呢?谁下的命令?

  第五个问题是关于宇宙中物质的分布。在非常大的尺度上,物质分布均匀得令人惊讶。在超过100亿光年的尺度上,物质分布偏离完美均匀的程度小于万分之一。长期以来,谁也不知道为什么宇宙会如此均匀,但研究者还要把这当成原理。标准宇宙学的一个基石就是“宇宙学原理”,它断言宇宙一定是均匀的。然而,这一假设没有多大的帮助,因为宇宙中很明显有偏离均匀的情况,例如恒星、星系和其他的物质结团。因此,我们必须既能解释宇宙为什么在大尺度上如此均匀,又能给出某种可以产生星系的机制。

  最后一个问题就是唯一性问题。自然界物理常数的微小改变就能使宇宙以完全不同的方式展现出来,例如,许多流行的基本粒子理论认为时空最初的维数要比四维多得多。为了使理论计算与我们所在的物理世界相符合,这些模型主张所有额外的维已被紧致化了,即缩小到一个很小的尺度上,因而被隐藏起来。但是人们可能会问,为什么紧致化刚好让时空停止在四维,而不是二维或五维。

  这些问题(以及我尚未提到的其他问题)都是极为费解的。而在自复制暴胀宇宙理论框架内,其中许多难题都能找到答案,这很振奋人心。

   
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