宇宙的一切來自大爆炸,那麼大爆炸又是來自哪裏?

當我們談到宇宙誕生的時候,第一時間會想到宇宙起源於炙熱、稠密、膨脹的狀態,一切的物質都來自於此。通過觀察和測量宇宙今天正在膨脹的事實(星系之間在各個方向上的距離越來越遠)我們不僅可以確定宇宙的命運,還可以確定它從何而來。那麼你可能想問:宇宙的一切來自大爆炸,那麼大爆炸又是來自哪裏?

宇宙的一切來自大爆炸,那麼大爆炸又是來自哪裏?

當然大爆炸理論並不完善,在發展的過程中也出現了一些謎題,包括:

宇宙最初的熱大爆炸狀態從何而來?

為什麼相隔甚遠、不同的空間區域,自時間之初就沒有時間交換信息的地方,卻充滿了彼此相同的物質密度和輻射温度?

為什麼宇宙會如此完美地平衡於物質密度和膨脹率之間?如果宇宙中物質的數量超過最初的膨脹率,那麼宇宙就會在大爆炸初期重新崩塌;如果宇宙中物質的數量小於最初的膨脹率,那麼宇宙就會快速膨脹到可能形成任何物質結構。

如果宇宙曾經存在超熱、超高密度的狀態,那麼高能、遺留的奇異粒子(比如磁單極子)現在在哪裏呢?這些粒子理論上今天應該存在,而且很容易找到。

以上問題的解決方法出現在1979年底/ 1980年初,由阿蘭·古斯提出的宇宙暴脹理論,在一定程度上解決了這些問題。

宇宙的一切來自大爆炸,那麼大爆炸又是來自哪裏?

通過假定宇宙並非直接起源於熱大爆炸,而是在熱大爆炸之前還存在一個狀態,這個狀態的宇宙不是由物質和輻射組成,而是當時的宇宙只存在固有的真空能量,正是這些真空能量發展出了我們目前所看到的宇宙:

暴脹結束後,真空能量衰變到物質中,創造出了一個熱的,稠密的,膨脹的初始狀態,(熱大爆炸)

使宇宙充滿物質和輻射,

指數膨脹的空間,使宇宙各向同性(各個方向温度幾乎一致),

指數膨脹的空間,使宇宙各向均勻(各個方向的物質密度看起來都是一樣的),

指數膨脹的空間,使得當時可能存在的奇異粒子,迅速被稀釋到今天無法檢測到的程度。

在暴脹時期空間呈指數增長,空間迅速被拉伸成平面,到處都有相同的性質(包括温度和物質密度,以及微小的波動),當膨脹結束時,就會創造出一個與我們現在看到的宇宙非常相似的宇宙。另外,暴脹理論還會提出了4個額外的預測,這些預測在當時並沒有被驗證或觀察到。

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宇宙空間是平坦

在20世紀80年代早期,我們已經完成了對星系、星系團的大規模調查,並開始瞭解宇宙的大規模結構。根據我們所看到的,我們可以測量出來以下兩個數字:

宇宙的臨界密度,或者説物質密度需要多大才能使宇宙在大坍縮和永遠膨脹之間保持完美的平衡。

宇宙的實際物質密度是多少,不僅來自我們所看到的發光物質、氣體、塵埃和等離子體,還來自包括暗物質在內的所有引力源。

我們發現,第二個數字僅僅是第一個數字的10%到35%,換句話説,宇宙的物質比臨界密度小得多,這意味着宇宙空間曲率是開放的。

但是膨脹預言了一個空間平坦的宇宙。無論以前的宇宙是什麼形狀,在暴脹結束後,它都是平坦的,或者至少與平坦沒有什麼區別。這兩者之間的差異是怎麼回事呢?

隨着1998年對超新星觀測的結果,暗能量的出現,再加上2003年第一次發佈的WMAP數據,我們開始明白,宇宙實際上是平坦的,物質密度低的原因是因為宇宙中還存在我們完全意想不到的新形式的能量。

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宇宙物質密度的微小波動是由暴脹時期的真空能量波動創造的

在宇宙暴脹時期,真空能量的微小波動被指數膨脹的空間放大到了更大的尺度上。我們今天的宇宙在量子尺度上具有固有的不確定性,即由於海森堡測不準原理而導致的能量微小波動。

但是在暴脹期間,那些小規模的能量波動應該會延伸到整個宇宙,延伸到巨大的宏觀尺度,最終應該延伸到整個可見的宇宙!

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1992年COBE衞星首次對宇宙微波背景中的密度波動進行了觀察,我們發現這些波動是存在的。隨着WMAP對COBE的改進,我們能夠測量這些波動的大小,並且與暴脹理論預測一致。

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宇宙的漲落是絕熱的,或者各處熵值相等。

宇宙的波動可能有不同的形式:絕熱的、等温的,或者兩者的混合。暴脹理論預測這些波動應該是100%絕熱的,這意味着無論是WMAP測量的CMB,還是像2dF和SDSS測量的大型結構,都有非常具體測量結果。如果宇宙微波背景輻射和大尺度結構波動是相關的,它們就是絕熱的;如果不是,它們就是等温的。

通過我們的測量,其結果與暴漲理論預測的一致,宇宙的漲落是絕熱的,各處熵值相等。

宇宙的一切來自大爆炸,那麼大爆炸又是來自哪裏?

最後,宇宙具有特定的引力波波動頻譜。

這是最後一個,也是唯一一個還沒有得到證實的重大宇宙事件。有些模型,比如林德的混沌暴脹模型會產生大量值的引力波,而另一些模型,比如阿爾布雷希特-斯坦哈特模型,會產生非常小量值的引力波。

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我們知道它們的光譜應該是什麼,以及這些波如何與CMB偏振中的波動相互作用。唯一的不確定性是它們的規模,可能小到無法實際觀測,這取決於哪種暴脹模型是正確的。

宇宙的一切來自大爆炸,那麼大爆炸又是來自哪裏?

因此,暴脹理論並不是某種脱離了可觀測事實的理論怪獸。相反,它做出了4個新的預測,到目前為止,我們已經證實了3個!它也預測了一些我們還沒有搞清楚如何觀察的現象,比如一個多元宇宙,但這至少不會影響暴脹理論的成功。

宇宙暴脹理論不是投機性的理論。由於我們對CMB和宇宙大尺度結構的觀測,我們已經能夠準確地證實它所預測的現象。這是我們目前所宇宙中發生最早的時間,並且它在大爆炸之前就已經發生了。

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