宇宙暴脹

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BICEP2射電望遠鏡有可能發現了大爆炸後早期宇宙所產生的重力波的證據。[1][2][3][4]

物理宇宙學中,宇宙暴脹,簡稱暴脹,是早期宇宙的一種快速空間膨脹過程。暴脹時期大爆炸後10−36秒開始,持續到大爆炸後10−33至10−32秒之間,膨脹速度遠超過光速。暴脹之後,宇宙繼續膨脹,但速度則低得多。

「暴脹」一詞可以指有關暴脹的假說、暴脹理論或者暴脹時期。這一假說以及「暴脹」一詞,最早於1980年由美國物理學家阿蘭·古斯提出。[5]

2014年3月17日,BICEP2科學家團隊宣佈在B模功率譜中可能探測到暴脹所產生的重力波。這為暴脹理論提供了強烈的證據,對於標準宇宙學來說是一項重要的發現 。[1][2][3][4][6]然而,除此之外還有非標準宇宙學理論,包括前大爆炸理論和旋量時空理論等。[7][注 1][8][9][10]

暴脹的直接結果,是宇宙在各個方向都顯得相同,即各向同性,以及平均分佈的宇宙微波背景輻射。微觀時期的量子漲落經暴脹放大至宇宙級大小,這解釋了宇宙宏觀結構的形成。[11]

雖然暴脹的詳細粒子物理學原理還沒有被發現,但是基本理論所作出了多項預測已經被觀測所證實。[12]導致暴脹的假想粒子稱為暴脹子[13]

動機[编辑]

磁單極問題[编辑]

关于磁单极子的反对意见源于二十世纪七十年代末,大统一理论预言了空间中的拓扑缺陷将表现为磁单极子,这种缺陷在早期高温宇宙中应当大量产生,从而导致现今磁单极子的密度应当远大于所能观测到的结果。而非常难以理解的是,至今为止人们从未观测到任何磁单极子。解决这一矛盾的理论仍然是暴胀,与抹平空间中的曲率相类似,空间呈指数暴胀也消除了所有拓扑缺陷[14]

值得一提的是,外尔曲率假说作为暴胀理论的替代理论,同样能够解释视界问题、平坦性问题和磁单极子问题[15][16]

平坦宇宙問題[编辑]

宇宙的整体几何形状取决于相对临界密度Ω0值大于、等于还是小于1。图中从上至下所示为具有正曲率的封闭宇宙、具有负曲率的双曲面宇宙和具有零曲率的平坦宇宙。

平坦性问题是一个与弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规相关的观测问题[17]。取决于宇宙的总能量密度是否大于、小于或等于临界密度,宇宙的空间曲率可以是正的、负的或为零的。当宇宙的能量密度等于临界密度时,宇宙空间被认为是平坦的。然而问题在於,任何一个偏离临界密度的微小扰动都会随着时间逐渐放大,但至今观测到的宇宙仍然是非常平坦的[注 2]。如果假设空间曲率偏离平坦所经的时间尺度为普朗克时间即10-43秒,经过几十亿年的演化宇宙将会进入热寂大挤压状态,这一矛盾从而需要一个解释。事实上,即使是在太初核合成时期,宇宙的能量密度也必须在偏离临界密度不超过10-14倍的范围内,否则将不会形成像我们今天看到的这样[18]

暴胀理论对此给出的解释为,暴胀时期空间膨胀的速度如此之快,以至于能够将产生的任何微小曲率都抹平。现在普遍认为暴胀导致了现今宇宙空间的高度平坦性,并且其能量密度非常接近临界密度值。

視界問題[编辑]

视界问题来源于任何信息的传递速度不可能超过光速的前提。对於一个存在有限时间的宇宙而言,这个前提决定了两个具有因果联系的时空区域之间的间隔具有一个上界[17],这个上界被称作粒子视界。从这个意义上看,所观测到的微波背景辐射的各向同性与这个推论存在矛盾:如果早期宇宙直到“最终的散射”时期之前一直都被物质或辐射主导,那时的粒子视界将只对应着天空中大约2度的范围,从而无法解释为何在一个如此广的范围内都具有相同的辐射温度以及如此相似的物理性质。对於这一看似矛盾之处,暴胀理论给出了解决方案,它指出在宇宙诞生极早期(早于重子数产生)的一段时间内,宇宙被均匀且各向同性的能量标量场主导着。在暴胀过程中,宇宙空间发生了指数膨胀,而粒子视界的膨胀速度要远比原先预想的要快,从而导致现在处于可观测宇宙两端的区域完全处于彼此的粒子视界中。从而,现今观测到的微波背景辐射在大尺度上的各向同性是由于在暴胀发生之前,这些区域彼此是相互接触而具有因果联系的。

根据海森堡的不确定性原理,在暴胀时期宇宙中存着微小的量子热涨落,随着暴胀这些涨落被放大到宇观尺度,这就成为了当今宇宙中所有结构的种子。暴胀理论预言这些原初涨落基本上具有尺度不变性并满足高斯分布,这已经通过测量微波背景辐射得到了精确的证实。如果暴胀的确发生过,宇宙空间中的大片区域将因指数膨胀而完全处于我们可观测的视界范围以外。

註釋[编辑]

  1. ^ 一般來說,暴脹在前大爆炸理論中並不是必須的。路易斯·貢薩雷斯-梅斯特雷斯(Luis Gonzalez-Mestres)在1996至1997年所提出的旋量時空理論中,每一個隨動觀測者都會產生一個特殊的空間方向,而宇宙微波背景中也會自然存在B模。普朗克衛星數據可能證實了這一特殊空間方向的存在。
  2. ^ 以宇宙学常数形式存在的暗能量使宇宙趋向平坦;然而早在暗能量的能量密度在宇宙中居于主导地位之前,我们的宇宙已经处于接近平坦状态达几十亿年。

參考資料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Staff. BICEP2 2014 Results Release. National Science Foundation. 17 March 2014 [18 March 2014]. 
  2. ^ 2.0 2.1 Clavin, Whitney. NASA Technology Views Birth of the Universe. NASA. 17 March 2014 [17 March 2014]. 
  3. ^ 3.0 3.1 Overbye, Dennis. Space Ripples Reveal Big Bang’s Smoking Gun. The New York Times. 17 March 2014 [17 March 2014]. 
  4. ^ 4.0 4.1 Overbye, Dennis. Ripples From the Big Bang. New York Times. 24 March 2014 [24 March 2014]. 
  5. ^ Chapter 17 of Peebles (1993).
  6. ^ Ade, P. A. R.; Aikin, R. W.; Barkats, D.; Benton, S. J.; Bischoff, C. A.; Bock, J. J.; Brevik, J. A.; Buder, I.; Bullock, E.; Dowell, C. D.; Duband, L.; Filippini, J. P.; Fliescher, S.; Golwala, S. R.; Halpern, M.; Hasselfield, M.; Hildebrandt, S. R.; Hilton, G. C.; Hristov, V. V.; Irwin, K. D.; Karkare, K. S.; Kaufman, J. P.; Keating, B. G.; Kernasovskiy, S. A.; Kovac, J. M.; Kuo, C. L.; Leitch, E. M.; Lueker, M.; Mason, P.; Netterfield, C. B.; Nguyen, H. T.; O'Brient, R.; Ogburn, R. W. IV; Orlando, A.; Pryke, C.; Reintsema, C. D.; Richter, S.; Schwartz, R.; Sheehy, C. D.; Staniszewski, Z. K.; Sudiwala, R. W.; Teply, G. P.; Tolan, J. E.; Turner, A. D.; Vieregg, A. G.; Wong, C. L.; Yoon, K. W. BICEP2 I: Detection of B-mode Polarization at Degree Angular Scales (PDF). 17 March 2014. arXiv:submit/0934323. 
  7. ^ Luis Gonzalez-Mestres. Space, Time and Superluminal Particles. 24 February 1997. 
  8. ^ Luis Gonzalez-Mestres. BICEP2, CMB B-modes And Spinorial Space-time. 26 March 2014. 
  9. ^ Luis Gonzalez-Mestres. CMB B-modes, spinorial space-time and Pre-Big Bang (I). 28 March 2014.  (University of Texas Mathematical Physics Archive, paper 14-16).
  10. ^ Ron Cowen. Cosmologists at odds over mysterious anomalies in data from early Universe. 13 December 2013.  (Nature News)
  11. ^ Tyson, Neil deGrasse and Donald Goldsmith (2004), Origins: Fourteen Billion Years of Cosmic Evolution, W. W. Norton & Co., pp. 84–5.
  12. ^ Tsujikawa, Shinji. Introductory review of cosmic inflation. ArXiv.org. 28 Apr 2003. 
  13. ^ Guth, Alan H.. The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins. Basic Books. 1997: 233–234. ISBN 0201328402. 
  14. ^ Kolb and Turner, chapter 8
  15. ^ Penrose, R.. Singularities and Time-Asymmetry//Hawking, S.W. (ed); Israel, W.(ed). General Relativity: An Einstein Centenary Survey. Cambridge University Press. 1979: pp. 581–638. 
  16. ^ Penrose, R.. Difficulties with Inflationary Cosmology//Fergus, E.J.(ed). Proceedings of the 14th Texas Symposium on Relativistic Astrophysics. New York Academy of Sciences. 1989: pp. 249–264. doi:10.1111/j.1749-6632.1989.tb50513.x. 
  17. ^ 17.0 17.1 Kolb and Turner (1988), chapter 8
  18. ^ Dicke, R.H.; Peebles, P.J.E. The big bang cosmology—enigmas and nostrums//Hawking, S.W. (ed); Israel, W.(ed). General Relativity: an Einstein centenary survey. Cambridge University Press: pp. 504–517.