宇宙学——暴涨理论

Kevin300

注意：本篇文章讲的暴涨理论是目前最广为流传的版本，由Prof. Alan Guth所提出


宇宙学是一门研究宇宙起源、自然和演化的学科。它试图解释一下几个问题：

• 宇宙是有限的还是无限的
  
• 宇宙永远存在着吗
  
• 假如不是，它是何时、如何形成的
  
• 它的“生命”最终会结束吗
  
• 人类是以何种存在生活在这个宇宙里的？我们又该如何解释我们的存在......
  

今天我们从宇宙大爆炸和暴涨理论开始说起。



宇宙大爆炸假设了宇宙诞生的时间是在138亿年前，且最开始的宇宙是一团炽热，高密度，十分unifrom的一团粒子。它也对目前可观测宇宙内的一些事实做出了解释。
举个例子，越远的星系远离我们的速度就越快，也就是距离地球越远的星体，其远离地球的速度就越快。而哈勃根据这个现象得出了一个公式，V=Hr。当H不变，r和v成正比关系。根据这个公式也与波的红移蓝移相关。我会在下篇文章讲到多普勒效应，包括横向，纵向，圆周运动和非狭义相对论（通常为声波）和狭义相对论（洛伦兹变换）。
但大家可能时常把宇宙大爆炸和暴涨理论搞混，其实不然，因为暴涨理论只是修改了宇宙大爆炸，使其更加的充分。
宇宙大爆炸只解释了以下三点（可以参考Steven Weinberg的 The First Three Minutes）：

• 早期宇宙是如何演化的
  
• 质量较低的化学元素是如何产生的（如氢氦）
  
• 物质是如何汇聚形成恒星、星系和星系团的
  

宇宙大爆炸的理论可以被以下三点所证明：

• 哈勃定律
  
• 宇宙微波背景辐射（CMB，指大爆炸”遗留下来的电磁波辐射，大家感兴趣可以自行查看，这边不做多解释）
  
• 宇宙中大量存在的轻元素（符合宇宙大爆炸所做出的预测）
  

但它并没有解释：

• 是什么导致了宇宙的膨胀（它只解释了宇宙膨胀的余波，意思是一开始宇宙就已经开始了膨胀）
  
• 物质从哪来的（它假设所有物质在一开始就存在）
  

而暴涨理论则可以作为宇宙大暴涨的“prequel”,可以解释最初是什么导致了宇宙的膨胀且物质的来源。
在开始之前，我们先捋一捋时间线



来自BICEP2的图片有着一个很明显的错误。NATIONAL SCIENCE FOUNDATION (NASA, JPL, KECK FOUNDATION, MOORE FOUNDATION, RELATED) – FUNDED BICEP2 PROGRAM

这张来自来自BICEP2的图片有着一个很明显的错误——暴涨并非发生在宇宙大爆炸之后，而是自宇宙大爆炸之前就一直发生。



NED WRIGHT'S COSMOLOGY TUTORIAL

自宇宙大爆炸的那一瞬间，我们才有了时间的概念（在相对论的视角里时间不过是人为的造物）。而暴涨是一直发生的，我们并不知道它从何时开始，也不知道它何时结束。我们接下来从几个方面介绍暴涨理论。
<hr/>Gravitational Repulsion
广义相对论和现代粒子理论的预测，在非常高的能量下，存在着可以产生引力排斥性的物质。由于我们目前并没有发现任何一种粒子符合这一特质，所以这里写的是“预测”。
暴涨理论说在早期宇宙里存在着一些可以产生引力排斥性的物质。能级达到约等于10^16次方Gev（1 Gev是一个质子质量所带来的能量），因此由于能量巨大，这个物质的体积只需要达到10^28 cm即可让早期宇宙发生膨胀，而它使得宇宙以每10^-37秒的频率去指数倍的膨胀。
这个物质最终至少膨胀到了原本体积的10^28立方大小（约等于100次），且整个过程持续了可能约10^-35秒（100*10^-37）。
在最初膨胀的过程后，这个物质会发生类似衰变的行为，导致部分区域暴涨的结束。这个衰变的产物则是“正常的物质”，不会产生排斥性引力的物质。
这里要注意一个点，即衰变几乎无处不在，但并不是完全的无处不在。总有些区域维持着暴涨，而暴涨的速度远远超过了衰变（因为一直doubling doubling），导致暴涨可以一直存在下去。这个概念，eternal inflation，multiverse 和pocket universe的概念直接挂钩。未来假如有机会可以写篇文章讲讲。
回到暴涨上，在这个过程中，宇宙越来越大，相对应产生了更多的能量，但是能量依旧守恒。因为例如重力场等会提供负能量，而拥有引力排斥性的物质产生的正能量被重力的负能量所补偿。



如图所示，随着正能量（黑色柱子）在暴涨的过程中慢慢升高，代表着负能量的红色柱子也会慢慢降低，因此能量守恒。MIT，Alan Guth, Inflationary Cosmology

<hr/>大尺度的统一性&宇宙的曲率

宇宙具有着统一性，由isotropy和homogeneity所呈现。前者意味着宇宙在各个方向上都是统一的，例如我们无论往哪个方向看去，宇宙的密度在绝大多数地方都是相同的（同时也是小尺度的不统一性的证据）。而homogeneity意味着宇宙在任何地方看都是统一的。
具有homogeneity却不具备isotropy的例子是一条各处都相同的瀑布。它一定会面向一个方向，逆流而上或者顺流而下。同时，一个被场充斥着的宇宙也不具备isotropy的性质，因为场是有方向的（i.e. 磁场）。



https://www.sj33.cn/cg/chys/201006/23465_4.html

具有isotropy却不具备homogeneity的例子是圆心。我们往任何方向上看都会碰壁，但是由于圆的边界和圆的内部是截然不同的，所以不具备homogeneity



因为，我们也可以得出，当一个宇宙对于所有的观测者来说都是isotropic的时候，它肯定也是homogeneous。而homogeneity+isotropy等于uniformity（统一性）。

在大尺度的统一性下，宇宙还具备着小尺度的不统一性。最简单的例子就是天体的存在。中子星的密度远远高于恒星，而恒星的密度则远远高于行星。

我们现在来讲讲宇宙的曲率。



假如是正曲率，那么这个球体上的三角形的总和会大于180°，closed geometry；假如是负曲率，那么三边之和会小于180°， open geometry；假如是欧几里得图形，那么三边之和会正好等于180°，flat geometry。而物质的密度可以决定宇宙的曲率。
其实宇宙就像一根直立的筷子。如果正正好好地立着，那么它就不会倒塌（我好像说了一句废话哈哈哈哈），但是如果这根筷子微微往两边倾斜，那么它最终的命运是倾斜倒下，且倒下的速度会越来越快。



https://www.meipian.cn/2ofl3bbx

这根筷子其实就是我们的宇宙，而测量宇宙是否是直立的关键就是计算Ω，公式为actual mass density/ critical mass density，其中critical mass density makes universe perfectly flat。而Ω也部分取决于哈勃常数，也就是宇宙膨胀的速率。
当Ω等于1时，宇宙是flat；当Ω大于1时，宇宙是closed；当Ω小于1时，宇宙是opened。
因为，由于上述所说的原因，在早期宇宙，曲率必为0，或者无限接近于0.
在1998年前，科学家们得出的曲率一直都是0.2或者0.3。直到普朗克卫星在计算Ω时考虑到了暗能量，发现曲率并不是0.3，而是更符合预测的1.0010±0.0065的。
至此，一个十分简单的暴涨理论和宇宙大爆炸差不多是讲完了。

雪域蓝眸蓝nz

纯粹是瞎说，不看。

恶贯满瘾锥

大爆炸前没有时空，什么在暴涨呢？

涵涵爸爸520

没有时间，哪有什么一直呢？

楠木2017

大爆炸理论是科学迷信！西方创世纪思想借相对论之谬，成功披上科学外衣，实现借尸还魂。相对论及大爆炸理论纯伪科学！