宇宙在诞生一千亿亿亿亿分之一秒后是什么样的？

keajoo

现在的宇宙充满了物质和辐射，我们可以通过各种各样的方式观察到。由于数十亿年的引力作用，原子成群聚集在一起。这在最大尺度上形成了一个巨大的宇宙网，有星系团、单个星系、气体云、恒星、行星，以及更小尺度的物质。经历这一切后，宇宙一直在膨胀和冷却，这是自宇宙热大爆炸的最初时刻起就一直在进行的事情。

但是大爆炸并不是宇宙的最初起点。在此之前，有一段时间被称为宇宙暴胀，它开始的更早，并产生了热大爆炸。生活在一个膨胀的、冷却的宇宙中很难凭直觉描绘了一幅完全不同的暴胀图景。下面来看一下生活在暴胀中宇宙的情况。

想象一下，你是一个粒子，位于时空结构的某个地方。在很短的距离之外，存在另一个粒子。唯一能影响它们的是宇宙膨胀。那么，这个粒子相对于你是如何移动的呢？

如果你的宇宙充满了辐射，它就会膨胀为时间的平方根：你和这个粒子之间的距离比是~t^1/2

如果你的宇宙充满了物质，它就会膨胀到三分之二次方：你和这个粒子之间的距离比是~t^2/3

但是当你的宇宙暴胀时，空间呈指数级增长：就像 ~e^Ht一样，H是宇宙的膨胀率。

这意味着，在一定的时间之后，这个粒子离你的距离增加一倍。因为暴胀不仅是呈指数式而且很快，暴胀期间宇宙膨胀率是非常大的，只需10^-35秒（一千亿亿亿亿分之一秒）就会加倍。但是，暴胀的决定性特征并不是它的速度，因为大爆炸的早期阶段可能也同样迅速。相反，暴胀的决定性特征是它毫不减弱。

在10^-35秒后，这个邻近粒子的距离是最初的2倍；

在2×10^-35后，相隔距离是最初的4倍；

在3×10^-35 秒后，距离是最初的8倍；

在4×10^-35秒后，距离是最初的16倍。

这可以一直继续下去。在暴胀10^-34秒之后，邻近粒子与你相隔距离将会是最初的10^24倍。10^-33秒后，是初始距离的10^30倍。10^-30秒后，这个粒子的距离是最初的10^30000倍。如果你的宇宙一开始充满了各种类型的粒子，它们会在非常短的时间内相互远离，再也不会接触。

空间本身可能一开始就有一个有趣的固有曲率。它可能是卷起来的，打结的，扭曲的，甚至是球形的。它可能充满了拓扑缺陷，遍及各种洞；可能以奇怪的方式在多个地方连接起来；甚至可能整个空间包含在就像一个亚原子粒子一样微小的体积中。

但在暴胀期间，这种快速不减弱的膨胀将会使宇宙的大小增加许多许多倍，也就是它会将其他粒子推离开的数量。它会有任何的初始几何形状，并将其拉伸到极其大的规模，以至于任何你看到的区域，即使和我们今天整个可观测宇宙一样大，也无法与空间平面区分。

暴胀如此表现的原因是空间本身有大量的能量。当宇宙结构膨胀时，新的空间被创造出来，固有的同等能量也会被创造出来。这就是为什么膨胀是不减弱的。如果你观察一个暴胀中的宇宙，它会持续暴胀，速度不会下降。

但在最小的尺度上，在这些条件下，也会发生量子涨落。

这些涨落现在宇宙中也在发生，与我们观察到的任何东西相比，只发生在非常低的能量尺度和时间尺度上。如果你把这些涨落想象成突然出现消失的虚拟粒子-反粒子对，它们在极短的时间尺度上这样做，不会导致任何有趣的事情发生。它们只是给空间本身结构增加了少量的额外能量。

但在暴胀期间，这些涨落在能量上要大得多，比现在大了约100个数量级。平均而言，由于这些量子涨落，空间固有的能量值会随机升降约0.003%。

然而与今天不同的是，当宇宙暴胀时，这些涨落会延伸到整个宇宙。因此，空间固有的能量值改变了，更古老、更延伸的涨落出现在更大的尺度上，较年轻、不太延伸的涨落则出现在较小的尺度上。

每10^-33到10^-32秒，目前物理定律可描述的最小亚原子尺度，即普朗克尺度，被拉伸到我们当前可观测宇宙的大小。在比那还长的时间尺度上，以前所创造的东西将会变得不可见。记住，暴胀是毫不减弱的，一瞬间前发生的事情现在就不仅仅是整个可观测宇宙。在所有尺度上，从非常小到非常大，都应该有这些不仅留下印记，而且不断在宇宙中印刻的量子涨落。

然而，暴胀不会永远持续在宇宙的所有地方。每当新空间被创造出来，就会有可能暴胀将更接近其必然的结束。一种观察暴胀是否结束了的方法是想象一个在高原上非常缓慢滚动的球。在高原下面是一个山谷，如果球滚进山谷，暴胀就会结束。

当你创造新的空间时，又会有一个随机的概率分布，也就是球离高原的中心更近还是离边缘更近。在球到达边缘并滚入山谷时，暴胀结束，能量转化为热大爆炸的能量。

很有可能第一个经历这种转变的地区并没有成为我们的可观测宇宙，而是在我们暴胀中宇宙别的地方发生其他大爆炸时，我们幸存下来了。它们中的大多数都非常遥远，但其中一些可能发生在离最终变成我们宇宙的地方很近。只要暴胀继续下去，空间就会继续充斥着各种尺度上的能量波动，创造出一种像持续振动栅一样的空间结构。就像一个经过的引力波会引起的情况一样，不仅仅是在一个尺度上，而是在所有的尺度上发生。

最后，暴胀结束了。这就好像所有的能量都是空间所固有的，不同的位置有小的差值，所有的能量都在下降。它转变成物质、反物质和辐射，并创造出一个炙热、密集、温度均匀的宇宙，而不是寒冷的和空旷的。这种转变被称为宇宙再热，它标志着从一个暴胀时空到热大爆炸开始的转变。能量的波动变成了密度的波动，这就产生了现在宇宙中的大规模结构。

暴胀结束了，我们所知的宇宙开始了。从理论上讲，可观测宇宙之外的东西将永远不会被我们看到，但即使在今天很有可能有很大的空间区域仍然在暴胀。一旦宇宙开始暴胀，就很难让它在任何地方停止。对于每一个即将结束的地方，随着暴胀地区的持续增长，会有一个新的、同样大小的地方被创造出来。尽管大多数地区的暴胀会在瞬间结束，但仍有足够的新空间被创造出来，暴胀应该是永恒的。

暴胀开始了并创造了整个可观测的宇宙，给了热大爆炸的产生条件，形成了现在所看见的宇宙。但是暴胀的宇宙与我们今天观察到的宇宙有很大的不同。为了理解和想象它，我们必须把我们的直觉放在一边，认清一个现实，那就是唯一重要的能量是空间本身结构的内在能量。
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本文选自：今日头条
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宇宙不存在什么“诞生”，“星系”时刻都在热胀冷缩，……