知道暴胀宇宙吗？宇宙暴胀的时候是什么样子？

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★昨天的福利因系统有问题，本文末今天可重领★

今天的宇宙充满了物质和辐射，可以通过各种方式观察观测。由于一百多亿年的引力，原子聚集在一起，这在最大的尺度上形成了一个巨大的宇宙网，而星系团、星系、气体云、恒星、行星等都在较小的尺度上形成。通过这一切，宇宙一直在膨胀和冷却，这是宇宙从热大爆炸最初时刻起就一直在做的事情。（认真看完本文，相信你会知道不少你不曾知道的东西…（每一张配图都对应正文内容，一定要看图才能够更好的理解）

宇宙暴胀引发了热大爆炸，创造了可观测到的宇宙，但我们只能测量膨胀对宇宙最后一秒的影响。然而这足以提供大量的预测，让我们去看看，其中许多已经在观测上得到了证实。图片：E.Siegel，ESA/Planck和DoE/NASA/NSF关于CMB研究获得的图像

博科园-科学科普：但热大爆炸不是宇宙的开始，在此之前有一个叫做暴胀宇宙的时期（暴胀宇宙理论），它出现的时间更早，并“引发”了热大爆炸。虽然生活在一个膨胀的，冷却的宇宙中很难凭直觉判断，宇宙暴胀描绘了一个完全不同的画面图景，这就是生活在暴胀宇宙中的样子。

我们经常把空间想象成一个三维网格，当考虑时空的概念时，这只是一个相关框架的过度简化。如果在这个网格上放置一个粒子，并允许宇宙膨胀，粒子就会从你身边退却。图片：ReunMedia/StoryBlock

想象一下：一个A粒子位于时空结构的某个地方，距离不远处也存在着另一个B粒子。唯一影响它们的是宇宙暴胀，那么A粒子与B粒子如何相对于移动呢？如果宇宙充满了辐射，它就会像时间的平方根一样暴胀：A粒子和B粒子尺度之间的距离是~t^（1/2）。如果宇宙充满了物质，它就会像时间一样暴胀到三分之二的能量：A粒子和B粒子距离之间的比例是~t^（2/3）。但是当宇宙暴胀时，空间会呈指数形式膨胀：~e^（Ht），其中H是宇宙的暴胀速率。

这个图表显示如果宇宙被物质、辐射或空间本身固有的能量所支配，时空是如何以相等的时间增量演化/扩展的，后者对应于一个暴胀的、能量固有的、由空间支配的宇宙。图片：E. Siegel

这意味着经过一段时间后，A粒子与B粒子距离会翻倍。因为宇宙暴胀不仅是指数的，而且也是快速的（宇宙暴胀期间的膨胀率非常大）增加一倍仅需要10^（-35）秒。但是宇宙暴胀决定性特征并不是它的快速性，毕竟热大爆炸的早期阶段可能也是如此的快（相反暴胀的决定性特征是它的无限）：

经过10^( -35) 秒，AB粒子距离是最初的两倍

在2×10^(-35)秒之后将是其初始距离的4倍

在3×10^(-35)秒之后将是其初始距离的8倍

在4×10^(-35)秒之后将是其初始距离的16倍

我们还可以继续下去：经过10^（-34）秒的暴胀后，AB粒子距离将是最初的1024倍。10^（-33）秒的暴胀后是初始距离的10^30倍。10^（-30）秒的暴胀后，将是初始距离的10^30000倍。如果宇宙开始充满了任何类型的粒子，它们将会在极短的时间内被迫远离彼此。

在暴胀前的宇宙中，极其接近的粒子将在不断扩张的时空中以指数式速度被驱离。在这个暴胀的宇宙中，大约10^（-32）秒的时间已经过去了，在同一空间中不可能有两个粒子与我们今天的整个可见宇宙相对应。图片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

空间本身可能是以一个有趣的内在曲率开始。它可能是球状的，打结的，扭曲的，甚至是球形的。它可能是充满了拓扑缺陷，整个漏洞。它可以在多个地方以奇怪的方式连接起来。它甚至可以将整个空间包含在体积中，就像亚原子粒子一样微小。

宇宙的诞生（大爆炸/暴胀/热大爆炸），图片：加拿大安大略省周界理论物理研究所

但在宇宙暴胀期间，这种快速而无限的暴胀将使宇宙大小增加许多倍：其数量相当于它将任何其他粒子推开的数量。它将需要任何初始几何并将其扩展到如此大的尺度，以至于所观察到的任何区域——甚至像我们今天所观察到的整个宇宙都将无法与空间平面区分开来。

暴胀导致空间呈指数膨胀，这会很快导致任何先前存在的弯曲或非光滑空间看起来平坦。如果宇宙是弯曲的，它的曲率半径至少是我们所能观测到的几百倍。图片：E. Siegel (L); Ned Wright’s cosmology tutorial (R)

暴胀之所以这样起作用，是因为空间本身固有着大量的能量。当宇宙的结构膨胀时，新的空间就会被创造出来，同样的能量也会被创造出来。这就是为什么暴胀是无限的。如果看一个暴胀的宇宙，它继续以持续的方式膨胀，它的速度永远不会下降。但在极小的尺度上，在这些条件下，也会发生量子涨落。

量子场理论计算的可视化量子真空中的虚拟粒子，即使在空旷的空间，这种真空能量也是非零的。图片：Derek Leinweber

这些波动今天发生在我们的宇宙中，只是它们既发生在非常低的能量尺度上，也发生在与我们观测到的任何事物相比都非常短的时间尺度上。如果把这些量子涨落想象成虚拟粒子-反粒子对-在存在中突然出现，它们是在时间尺度上这样，时间太短不可能导致任何有趣的事情发生；它们只是为空间本身的结构增加了少量额外的能量。

图示说明早期宇宙是由量子泡沫组成的，其中量子涨落在最小尺度上是大的、变化的和重要的。图片：NASA/CXC/M.Weiss

但在暴胀期间，这些波动的能量要大得多：比今天大约100个数量级。平均而言，由于这些量子涨落，空间固有的能量值随机地上下波动约0.003%。然而与今天不同的是，当宇宙暴胀时，这些波动就会延伸到整个宇宙。因此空间所固有的能量值是不同的，在较大尺度上出现较早的、拉伸更大的波动，在较小的尺度上出现较晚的、拉伸较小的波动。

在暴胀过程中发生的量子涨落确实会在宇宙中被拉伸，但它们也会引起总能量密度的波动，使在今天的宇宙中留下一些非零的空间曲率。这些场涨落导致了早期宇宙的密度缺陷，从而导致了万物在宇宙微波背景下所经历的温度波动。图片：E. Siegel / Beyond the Galaxy

每10^(-33)至10^(-32)秒，可以用我们今天所知道的物理定律来描述最小亚原子尺度（普朗克尺度）被拉伸到我们目前可观测的宇宙大小。在比这更长的时间里，先前创造的东西将变得不可观测。请记住：暴胀是无限的，仅仅在一秒前发生的事情现在已经超过了整个可见宇宙。在所有尺度上，从非常小到非常大，都应该有这些量子涨落，不仅是特征印记，而且是不断地在宇宙上留下新特征印记。

无任何物质、能量或任何类型曲率平直的空间表示。除了小的量子涨落，膨胀的宇宙中空间变得像这样变得非常平坦，除了在三维网格中，而不是在二维平面上。空间被拉平，粒子被迅速地驱走，一个在三万分之一的微小波动(在这里看不见)仍然是唯一偏离均匀性的东西。图片：Amber Stuver / Living Ligo

然而在宇宙中，暴胀并不能永远持续下去。每当新的空间被创造出来，暴胀就有一种很小但有限的可能性，它将更接近其不可避免的结局。想象暴胀是否结束的一种方法是想象一个球在高原上非常缓慢地滚动。高原下面是一个山谷在下面；如果球滚进山谷，暴胀胀就结束了。当创造新的空间时，再一次出现概率的随机分布：球是向高原中心滚动，还是靠近边缘。在球到达边缘并滚进山谷的地方暴胀结束，能量转化为热大爆炸的能量。

当这个球滚进山谷时，暴胀就结束了。但是暴胀场是量子场(中间场)，随时间扩展，在暴胀空间的不同区域呈现不同数值。虽然许多地区(紫色，红色和青色)将看到暴胀结束，更多的(绿色，蓝色)将看到宇宙爆炸继续，有可能是永恒的(底部)。图片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

很可能第一批经历这一转变的区域不是成为我们可观测宇宙的区域，而是幸存下来的，而其他的大爆炸发生在暴胀宇宙的其他地方。大多数都非常遥远，但其中一些可能发生在离最终成为我们宇宙区域非常近的地方。只要膨胀持续下去，空间就会继续充满所有尺度上的这些能量波动，创造出一个空间结构，看起来就像一个持续振动的网格。不只是在一个尺度上，就像我们想象的那样：一个经过的引力波会诱发，而且在所有的尺度上。

当从遥远引力波产生的空间涟漪穿过太阳系包括地球时，它们会轻微地压缩和扩展它们周围的空间。在暴胀期间，空间波动和量子涨落也存在，在所有尺度上都存在。图片：European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS

最后宇宙暴胀将在现在的状态下结束。就好像所有这些能量都来自于太空，不同位置有着细微的不同，所有这些能量都在下降。转化为物质，反物质和辐射，并创造了一个宇宙，它现在是热的，致密的，温度统一的，而不是冷和空的。这种转变被称为宇宙再热，它标志着从暴胀的时空过渡到热大爆炸的开始。能量波动变成了密度波动，这就产生了我们今天宇宙中的大尺度结构。当暴胀结束时，我们所知的宇宙就开始了。

球在高表面上滑动的类比是当暴胀持续存在时，而结构崩溃和释放能量则代表着能量转化为粒子。图片：E. Siegel

理论上我们将永远无法观测到宇宙之外存在的东西，但即使在今天，仍有很大的空间区域仍在膨胀。一旦宇宙开始膨胀，就很难让它在任何地方停止。对于每一个到达终点的地方，都会有一个新的、大小相等或更大的位置，随着膨胀区域的不断增长，这个位置就会被创造出来。即使大多数区域在一秒钟后就会看到暴胀结束，但仍有足够的新空间被创造出来，膨胀对未来宇宙来说应该是永恒的。

这幅图显示了未来暴胀膨胀继续存在的区域(蓝色)，以及暴胀结束的区域，从而产生了一个大爆炸和一个像我们这样的宇宙(红色X)。这可能是无限的，而我们永远也不会当然也无法知道，但一旦它在我们的区域结束，就无法看到仍在暴胀区域之外的地方。图片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

膨胀建立并创造了整个可观测的宇宙，并给热大爆炸带来了需要它与我们所观测到情况一致的条件。但是暴胀的宇宙与我们今天所观测到的宇宙有很大的不同。为了理解和想象它，必须把直觉放在一边，拥抱一个唯一重要的事实：空间结构本身有固有的能量，且任何条件下都是非零的（固有的，不可被消除的）。

（暴胀理论）暴胀宇宙模型认为宇宙早期“真空”中有超光速物质存在，宇宙在最初的10^（-35）秒呈指数攀胀，其间温度急剧下降后回升，视界距离急增，物质向现有粒子形式转化。其余演化过程和大爆炸模型一致，有奇点，但可观测范围总小于视界距离。由古斯、温伯格和威尔茨克印．w ilczek 根据粒子物理大统一理论首先提出宇宙模型。

博科园-科学科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

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