距2019年诺贝尔物理学奖颁给三位天体物理学家的热潮已过去近两个月，时间一直向前走，但探索宇宙的步伐一刻也不能停歇。可以说，21世纪注定是天文史上不平凡的一个时代。佛语有云“须弥纳芥子”，浩瀚宇宙包罗万物，吞吐日月，孕育我们渺小的人类。当我们惊叹于宇宙的不可思议时，却有这样一群又一群孜孜不倦的探索者，不问浮事，从古至今，由东到西，日夜以继。他们观星测地，推演历法，大胆质疑，究其宇宙的奥义。谁说芥子不能纳须弥？渺小的人类，为什么不可以理解万物运转规律呢？你看，宇宙就在那里等着我们去发现。古语言“上下四方曰宇，往古来今曰宙”，我们从何而来？到了今天，或许我们有了一些确定的答案！
宇宙从何而来？“上帝”说：“要有光！”，事实上，科学研究已经表明我们目前的宇宙来源于一场大爆炸！
我们暂且称之为“宇宙大爆炸理论”，这里面有几位祖师爷。首先就是乔治·伽莫夫，俄裔美籍人，科学界称之为“宇宙学之父”。
图1：乔治·伽莫夫
1948年4月1日，《物理评论》杂志刊登了伽莫夫等人所写的论文。由于是愚人节，该祖师爷十分有趣的在作者列表中添加了一个对这篇论文没有任何贡献的人，汉斯·贝特，并取一笔名“β”。但学生罗伯特·赫尔曼拒绝老师的建议——取一笔名δ，所以这篇论文，事实上少了一位作者赫尔曼，多了一位并没有参与论文撰写的作者汉斯·贝特。正是这篇文章认为我们目前的宇宙来源于大爆炸。
随后，伽莫夫又单独写了一篇关于宇宙大爆炸理论的论文，被《自然》杂志接受发表。但没过多久，学生拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼就发现文章有些错误，随即便在《自然》杂志上发表了一篇纠错论文。在这篇论文里，又介绍了一下自己最新的研究成果——宇宙微波背景的存在。根据二人估算，其温度约为5K（绝对温度），但学术界并没给予关注，宇宙学沉寂许久。
然而，15年后出现另一批对“宇宙大爆炸”感兴趣的人。这群人有一个领袖，名叫罗伯特·迪克。而詹姆斯·皮布尔斯就是他的学生，二人在1964年，合作了一篇论文。文章中，再次预言宇宙微波背景的存在，而且宇宙微波背景的温度是3K左右。但并未提及15年前伽莫夫团队的研究，也许是年代久远，迪克团队忘记前人已做。事实上科研工作中，如果前人已做研究，后人再做，在撰述论文时应当有引用。
图2：宇宙微波辐射背景（图片来源：NASA网站）
“理论预言”了宇宙微波背景。那么接下来就是搜寻宇宙微波背景辐射的问题了，罗伯特·迪克当时不停向上级申请科研基金，但还是慢了一步。着实令人可惜！
图3：阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现3k宇宙微波辐射背景所用的天线（图片来源：维基百科）
事实是这样，1965年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在处理射电望远镜噪音问题中被幸运女神眷顾，他们无论如何也想不到一直萦绕心头挥之不去的背景噪音，原来就是神坛上的宇宙微波背景辐射！最终彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年的诺贝尔物理学奖。与此同时罗伯特·迪克团队与诺奖失之交臂，但是值得庆幸的是，宇宙学的研究从此开始回暖，越来越多进入大众视线之中。
今天，当皮布尔斯教授手捧诺奖，站于诺奖台时，时光已悄然过去41个年头，恩师罗布特·迪克已在岁月的长河里与世长眠，但探寻宇宙，解开未知的火种，在经历了几十年的风雨后，已然辉亮一片天地！诺奖评语上大致这样说到：“宇宙学已经从推测性的理论研究转变成为一门相对严谨的科学学科”。
图4：宇宙演化示意图（图片来源：维基百科）
介绍完一些旧史，现在真正来了解一下大众口中的“宇宙大爆炸”。首先必须一说的是，我们几乎所有宇宙学的理论框架均建立在假设和推理的基础之上，只有被实践验证，结论才会保留下来。
正如宇宙微波背景辐射已经很好的证明我们现在所处的宇宙来自于至少138亿年之前的一场爆炸，但是随着设备的更新，实验的新发现，理论的修正，我们所理解的爆炸可能不是简单意义上的类似我们过年放鞭炮的那种爆炸。
我们知道19世纪末期第一代开尔文伯爵威廉·汤姆森（William Thomson）说到“物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。”谁曾想到正是20世纪的两朵乌云导致爱因斯坦相对论以及量子力学的诞生。（迈克耳逊－莫雷实验导致“以太”说破灭，黑体辐射与“紫外灾难”）
图5：威廉·汤姆生（图片来源：百度）
同样在20世纪或者说21世纪物理学在理论与实验上存在亟待解决的几大乌云：量子力学与引力的矛盾；暗物质和暗能量的探索；正反物质不对称的原因。当然还有其它一些乌云。但最终问题逃不开哲学上终极审问“我是谁？我从哪里来？我到哪里去？”
20世纪天文学一系列的发现，人们将目光开始投向暗物质，暗能量的探索过程之中。1998年高红移超新星的发现，人们认识到我们的宇宙似乎在存在的前段时间，由于重力的影响，所以膨胀速度缓慢，后来暗能量超过重力，一脚踩在宇宙加速器上，宇宙加速膨胀。1997年11月和12月两只国际研究组，一支基地在美国加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室；另一支基地位于澳大利亚的斯壮罗山天文台和赛丁泉天文台。两个研究小组均对ＩA型超新星观测，花了大约十年时间试图验证宇宙减速膨胀，但结果表明：宇宙膨胀并非减速，反而加速进行。
为解决热大爆炸宇宙学中的视界和平坦性等问题，1980年，美国理论科学家宇宙学家阿兰·固斯（Alan Guth）提出宇宙暴胀理论（inflation theory）。表示宇宙甚早期时，发生过暴胀。最早提出的暴胀模型存在严重的的暴胀退出机制问题，现在广泛接受和采用的的是“慢滚暴胀模型”。
图6：阿兰·固斯（图片来源:百度）
宇宙暴胀模型， 简而言之是，tc在约等于10-35-10-32s内宇宙发生了暴胀、相变, 宇宙不按H(t) ∝t1/2的规律膨胀, 而是按指数规律发生暴胀：
关于暴胀理论的物理基础，人们是首先把真空相变从大统一中分离出来，抽象引入带自作用的标量场，也就是暴胀场（inflation）。也就是说这里的暴胀是由真空引起的。什么真空引起的？没听错，在场论中把能量密度最低的状态叫做基态或者说真空，真空并不是我们以前所理解的什么都没有。
值得一说的是自然界是否有含自作用标量场的存在，还是不清楚，从这层意义上讲，“暴胀理论”是一种试探性研究。对照下面两幅图我们来进行进一步的理解：
前期我们知道宇宙处于一种高温高密的状态，而与此同时宇宙处在真空场这样一种物理环境下，那么这种物理环境的影响机制在什么时候触发呢？众所周知，在爆炸的过程中温度降低，尺寸变大，必然与温度逃脱不了关系，可以用一个温度来表示这种机制的时标。也就是特征温度TC（TC代表的是真假真空具有相同自由能的温度时标）。
如何理解？
前面我们对真空并不是什么都没有有了一定的概念，真空是具有一定能量的。在介质温度T高于TC,真空场处于真空态，能量最低，用我们简单的高中数学知识来理解，以真空场自由能为纵坐标，真空场为横坐标，其数学图像可以理解为最简单的偶函数图像，只有一个极小值点，且极值点就是坐标原点。此时标准模型仍然成立即宇宙的膨胀正比于时间的二分之一次方，不需考虑真空场的作用。
温度趋近TC,以致等于TC时,真空自由能发生变化（它是一个温度和场的函数关系）。用量子力学来说真空自由能此时处于简并态，一个真空自由能对应两个本征真空场值，以刚刚的数学图像来理解，此时有三个相同极小值点，真空场自由能（纵坐标相同），我们称此时的状态为真假真空态。
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发表于 2019-12-13 21:29:21
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