早期的宇宙暴漲和暗能量之間有什麼關聯?

2020-04-02     量子科學論

「暴漲過程發生在宇宙誕生後的10^-36 秒~10^-32秒之間。在暴漲結束後,宇宙繼續膨脹,但是膨脹速度則小得多。」——1980年由麻省理工學院(MIT)的科學家阿蘭·固斯(Alan Guth)

現在我們知道,宇宙在大爆炸之前還存在一個特殊的狀態,正是這個狀態創造了熱大爆炸中的一切物質粒子和輻射粒子,也是我們宇宙的真正起源,這個狀態就是宇宙暴漲。

宇宙暴漲發生在宇宙誕生後的10^-36 秒,這時的宇宙空間呈指數膨脹狀態!在暴漲結束後,真空能量衰變到物質中,產生了我們目前標準模型中已知或未知的粒子,這時的宇宙開始呈現出了減速膨脹的狀態,也就是宇宙的膨脹速度一直在下降。

直到45億年前,暗能量重新接管宇宙以後,減速膨脹的宇宙又在暗能量的拉扯下開始加速膨脹,那麼問題是:宇宙一開始的指數暴漲和現在的暗能量存在某種程度上的聯繫嗎?這是兩種不同的力量導致的宇宙膨脹嗎?

首先,我們可以肯定地是宇宙目前正在加速膨脹,但它不需要任何形式或者類型的力來這樣做。事實上,當你擁有一個跟我們一樣的宇宙時,這個宇宙是:

  • 受愛因斯坦廣義相對論的支配,
  • 充滿了物質、輻射和任何我們未知的「東西」,
  • 平均而言,在所有地點和所有方向上,物質分布是大致相同的,

這樣一個宇宙就會得出一個有趣而又不舒服的結論。這個結論最早是愛因斯坦本人在相對論的最初幾年裡得出的:這樣的宇宙根本不可能穩定,只要存在稍微的密度不均勻,就會在引力的作用下坍縮。

換句話說,受廣義相對論支配的宇宙是不可能靜止的,這樣的宇宙要麼靜止,要麼擴張,除非你虛構出一種新型的力,使得宇宙保持靜止。

當然,這個時候埃德溫·哈勃還沒有發現宇宙正在膨脹。當時人們除了不知道宇宙膨脹以外,甚至還不知道天空中那些螺旋狀星雲是銀河系中的天體,還是獨立的星系本身。再加之,愛因斯坦和當時大多數人一樣喜歡一個靜態的宇宙,於是他就為自己的引力方程做了一個特別的修正:引入了宇宙常數的概念。

愛因斯坦相對論的核心思想有兩個方面:物質和能量方面,以及時間和空間方面。它說,物質和能量的存在決定了時空的彎曲和演化,而時空彎曲和演化的方式決定了其中每個物質和能量的量子命運。

宇宙常數的增加意味著,有一種新的能量,是空間本身固有的,它使宇宙的結構以恆定的速度膨脹。所以,如果所有的物質和能量產生的引力作用使得宇宙坍縮,那麼這個宇宙常數,就使宇宙膨脹,如果讓這兩個速率相互匹配,並準確的相互抵消,最終就會得到一個靜態的宇宙。

事實證明,我們的宇宙正在膨脹,不需要宇宙常數來抵消引力。相反,宇宙一開始的初始條件就是一直在膨脹,抵消了所有物質和能量產生的引力。宇宙從誕生開始,非但沒有收縮,反而一直在膨脹,只不過膨脹的速度一直以來在很長的一段時間內只是減慢了而已。

宇宙的膨脹是哈勃在20世紀20年代發現的,這個現象發現以後,人們不禁會問這樣兩個問題:

  • 是什麼導致了宇宙在早期開始以如此快的速度膨脹的?
  • 宇宙未來的命運將會如何?它會永遠擴張下去嗎?它最終會逆轉並重新坍縮嗎?還是會處在膨脹與收縮的臨界點上?

宇宙一開始為什麼會膨脹,這個問題自從提出後半個多世紀都無人能答,不過當時威廉·德西特(Willem de Sitter)一開始就提出了一個觀點,他認為正是宇宙常數導致了宇宙一開始的膨脹。

最後,在20世紀80年代早期,產生了宇宙膨脹理論,提出了指數膨脹的早期階段,在這個階段,宇宙被某種非常類似於宇宙常數的東西所主宰。

但它不可能是一個真正的宇宙常數(也被稱為真空能量)因為宇宙並沒有永遠保持在這種狀態中。相反,宇宙一開始可能處於一種虛假的真空狀態,在這種狀態中,宇宙自身固有的一些能量隨後衰變為一種低能量狀態,導致物質和輻射的出現,也就是熱大爆炸!

然而,第二個問題關於宇宙的命運,我們發現了一件非常奇怪的事情。我們原以為在宇宙中所有的物質和能量所產生的引力會和初始膨脹率之間有一種簡單的競賽,但我們卻發現了宇宙中還有一種新形式的能量,它導致了現在的宇宙加速膨脹。這相當出乎人們的意料:一種被稱為暗能量的能量。

據我們目前所知,這種暗能量似乎與宇宙常數具有相同的形式和性質。

這兩種指數膨脹,早期的和晚期的,在細節上非常不同:早期宇宙的膨脹期持續了一個不確定的時間(可能短至10^-33秒,也可能長至接近無限)而今天的暗能量主導了宇宙加速膨脹大約60億年。

  • 早期的暴漲狀態非常快,宇宙膨脹率大約是今天的10^50倍。與之形成對比的是,今天的暗能量約占今天膨脹率的70%。
  • 早期的暴漲狀態一定與物質和輻射有某種聯繫。如果量子場論是正確的,那麼在足夠高的能量下,一定存在某種「膨脹」粒子(膨脹子)。晚期的暗能量根本沒有已知的耦合粒子。

儘管如此,它們也有一些相似之處。

  • 它們都有相同的(或無法區分的)狀態方程,這意味著宇宙的尺度和時間之間的關係是相同的。
  • 它們在能量密度和在廣義相對論中引起的壓強之間有相同的關係。
  • 它們都導致了宇宙中同樣的指數膨脹。

但是它們之間有聯繫嗎?這個問題很難說。原因是我們對其中任何一個都不是很了解!我們現在只知道有暗能量的存在,它為宇宙提供了負壓導致目前的宇宙加速碰上,而在暴漲時期,我們認為宇宙受高能量狀態的量子場掌控。

當我們想到宇宙暴漲的時候,可以想像一個2升的汽水瓶。這種高能量狀態就像宇宙暴漲時的狀態。然後發生了一些特別的事情,導致汽水噴出了瓶子,創造了宇宙的低能量狀態。

如果宇宙空間本身保留了一部分早期的能量,也就是說高能暴漲場並沒有下降到零,而是處在某個有限的非零值,那麼早期的暴漲場很可能就是暗能量的來源。

然而,即使我們已經有了很好的觀測和實驗設備(James Webb, WFIRST, LISA和ILC),但是暗能量的來源,以及它和早期宇宙的暴漲場之間的關係,我們也在短期內不會得到答案。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-cn/c4IuP3EBrZ4kL1ViBTdN.html