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“暴脹理論”如何解決威脅“大爆炸理論”的三大難題?


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更新日期:2022511
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暴脹理論於1980年由麻省理工學院(MIT)的科學家阿蘭·固斯提出。該理論指出,早期宇宙的空間以指數倍的形式膨脹。

上文我們說了宇宙大爆炸理論誕生後,所面臨的三大難疑,它們分別是:空間各向同性難疑,可觀測宇宙空間平坦難疑,磁單極子消失難疑。這三個問題都是大爆炸解決不了的問題,說明大爆炸理論還不夠完善。今天就說下宇宙學家如何解決這些問題。

暴脹理論的誕生

從20世紀70年代末開始,有許多世界頂級的理論物理學家在構建這些問題的解決方案。當然這並不是說拋開大爆炸理論另起爐灶,畢竟大爆炸理論取得了太多成功,此外沒有哪個理論能像它一樣能同時說明這三項事物:哈勃膨脹、較輕元素的豐度、均勻且呈黑體光譜的微波背景輻射。大爆炸理論說明,宇宙必然經歷了一個熱度、密度都超高,且極速膨脹的早期階段,才能演化出今天呈網狀的星系團大尺度結構。

這裏必須指出的是,古斯最初的創意,並不足以達到在科學理論上“新桃換舊符”的條件。盡管他的理論有許多閃光點,但他提出的第一個暴脹模型其實推導不出一個各處密度均勻、各方向性質一致的宇宙。也就是說,原有的理論模型能夠解釋的諸多觀測事實中,有一個是古斯解釋不了的。

不過,古斯的暴脹假說展現出了極為強大的發展潛力,於是許多科學家立刻投身於優化這個理論的工作。只過了一年,這個缺陷就被兩個科研力量各自獨立地彌補了:一個是林德(Andrei Linde),另一個是由阿爾布萊希特(Andy Albrecht)和斯坦哈特(Paul Steinhardt)帶領的團隊。到20世紀80年代初期,暴脹模型已經變得紮實可用了。

如何能更形象地說明暴脹過程?暴脹階段為什麼會結束?

amocity
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我認為可以假想一個高懸於地面上方的、非常平坦的平面,而且它由無數個小方塊規整排列而成,相鄰的方塊之間被某種看不到的力量推擠在一起,所以方塊暫時不會落下,但方塊之間並未粘連。然後再想象一個很重的球(如保齡球)在這個平面上滾過,與此同時,宇宙在暴脹。球每滾過一個方塊,宇宙就多了一些用於暴脹的時間,大小變成原來的兩倍以上;當球滾過64個方塊後,暴脹的幅度已足夠引入當今宇宙中可能存在的最小粒子,並且伸展出當今可見的整個宇宙。

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誠然,這顆球此後還有可能在平面上繼續滾動,不過我們這裏只考慮它最少需要滾過的方塊數就夠了。然後,在某個時刻,滾動的球可能壓到了某個受力比較薄弱的方塊,或者可能已經積累了足夠的作用能力,總之它終於將一個方塊壓脫了。

緊接著,從球所在的位置開始,就會發生摧枯拉朽般的連鎖反應,眾多相鄰的方塊紛紛脫落,掉向地面。當球和方塊全都掉到地上時,暴脹階段就結束了,這同時也標志著當前這個到處看著都差不多的宇宙拉開了帷幕,此時的宇宙中充滿著物質、反物質、輻射,其能量水平則是由那些假想的方塊掉落前的高度決定的。(由於假想方塊掉落之前的高度沒有達到特定值,所以能量水平不夠高,也就沒有給我們留下磁單極子。)於是,暴脹之後的宇宙就進入了一個有很高溫度和很高密度、不斷擴張但也不斷冷卻著的階段,這個階段就是我們說的“大爆炸”。

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