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宇宙之初:大膨脹④大膨脹真的發生過嗎?

2024-03-03資訊

有些事情對於外行也許還是新鮮事,但對於我們的大多數讀者早已不是什麽新聞。譬如說,我們的宇宙誕生於138億年前的一場爆炸,在爆炸之後又在極短的時間內經歷了一次暴脹。但有關暴脹的證據,以目前的科學水平根本無法找到。

暴脹至今還只是個傳說

對於宇宙大霹靂,現在差不多已成定案,因為積累的證據夠多的了。但至於暴脹,目前基本上還只是一個理論假設。你要是問宇宙學家為什麽會有如此一個暴脹,他們只會支支吾吾告訴你,要是沒暴脹,事情就有些難辦了,比如說,解釋不了宇宙物質如今為何分布得這麽均勻等問題。但事情難辦不能算證明,要證明宇宙發生過暴脹,也得拿證據說話。

這話說來容易,只要稍微了解,就知道事情有多麽困難。根據暴脹假說,宇宙在年齡只有約10-36秒時,開始指數式膨脹。在遠遠不足1秒的時間裏,從不到一個原子大小,膨脹到了一個柚子那麽大。暴脹在宇宙年齡為10-33秒時戛然而止,轉而進入更平胡的膨脹模式,令星系、恒星和行星得以在往後形成。至於推動宇宙暴脹的幕後力量,又是至今仍讓物理學家抓瞎的什麽「真空能」。

你瞧,困難真是不小:首先,暴脹發生的時間極早;其次,持續時間極短;最後,我們對暴脹的機制幾乎一無所知。

但老話說得好:「若要人不知,除非己莫為」。只要事情發生過,就免不了留下痕跡。那麽,假如暴脹發生過,到我們今天還會留下什麽痕跡呢?這一想,又讓人皺起眉頭來。

宇宙誕生那一刻不可見

我們現在幾乎人人都是大霹靂學說的信徒,但「宇宙源於一場爆炸」這一結論只是外推的結果,爆炸發生那一刻,誰也不在場,即使宇宙學家能收集到的最早證據——微波背景放射線,其出現也已在大霹靂之後大約38萬年了。這就好比說,你爺爺最早見到你時,你已經裹在繈褓裏被抱出產房了。至於你哇哇墜地那一刻,他可沒見著。

我們為何不能見著比年齡38萬年更早的宇宙呢?

這是因為,更早的宇宙一片漆黑,一縷光都透不出來,所以就根本沒法觀察。此話怎講?我們不妨先來看看背景放射線是怎麽形成的吧。

背景放射線形成的過程大致是這樣的:宇宙在爆炸中誕生之後,在最初的3分鐘裏,合成了氫氦等元素。但那時溫度有幾萬K,比現在太陽表面的溫度(約6000K)還高。這麽高的溫度要伴隨著強烈的發光過程。由於溫度很高,發出的光子能量也高,而高能的光子又很容易被原子吸收,所以壽命短,跑不遠。既然沒有光能透出來,當時的宇宙可謂一片漆黑。

隨著宇宙膨脹,溫度越來越低,高能光子的比例漸漸減少,而低能光子卻增多起來。在大霹靂之後大約38萬年,宇宙的溫度降低到了約3000K。此時高能光子已寥寥無幾。低能光子因不會被原子吸收,就可以暢行無阻了。這才有了宇宙的「第一縷光」。這些低能光子充斥整個宇宙,就是所謂的「宇宙背景放射線」。

暴脹可能留下的痕跡

既然我們的目光無法追溯到嬰兒宇宙誕生的那一瞬,而暴脹偏又發生那個時候,所以看來事情真有些難辦。

過去10年來,宇宙學家開始意識到,暴脹的突然停止必定會產生時空漣漪,也就是重力波。與放射線不同,這些原初的重力波可以穿行於高溫的早期宇宙中。我們知道,根據愛因史坦的廣義相對論,重力是時空的彎曲,所以重力波也是時空本身的一種波動。只要找到這原初的重力波,也就證明了暴脹確實發生過。

即使暴脹戛然而止的那一刻產生的重力波非常強,但從暴脹停止至今,宇宙已經膨脹了那麽長時間,這個重力波早已經稀釋得非常微弱了。所以現有的重力波探測裝置,是無法檢測到它的。

10年前,由「威爾金森各向異性探測器」描繪的第一張宇宙微波背景放射線圖顯示,早期宇宙物質在空間分布上有微小的漲落。這些漲落是孕育我們今天看到的恒星、星系和星系團等宇宙大尺度結構的種子。

如果你在這張圖上任意劃出一塊天區,漲落看來幾乎都一樣,這一特點使得天文學家相信:所有物質曾一度緊密接觸,充分均勻地混合,然後被突如其來的力量迅速分開——這一點正是暴脹理論所預言的。

但這張圖上還顯示,在整片天區的一側比之另一側,漲落看來似乎更為明顯。這種不對稱性在2013年由普朗克衛星所描繪的高分辨率背景放射線圖上也得到證實。那麽,這種微小的不對稱性又是由什麽原因造成的呢?

這讓英國愛丁堡大學的宇宙學家安哲魯·林德勒產生一個有關宇宙泡泡形成的理論。這個理論認為:我們的宇宙來自一個更大宇宙的量子漲落;我們的宇宙就像一個氣泡從沸騰的水裏(相當於那個更大的宇宙)冒出來,此即暴脹。由於這是一個時空的相變過程,在時空中會引起一個比較大的擾動;而現在背景放射線圖上的微小不對稱性可能正是這個擾動留下的痕跡。

小宇宙產生自大宇宙

這個解釋又牽扯出「我們的宇宙不過是一個更大宇宙中的小泡泡」的思想。這個思想近年來被很多宇宙學家提及。他們說,在另一些宇宙泡泡裏,可能基本物理規律都跟我們的宇宙大不相同。

量子物理學家的觀點更玄。他們說,我們每做一次測量,都將迫使宇宙發生一次分裂。譬如說那只著名的薛丁格貓,當我們開啟箱門看它(在量子物理學上,相當於測量)時,它要麽活,要麽死,必處於兩種狀態之一。如果我們看到它活著,那麽在「看」的一瞬間,宇宙分裂了,在我們這個宇宙裏,貓還活著,可是在另一個宇宙裏,貓卻死了。這就是著名的「平行宇宙理論」。

讓我們再來思考一個問題:如果我們這個宇宙真是一個更大宇宙中的泡泡,那麽我們可以逃離這個泡泡嗎?或者,泡泡之外的物質能進入我們這個宇宙嗎?

宇宙家說:我們恐怕逃離不了這個泡泡,因為泡泡的壁正以超光速在膨脹,我們甚至永遠也觀察不到我們這個宇宙的邊緣;而且,如果有什麽東西從大宇宙進入我們的小宇宙,那也發生在宇宙大霹靂發生的時刻。但這些「外來」物質如今早已跟我們宇宙自身的物質混合在一起,難分彼此。

總之,盡管為了解釋許多有關我們宇宙的事情,非得假定有過這麽一個「暴脹」不可,但證明暴脹本身的證據還是付之闕如,暴脹學說在很長時間內還依然只是一個假說。