29.6: 通货膨胀世界
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述宇宙的两个重要特性，简单的大爆炸模型无法解释这些属性
- 解释一下，如果宇宙在宇宙大爆炸之后有一段快速扩张（通货膨胀）时期，为什么可以解释宇宙的这两个特征
- 说出控制宇宙中所有物理过程的四种力量
我们一直在描述的热门大爆炸模型非常成功。 它解释了宇宙的扩张，解释了招商银行的观测结果，并正确预测了轻元素的丰度。 事实证明，该模型还预测自然界中应该有三种类型的中微子，高能加速器的实验证实了这一预测。 但是，我们现在还不能放松。 这个标准的宇宙模型并不能解释我们对整个宇宙所做的所有观测。
标准 Big Bang 模型存在问题
宇宙的许多特征只能通过进一步考虑招商银行发射之前可能发生的事情来解释。 标准宇宙大爆炸模型的一个问题是，它无法解释为什么宇宙的密度等于临界密度。 毕竟，质量密度本来可以如此之低，暗能量的影响如此之大，以至于膨胀速度太快，根本无法形成任何星系。 或者，可能有太多的物质，以至于宇宙早就开始收缩了。 为什么宇宙在临界密度的刀刃上如此精确地平衡？
另一个难题是宇宙的非凡均匀性。 无论我们看到哪里，招商银行的温度都与大约十万分之一的温度相同。 如果可见宇宙的所有部分在某个时间点接触并且有时间达到相同的温度，那么这种相同之处是可以预料的。 同样，如果我们在一杯温水中放些冰然后等一会儿，冰就会融化，水会冷却直到温度相同。
但是，如果我们接受标准的 “宇宙大爆炸” 模型，则可见宇宙的所有部分在任何时候都不会接触。 信息从一个点传输到另一个点的最快是光速。 自宇宙开始以来，光可以从任何地点传播的最大距离——这是自那时以来光可以覆盖的距离。 这个距离称为该点的地平线距离，因为任何距离更远的东西都在 “其地平线以下” ——无法与之接触。 在整个宇宙历史中，一个空间区域与另一个区域相隔的距离超过地平线距离，已经与之完全隔离。
如果我们在天空中以两个相反的方向测量 CMB，我们就是在观测到 CMB 发射时明显超出彼此视野距离的区域。 我们可以看到这两个区域，但它们永远看不到对方。 那么，为什么它们的温度如此完全一样呢？ 根据标准的Big Bang模型，它们从未能够交换信息，也没有理由让它们具有相同的温度。 （这有点像看到世界各地两所学校的所有学生穿的衣服变得完全相同，学生们从未接触过。） 我们可以提出的唯一解释就是宇宙一开始就完全统一（就像说所有学生天生都喜欢同样的衣服）。 当科学家必须诉诸一系列特殊的初始条件来解释他们所看到的情况时，他们总是感到不舒服。
通货膨胀假说
一些物理学家认为，如果宇宙大爆炸后不久（以及招商银行发射之前），宇宙的大小突然增加，那么宇宙的这些基本特征——它的平坦度和均匀性——是可以解释的。 发生这种快速早期扩张的模型世界被称为通货膨胀世界。 在最初的10 -30 秒之后，通货膨胀的宇宙一直与宇宙大爆炸的宇宙相同。 在此之前，该模型表明，曾有一段短暂的快速扩张或通货膨胀时期，在此期间，宇宙的规模比标准宇宙大爆炸模型预测的增长了约1050倍（图\(\PageIndex{1}\)）。
在通货膨胀之前（和期间），我们现在能看到的宇宙的所有部分都很小，彼此靠近，可以交换信息，也就是说，地平距离包括了我们现在可以观测到的所有宇宙。 在通货膨胀之前（和期间），有足够的时间让可观测的宇宙自身均质化并达到相同的温度。 然后，通货膨胀极大地扩大了这些区域，因此宇宙的许多部分现在已经超出了彼此的视野。
通货膨胀模型的另一个吸引力在于它预测宇宙的密度应完全等于临界密度。 要了解为什么会这样，请记住时空的曲率与物质的密度密切相关。 如果说宇宙是从时空的某种曲率开始的，那么一个比喻可能是气球的皮肤。 通货膨胀时期相当于将气球炸成巨大规模。 宇宙变得如此之大，以至于从我们的角度来看，不应该看到任何曲率（图\(\PageIndex{2}\)）。 同样，地球的表面如此之大，无论我们身在何处，它对我们来说看起来都很平坦。 计算表明，没有曲率的宇宙就是处于临界密度的宇宙。 密度高于或低于临界密度的宇宙将显示明显的曲率。 但是我们看到，招商银行的观测结果表明宇宙具有临界密度，排除了空间明显弯曲的可能性。
大统一理论
尽管通货膨胀是一个有趣的想法，并被研究人员广泛接受，但我们无法在宇宙这么早就直接观察事件。 通货膨胀时的条件非常极端，以至于我们无法在实验室或高能加速器中复制它们，但是科学家们对宇宙可能是什么样子有一些想法。 这些想法被称为 “大统一理论” 或 GUT。
在 GUT 模型中，我们在地球上熟悉的力，包括重力和电磁学，在早期宇宙的极端条件下的行为与今天截然不同。 在物理科学中，“力” 一词用于描述任何可以改变粒子或物体运动的东西。 现代科学的显著发现之一是，所有已知的物理过程都可以通过四种力量的作用来描述：重力、电磁学、强核力和弱核力（表\(\PageIndex{1}\)）。
| 原力 | 今天的相对实力 | 行动范围 | 重要应用程序 |
|---|---|---|---|
| 重力 | 1 | 整个宇宙 | 行星、恒星、星系的运动 |
| 电磁学 | 10 36 | 整个宇宙 | 原子、分子、电、磁场 |
| 核力量弱 | 10 33 | 10 —17 米 | 放射性衰变 |
| 强大的核力量 | 10 38 | 10 —15 米 | 原子核的存在 |
重力可能是最熟悉的力量，如果你跳下高层建筑，它肯定会显得很强大。 但是，两个基本粒子（比如两个质子）之间的重力是迄今为止四种力中最弱的一种。 如图所示，电磁学（包括磁力和电力，将原子固定在一起，产生我们用来研究宇宙的电磁辐射）要强得多\(\PageIndex{1}\)。 弱核力量仅与其强大的 “表亲” 相比弱，但实际上它比重力强得多。
弱核力和强核力与前两种力的不同之处在于，它们只能在很小的距离内起作用，这些距离相当于或更小的原子核的大小。 弱力与放射性衰变和导致中微子产生的反应有关。 强大的力量将质子和中子聚集在原子核中。
物理学家想知道为什么宇宙中有四种力量——为什么不是 300 或者最好只有一种？ 一个重要的提示来自电磁力这个名字。 很长一段时间以来，科学家们一直认为电力和磁力是分开的，但詹姆斯·克莱克·麦克斯韦（参见《辐射与光谱》一章）能够将这些力量统一起来，表明它们是同一个现象的各个方面。 同样，许多科学家（包括爱因斯坦）都想知道我们现在所知道的四种力量是否也可以统一。 物理学家实际上已经开发出能够统一四种力中的三种（但不包括重力）的 GUT。
在这些理论中，强、弱和电磁力不是三种独立的力，而是实际上是单一力的不同表现形式或方面。 理论预测，在足够高的温度下，只有一种力。 但是，在较低的温度下（如今宇宙中的温度），这种单一力已经变成了三种不同的力（图\(\PageIndex{3}\)）。 就像不同的气体或液体在不同的温度下冻结一样，我们可以说不同的力量在不同的温度下 “冻结” 了统一力。 不幸的是，这三种力作为一种力起作用的温度太高，以至于地球上的任何实验室都无法达到它们。 只有早期的宇宙，有时在10 -35 秒之前，才足够热，足以统一这些力量。
许多物理学家认为，在更高的温度下，重力也与其他三种力结合在一起，科学家们试图开发一种将所有四种力结合在一起的理论。 例如，在弦论中，我们在本书中讨论的点状物质粒子被称为字符串的一维物体所取代。 在这个理论中，有长度但没有高度或宽度的无穷小弦是构造宇宙中所有形式的物质和能量的基石。 这些字符串存在于 11 维空间中（不是我们熟悉的四维时空）。 琴弦在不同的维度上振动，根据它们的振动方式，它们在我们的世界中被视为物质、重力或光。 你可以想象，弦理论的数学非常复杂，而且这个理论仍然没有经过实验的检验。 即使是地球上最大的粒子加速器也无法获得足够高的能量来表明弦理论是否适用于现实世界。
弦理论对科学家来说很有趣，因为它是目前唯一一种似乎有可能将所有四种力量结合起来产生物理学家所谓的 “万物理论” 的方法。 1 宇宙最早阶段的理论必须同时考虑量子力学和引力，但在最简单的层面上，重力和量子力学是不相容的。 广义相对论是我们最好的引力理论，它说物体的运动可以精确预测。 量子力学说，你只能计算物体做某事的概率（几率）。 弦理论试图解决这个悖论。 支撑弦理论的数学既优雅又漂亮，但它能否做出预测还有待观察，这些预测可以通过地球上尚未开发的高能加速器的观测来检验，也可以通过对早期宇宙的观测来检验。
宇宙历史上从零到10 -43 秒的最早时期被称为普朗克时间。 宇宙是难以想象的炎热和密集，理论家们认为，目前，重力的量子效应主导了物理相互作用——而且，正如我们刚才讨论的那样，我们还没有经过验证的量子引力理论。 据推测，通货膨胀发生得稍晚一些，当时宇宙大概在 10-35 到 10 —33 秒之间，温度为 10 27 到 10 28 K。这种快速膨胀发生在三种力量（电磁、强和弱）存在时被认为是统一的，这就是 GUT 适用的时候。
通货膨胀之后，宇宙继续扩张（但速度更慢）并降温。 当温度降至10 15 K，宇宙年龄为10 -10 秒时，达到了一个重要的里程碑。 在这种情况下，所有四支部队都是分开和截然不同的。 高能粒子加速器可以达到类似的条件，因此从那时起，宇宙历史的理论在实验中有了坚实的基础。
到目前为止，我们还没有直接证据证明通货膨胀时代的情况如何，这里提出的想法是推测性的。 研究人员正在尝试设计一些实验测试。 例如，早期宇宙中的量子波动会导致密度的变化并产生可能在招商银行上留下可察觉的印记的引力波。 要探测这种印记，就需要使用灵敏度比我们今天的设备有所提高的设备进行观测。 但是，归根结底，它可能会证实我们生活在一个曾经经历过快速通货膨胀时代的宇宙中。
如果你是读过这本书的典型学生，你可能会发现这篇关于暗物质、通货膨胀和宇宙学的简短讨论有点令人沮丧。 我们已经简要介绍了理论和观察，但提出的问题比我们回答的问题还要多。 什么是暗物质？ 什么是暗能量？ 通货膨胀解释了对大学平坦度和均匀性的观察，但它真的发生了吗？ 这些思想处于现代科学的最前沿，现代科学的进步几乎总是会带来新的难题，在我们看得清楚之前，还需要做更多的工作。 请记住，自哈勃证明其他星系的存在以来已经过去了不到一个世纪。 寻求了解星系宇宙是如何形成的，这将使天文学家在未来很长一段时间内忙碌。
摘要
Big Bang 模型没有解释为什么招商银行在各个方向的温度都相同。 它也不能解释为什么宇宙的密度如此接近临界密度。 如果宇宙在宇宙大爆炸之后经历了一段快速扩张时期，科学家称之为通货膨胀，则可以解释这些观测结果。 正在开发新的大统一理论（GUT），以描述通货膨胀发生之前和之时的宇宙物理过程。
脚注
3 这个名字在2014年成为一部关于物理学家史蒂芬·霍金的电影的标题。
词汇表
- 宏伟的统一理论
- （GUT）试图将自然的四种力量描述为单一力量的不同表现形式的物理理论
- 通货膨胀世界
- 一种宇宙学理论，其中假设宇宙经历了一个非常快速的扩张阶段，当时宇宙已经存在了大约10-35秒；在这段快速扩张时期之后，标准的宇宙大爆炸和通货膨胀模型是相同的