奇点大爆炸的瞬间到底发生了什么?为何很快就炸出那么大的宇宙?

通过哈勃对宇宙天体红移现象的探测和总结,在此基础上科学家们推测出了宇宙正在不断加速膨胀的事实。然后再利用宇宙微波背景辐射等辅助探测手段,最终判定宇宙的年龄为138亿年,在138亿年前,整个宇宙还没有时间和空间的概念,所有的物质和能量都集中在一个体积无限小、质量无限大的奇点之上,然后在量子涨落的影响下,出现了能量的瞬间极速爆发,最后炸出了现在的宇宙,这就是我们通常说的“宇宙暴涨”猜想。

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这种猜想,是截至目前对宇宙形成和发展进程最科学、最完美、最大胆的假设,并且已经被多种天文观测现象所证实,成为目前科学界关于宇宙形成和发展的主流观点。当然我们以现在的科学技术水平,无法准确还原奇点大爆炸瞬间的情景,在那个期间到底发生了什么?宇宙暴涨时的能量从何而来呢?这些都是长期以来乃至今后很长时间,天文学家们需要重点研究的领域。

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当前对奇点大爆炸后所发生事件的猜测

科学家们通过对宇宙宏观结构以及大爆炸以后的“余晕”进行了长期的观察,认为宇宙在诞生初期,经历了一段“短暂”的极快膨胀期,这个“宇宙暴涨”进程,使得宇宙空间在极短的时间内,体积增大了无数倍。

根据科学家们的推测,在奇点大爆炸开始后的一个普朗克时间,即10^(-43)秒内,就完成了扩张的主要进程,在此过程中引力最先从“大一统超力”中分离出来。在随后到10^(-32)秒这段时间内,宇宙开始了暴涨,总体表面是温度相当高、秩序相当乱,这些都是超高能量的集中体现。在高温高压下,剩余的强相互作用力、弱相互作用力和电磁力仍然是统一的。

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如果在这个极短的时间内,如果空间的膨胀速率小于临界阈值,那么在超强统一作用力的驱动下,宇宙根本不会膨胀开来,而仍然会迅速坍塌。幸好在暴涨时期,随着宇宙体积的急剧加倍,能够制造出粒子的总能量变得非常大,所有的“规则”都被抹平,就如同吹气球一般,表面根本没有一丝褶皱。从大爆炸后的10^(-32)秒开始,随着宇宙空间的迅速膨胀,温度出现明显下降(相对来说),统一超力的对称性因粒子能量的降低而破坏,强核力、电磁力和弱核力相继被分离了出来。

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此时,虽然电磁力被分离了出来,但是宇宙大爆炸后产生正反粒子的频率仍然非常之高,相互之间的湮灭异常频繁,所形成的光子能量极其强大,不断地与核子和电子发生猛烈碰撞,原子核在这种情况下根本无法形成,光子也因此被“锁”在了等离子云中而逃逸不出来,这段宇宙的“黑暗时期”一直持续到大爆炸后的38万年前。

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直到大爆炸后38万年,随着空间的继续膨胀,宇宙整体温度持续下降,光子能量日益降低,原子核才得以形成,构成了宇宙中第一批自由中性原子,光子才得以从“等离子粥”中逃离出来,宇宙变得明亮起来。此后,这些自由原子在引力作用下慢慢发生聚集,最后形成了恒星、行星以及星系。而我们现在对宇宙的观测,都依赖于对电磁波,所以目前穷极一切手段,也只能探测到宇宙大爆炸之后38万年的情景,再往前就无能为力了。

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科学界对宇宙暴涨的疑问

从当前科学家们对“宇宙暴涨”的猜测,这其中有一个最基本的假设,那就是在空间膨胀的过程中,最微弱的、随机性的量子波动被无限放大,然后微观尺度上的物质差异逐渐演化为宏观水平,直至星系甚至宇宙的两端,而这种暴涨的过程,是在宇宙大爆炸之后不足1秒时发生的。

然而,这里面始终有困扰科学家们的问题,那就是宇宙暴涨的驱动力是什么?暴涨的能量来自于何方?到底持续了多长时间?又是什么力量终止了宇宙的暴涨,使其进入“缓慢“膨胀阶段?从目前来看,科学界还没有对这一“终极”问题缺乏完整的物理描述。终其原因,归根结底,我们还是没有在微观和宏观尺度下,拥有一套大一统的物理理论。

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现有对宇宙暴涨猜想的多种模型,都需要将宇宙增长到大非常宏观的级别作为基础,这样方可将奇点大爆炸时普朗克长度(约为1.6×10-35米)上的微观物质区别,放大到非常宏观的尺度来研究探讨,然而我们对普朗克长度及以下的微观物理机制并不掌握,甚至连“入门”都谈不上,这个基础没有,如何使得宇宙暴涨模型成立有效呢?如果这个问题解决不了,那么暴涨理论岂不永远是猜想?

跨普朗克猜想

或许这个问题,在相当长时间内或者永远也不会找到答案,但这阻止不了科学家们的思考。有科学家提出了“跨普朗克猜想“,即猜测物理机制在一切小于普朗克长度下的情景。

因为处在宏观世界的我们,永远“看不到”跨普朗克尺度下所发生的一切事情,即使物理学家们创立了量子理论,但跨普朗克尺度下的微观世界,也永远不可能进入到宏观世界中。所以,在很多宇宙暴涨理论中,都依赖于“有效场”进行研究,试图从低能量的情况入手,来研究高能量、微观小尺度下的物理机制。但有科学家对基于“跨普朗克”的“有效场”理论也提出了质疑,因为我们按照这种方式来解释暴涨过程,由于暴涨的时间非常快,我们一切的观察,都会打破原有的普朗克尺度世界,而是不可避免地将其“暴露”在宏观世界面前。

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弦理论是否可以解决?

为了解决微小尺度与宏观尺度的“融合”问题,科学家们创立了“弦理论”,该理论认为,自然界中组成物质的基本单元,并非是电子、光子、夸克等占据空间的点状粒子,而是非常非常细小的一维“弦”,通过弦的振动和运动,产生出了各种不同的粒子,能量和物质在弦振动的过程中发生转化。虽然弦理论从目前看,也是一种猜想,并未得到证实,但是它有可能是能够将经典物理与量子物理统一起来的理论。

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在弦理论的一个分支领域“弦气体模型”中,对宇宙快速暴涨的原因也做出了阐释。该模型认为,宇宙的形成和发展过程中,根本没有经历过所谓的快速暴涨期,虽然也有膨胀过程,但是要缓慢和温和很多,并且在普朗克尺度下的波动,也没有“暴露”在宏观宇宙中,这一点与跨普朗克猜想相符合。但是,宇宙暴涨的猜测,与弦理论下关于多元宇宙的观点却不兼容,走出这个“沼泽地”仍任重道远。

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