这个理论中宇宙得以永生:永恒持续暴胀创造出新宇宙

Daphane · 发表于 2019-8-19 07:52:10

來源:环球科学

宇宙源于大爆炸是最成功的宇宙学理论，有诸多观测证据的支持。但它也存在几个难以解释的问题，为此宇宙学家为它打上了暴胀理论这个“补丁”，认为宇宙早期经历过极快的膨胀。而暴胀难以避免地会导致一个惊人的推论：永恒持续的暴胀会不断创造出新的泡泡宇宙，形成有无穷个成员的多重宇宙。　　在这篇节选自环球科学《宇宙专刊》的经典文章中，斯坦福大学物理学教授安德烈·林德（Andrei Linde）为我们详述这个令人惊奇的宇宙观。

科学家曾认为，我们的宇宙是在大爆炸中形成的一个孤零零的火球，但如果我和同事是正确的，那我们或许很快就可以跟这种观点说再见了。我们正在20世纪80年代初诞生的暴胀理论的基础上探索一个新理论。

　　暴胀理论认为，宇宙曾经历了一个“暴胀”阶段，在这个阶段，宇宙在极短的时间内指数式增大，在这一阶段结束之时，宇宙才按照大爆炸模型继续演化。在改进暴胀模型时，我们提出的全新版本暴胀理论断言，宇宙不是一个膨胀着的火球，而是一个不断生长的巨大分形。它由许多暴胀火球组成，这些火球中能产生新的火球，而新的火球接下来又会产生更多的球，就这样永远地持续下去。
　　我们之所以这样做，是想解决旧的大爆炸理论遗留下的某些复杂问题。大爆炸理论的标准模型认为，宇宙是在距今约138亿年时，从一个温度和密度均为无限高的宇宙奇点中诞生的。当然，物理学没办法真正地处理这些无穷大的量。科学家通常认为，现有的物理定律不适用于那个时候。只有在宇宙的密度降到普朗克密度（每立方厘米大约1094克）之下时，这些定律才能生效。
　　宇宙学的6个难题
　　随着宇宙的膨胀，它的温度逐渐降低。但原初宇宙烈焰的余晖仍然以微波背景辐射的形式围绕着我们。这种辐射表明，现在宇宙的温度已降到2.7 K。1965年，贝尔实验室的阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）发现了微波背景辐射，在这一关键证据的支持下，大爆炸理论成了为主流的宇宙学理论。此外，大爆炸理论也能解释宇宙中氢、氦和其他一些元素的丰度。
　　随着研究人员对大爆炸理论的进一步研究，他们发现了一些复杂难解的问题。例如，与现代基本粒子理论相结合，标准大爆炸理论预言宇宙中存在许多带有磁荷（即只有一个磁极）的超重粒子。典型的磁单极子质量相当于质子的1016倍，即约为0.00001毫克。根据标准大爆炸理论，磁单极子在宇宙演化的最初时期就应出现，并且现在的磁单极子丰度应与质子的丰度一样。在此情况下，宇宙中物质的平均密度应比其现在的值高出约15个数量级。
　　磁单极子以及其他一些难题迫使物理学家更用心地审视标准宇宙学理论的各个基本假设，而且我们也发现多数假设是非常可疑的。接下来，我会介绍其中最难解决的6个问题。
　　第一个、也是最重要的一个问题就是：大爆炸是否真的发生过。人们可能会问，在大爆炸之前是什么呢？如果那时不存在时空，万物又是怎样从“无”产生的呢？是谁最先出现，宇宙本身还是决定宇宙演化的定律？有关初始奇点的问题——它究竟开始于何处？从何时开始？仍然是现代宇宙学中最难解决的一个。
　　第二个麻烦之处是空间的平直性。广义相对论认为，空间可能是非常弯曲的，其典型的曲率半径约为普朗克长度，即10-33厘米。然而观测表明，我们的宇宙在1028厘米（宇宙可观测部分的半径）的尺度上差不多是平直的。我们的观测结果同理论预期值相差60多个数量级。
　　关于宇宙的大小，理论和观测值之间也存在类似的差异。宇宙学研究表明，我们可观测的这部分宇宙至少含有1088个基本粒子。但是为什么宇宙这样大呢？假设宇宙的初始直径为普朗克长度，初始密度为普朗克密度，那么根据标准大爆炸理论，我们可以计算出，这样一个典型的宇宙充其量只能容纳10个基本粒子。显然这个理论的什么地方出了差错。
　　第四个问题涉及膨胀的同步性。按照标准的大爆炸理论，宇宙的所有部分都是同时开始膨胀的。但宇宙的所有不同部分怎么能做到同步膨胀呢？谁下的命令？
　　第五个问题是关于宇宙中物质的分布。在非常大的尺度上，物质分布均匀得令人惊讶。在超过100亿光年的尺度上，物质分布偏离完美均匀的程度小于万分之一。长期以来，谁也不知道为什么宇宙会如此均匀，但研究者还要把这当成原理。标准宇宙学的一个基石就是“宇宙学原理”，它断言宇宙一定是均匀的。然而，这一假设没有多大的帮助，因为宇宙中很明显有偏离均匀的情况，例如恒星、星系和其他的物质结团。因此，我们必须既能解释宇宙为什么在大尺度上如此均匀，又能给出某种可以产生星系的机制。
　　最后一个问题就是唯一性问题。自然界物理常数的微小改变就能使宇宙以完全不同的方式展现出来，例如，许多流行的基本粒子理论认为时空最初的维数要比四维多得多。为了使理论计算与我们所在的物理世界相符合，这些模型主张所有额外的维已被紧致化了，即缩小到一个很小的尺度上，因而被隐藏起来。但是人们可能会问，为什么紧致化刚好让时空停止在四维，而不是二维或五维。
　　这些问题（以及我尚未提到的其他问题）都是极为费解的。而在自复制暴胀宇宙理论框架内，其中许多难题都能找到答案，这很振奋人心。

由计算机模拟得出的自复制宇宙是由指数式增大的区域所组成的。每一个区域有着不同的物理定律（用颜色表示）。尖峰代表新的“大爆炸”；它们的高度表示宇宙的能量密度。峰的顶部颜色迅速变化，表明那里的物理定律尚未固定下来。这些物理定律只有在低谷内才固定下来。这些谷中的一个相当于我们现在的宇宙。

　　标量场与暴胀
　　暴胀模型的基本特征来源于基本粒子物理学。因此，我会带读者到这一领域——特别是弱相互作用和电磁相互作用的统一理论——去作一次短暂的旅行。这两种力都是通过粒子发挥作用的。光子传递电磁力；W粒子和Z粒子则传递弱力。光子是无质量的，而W粒子和Z粒子则是非常重的。光子与W和Z粒子之间有着明显的差别，物理学家为了消弭差异，统一弱相互作用和电磁相互作用，引入了所谓的标量场。
　　虽然标量场并不是日常生活中能接触到的东西，但还是有一个我们熟悉的类似物，就是电势，例如电路中的电压。只有在电势分布不均匀（例如在电池的两极之间）或者电势随时间变化的情况下，才会出现电场。如果整个宇宙有着相同的电势，则任何人都不会注意到它；这个电势似乎只是另一种真空态。同样，一个恒定的标量场看来是一种真空：我们看不到它，即使我们被它所围绕。
　　这些标量场充满宇宙，并通过影响基本粒子的性质显示其存在。如果标量场同W粒子和Z粒子发生相互作用，这些粒子就会变重。那些同标量场不发生相互作的粒子，如光子，则仍然是轻的。
　　因此，为了描述基本粒子，物理学家从这样一种理论开始着手，在该理论中，所有粒子最初都是轻的，并且弱相互作用和电磁相互作用之间不存在任何本质差别。它们的差异仅在更晚的时候，即宇宙逐渐膨胀并被各种标量场所充满的时候才出现。这个把各种基本作用力分开的过程被称为对称破缺。出现于宇宙中的标量场，其强度是一个特定的值，大小是由其势能曲线最小值的位置决定的。
　　就像在粒子物理学中一样，标量场在宇宙学中也起着关键的作用。这些标量场提供了导致宇宙快速暴胀的机制。诚然，根据广义相对论，宇宙的暴胀速率大约正比于其密度的平方根。如果宇宙中充满着普通物质，随着膨胀其密度会迅速减小。因此，宇宙膨胀也会因密度减小而迅速减慢。但是，由于爱因斯坦提出的质能等效性，标量场的势能也对膨胀有影响。在某些情况下，势能的减小比普通物质密度的减小要慢得多。
　　势能的稳定性可导致宇宙产生一个极快速膨胀的阶段，即暴胀阶段。即使只考虑最简单的标量场理论，也有可能出现暴胀。这种标量场的势能在场强为零之处达到最小值。这样，标量场越大，势能也就越大。根据爱因斯坦的引力理论，此标量场的能量必定会使宇宙极快速地膨胀。当标量场达到其势能的最小值时，膨胀就减慢下来。

暴胀宇宙中的标量场可以比作在碗里面沿着内壁滚下来的一个小球。碗沿对应于宇宙的普朗克密度，当标量场势能高于它时，量子涨落很强，时空呈“泡沫”状。在碗沿之下（绿色区域），量子涨落较弱，但仍能确保宇宙自我复制。如果球留在碗里，就会进入能量较低的区域（橙色），在这个区域它下滑得非常缓慢。当球接近势能最小值（紫色区域），暴胀就会停止，它会继续左右振荡，加热宇宙。

　　标量场能量降低很缓慢，这对宇宙的膨胀速率来说意义重大。下降如此之慢，以至于在宇宙膨胀过程中，标量场的势能几乎是恒定的，这一特点与普通物质形成鲜明对比。由于标量场的巨大能量，宇宙会继续以极高的速度膨胀，比未引入暴胀的传统宇宙理论预言的速度大得多。在这样的一个区域里，宇宙的大小呈指数增长。
　　这一自我维持的、指数式快速暴胀的阶段持续时间并不长，可能只有10-35秒。一旦标量场的能量衰减，黏度就接近于消失，暴胀也就随之结束。如同球到达碗底时一样，标量场接近其势能的最小值时也会开始振荡。当标量场振荡时，它会失去能量并将能量以基本粒子的形式释放出来。这些粒子彼此相互作用，最终在某一平衡温度稳定下来。从这时开始，就可以用标准的大爆炸理论来描述宇宙的演化了。
　　混沌暴胀
　　虽然在概念上看来很简单，但暴胀理论实际上并不简单。科学家很早就开始尝试得出宇宙有一个指数式膨胀的阶段。
　　暴胀理论的第一个现实模型是于1979年由莫斯科朗道理论物理研究所的阿列克谢·斯塔罗宾斯基（Alexei Starobinsky）提出的。斯塔罗宾斯基模型在俄罗斯天体物理学家中引起了轰动，在接下来的两年时间中它都是苏联所有宇宙学会议上讨论的主题。但他的模型相当复杂（它基于一个有关量子引力中反常现象的理论），并且对暴胀实际上怎样开始语焉不详。
　　1981年，麻省理工学院的艾伦·古斯（Alan Guth）提出，处于某一中间阶段的炽热宇宙可能指数式膨胀。古斯的理论认为，宇宙是在处于不稳定的过冷状态时发生暴胀的。利用过冷现象来解决大爆炸理论的诸多难题，这个想法很有吸引力。不幸的是，正如古斯本人所指出的那样，他的模型中暴胀后的宇宙变得非常不均匀。在研究这个模型一年之后，古斯放弃了该模型。
　　1982年，本文作者提出了所谓的新暴胀宇宙图景，宾夕法尼亚大学的安德烈亚斯·阿尔布雷克特（Andreas Albrecht）和保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）也于晚些时候发现了这种模型。这种模型摆脱了古斯模型所遇到的主要难题。但它仍相当复杂，并且不太现实。
　　一年之后，我才认识到，在许多基本粒子理论中暴胀是一个自然涌现的特征，这些理论中包括上面讨论过的最简单的标量场模型。根本不需要量子引力效应、相变、过冷、乃至宇宙最初温度极高的标准假设。物理学家只要考虑早期宇宙中标量场的所有可能种类和数值，然后查看是否有一种标量场能导致暴胀。未发生暴胀的地方仍然是很小的，而发生了暴胀的那些区域则指数式增大并几乎占据了整个宇宙。由于早期宇宙中各标量场都可取任意值，因而我将这一模型称为“混沌暴胀”（Chaotic inflation）。
　　宇宙的快速膨胀能同时解决许多困难的宇宙学问题，这看来似乎太过理想，让人难以相信。的确，如果所有的非均匀现象都因扩张而消除掉了，那么星系又是怎样形成的呢？答案是，暴胀在消除先前存在的非均匀性的同时，又制造出了一些新的非均匀性。
　　这些新的非均均性是由于量子效应而出现的。根据量子力学，真空并不是完全空的。真空充满着微小的量子涨落。这些涨落可以看成是波，即物理场的波动。这些波具有所有可能的波长，并在所有方向上运动。我们探测不到这些波，因为它们只是短暂地存在，并且很微弱。

混沌暴胀图景中的宇宙演化过程与标准大爆炸理论不同。暴胀把宇宙放大了1010^12倍，即使是直径只有10-33厘米（普朗克长度）的一块区域，也会变得比整个可观测宇宙都要大。暴胀理论也预言空间会是非常平直的，在这样的空间中，平行线永远都是“平行”的。（在闭合宇宙中，平行线会相交，在开放宇宙中则会彼此分离。）与暴胀理论不同，原始的热大爆炸理论只会让大小相当于普朗克尺度的宇宙增大到0.001厘米，而且它预言的空间几何性质也是截然不同的。

　　在暴胀宇宙中，真空结构变得更为复杂。暴胀会迅速地拉伸这些波。而一旦其波长变得足够大，波的起伏就开始受到宇宙空间曲率的影响。这时，由于标量场的黏度，这些波会停止运动。
　　最先冻结的是那些波长较长的波。随着宇宙的继续膨胀，新的量子涨落又会被拉伸，然后也被冻结，叠加在其他已冻结的波上面。在这一阶段，我们已经不能再把这些波称为量子涨落。它们中大多数的波长都已经非常大了。由于这些波既不运动也不消失，所以它们在某些区域增大了标量场的值，而在另一些区域又使标量场的值减小，因此导致了不均匀性。标量场的这些扰动又引起了宇宙的密度扰动，这些扰动对于以后星系的形成是至为关键的。
　　宇宙在永恒暴胀？
　　下面到了本文最有趣的部分：永恒存在、自我复制的暴胀宇宙理论。在混沌暴胀模型的框架下，这一理论得出了最具戏剧性的结果。
　　正如我已经谈到的那样，人们可以把暴胀宇宙内标量场的量子涨落看成是波。这些波最初在所有可能的方向上运动，然后互相叠加地冻结起来。每一个冻结的波都稍微增大了宇宙某些区域的标量场，同时又减小了另外一些区域的标量场。
　　现在，考虑宇宙中那些新冻结的波使得标量场持续增大的地方。这些区域是极罕见的，但它们的确存在，而且可能极为重要。宇宙中这些标量场陡增到足够大的稀有区域，会以越来越高的速度呈指数式膨胀。标量场突增得越高，宇宙膨胀的就越快。很快这些稀有区域的体积就会远远超过其他区域。
　　根据这一理论可以得出，如果宇宙至少含有一个足够大的暴胀区，它就会不停地产生新的暴胀区。每个特定位置的暴胀都会迅速结束，但其他许多地方仍将继续暴胀。这些区城的总体积将无止境地增大。实质上，一个暴胀宇宙会生长出其他的暴胀泡，而这些泡接下来又会产生新的暴胀泡。
　　我称这个过程为为永恒暴胀，它作为一种连锁反应会持续进行下去，产生出一个类似分形的宇宙模式。在这个图景中，总的来说宇宙是永生的。宇宙的每一特定部分都可能来自过去的某一个奇点，有可能在将来的某一奇点结束。但是，整个宇宙的演化没有终点。
　　宇宙最初的起源则比较难以确定。有可能，宇宙的所有部分都是同时诞生于一个初始的大爆炸奇点。然而，这一假设已经不再是那么必要了。此外，在我们的“宇宙树”上，暴胀泡的总数随着时间的推移是指数增长的。因此，大多数暴胀泡（包括我们自己的这部分宇宙在内）都会长得远离宇宙树的主干。我们可以把每一个暴胀泡的形成时刻看成是一个新的“大爆炸”。从这个角度来看，暴胀已不再如我们过去认为的那样是大爆炸理论的一部分。相反，大爆炸是暴胀模型的一部分。
　　情况是否会变得更为古怪呢？答案是肯定的。到此为止，我们考虑的是只有一个标量场的最简单暴胀模型，它仅有一个势能的最小值。同时，一些基本粒子理论提出了多种标量场供选择。例如，在弱、强和电磁相互作用的统一理论中，至少还有另外两种标量场。这些标量场的势能可以有若干不同的最小值。这意味着，同一个理论可能有不同的“真空态”，不同的真空态对应着不同类型的基本相互作用对称破缺，其结果就是不同的低能物理定律。（在极高能量下粒子的相互作用与对称破缺无关。）
　　标量场的这些复杂情况意味着，宇宙在暴胀之后可分裂成各具不同低能物理定律的指数膨胀区域。要注意的是，即使整个宇宙最初具有一个特定的势能最小值，也就是开始于同一状态，这种分裂也会发生。实际上，大的量子涨落会导致标量场从它们的最小值跃迁出来。也就是说，它们能把某些球从碗中摇晃出来，让它们落入另一个碗里。每一个碗都有着另外一套粒子相互作用定律。在某些暴胀模型中，量子涨落如此之强烈，甚至空间和时间的维数也会发生改变。

自我复制宇宙看起来是不断延伸分叉的暴胀泡。颜色变化表示分支宇宙中的物理定律与母宇宙不同。每个泡中的空间性质取决于它形成的时间。在这个意义上，宇宙整体上是稳恒的，尽管其中的每个泡都在按照大爆炸理论演化。

　　如果这类模型是正确的，仅仅依靠物理学是无法对我们所在宇宙的性质做出完整解释的。同一个物理理论可以得出若干个具备不同特性的宇宙区域。根据这类模型，我们之所以位于这样一个具有我们熟知的物理定律的四维区域内，并不是因为其他具备不同维数和不同特性的区域不可能存在或存在概率太低，仅仅是由于我们这样的生命形态在其他区域内不可能存在。
　　这是否意味着，要了解宇宙中我们这部分区域的所有特性，除了物理学知识外还需要深入研究我们本身的性质，或许甚至还包括我们意识的性质呢？这肯定是暴胀宇宙学的最新进展所得出的一个最出乎意料的结论。
　　暴胀理论演变出了一个全新的宇宙模型，它显然不同于老的大爆炸理论，甚至也不同于暴胀模型最初的那些版本。在这一新模型中，宇宙看来既是混沌的又是均一的，既是膨胀的又是静止的。我们的宇宙家园在增大、波动，并且以所有可能的形式永恒地复制其自身，好像是在调整自己，来供养所有可能的生命类型。
　　我们希望，这一新理论的某些部分在未来能经受住考验。理论的其他部分应该会进行大幅度的修改，以符合新的观测数据和一直在变化的基本粒子理论。不管怎样，过去这些年宇宙学的发展，已不可逆转地改变了我们对宇宙结构和命运。

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