物理宇宙学百科

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暴胀宇宙

2012-10-27 23:43:48 本文行家:宇宙与道

暴涨宇宙理论(Inflationary-eratheory):这是关于大爆炸宇宙理论初始态的理论,认为在最初的真空中有一种推动力推动宇宙以超光速膨胀。

暴涨宇宙理论 - 简介

暴涨宇宙理论(Inflationary-era theory):这是关于大爆炸宇宙理论初始态的理论,认为在最初的真空中有一种推动力推动宇宙以超光速膨胀。

暴涨宇宙理论 - 概述

有科学家认为,在宇宙形成初期经历过一段暴涨期。对于宇宙的起源,仍然有很多问题: 
第一.为什么宇宙在大尺度如此的均匀?背景辐射的温度也一样?除非宇宙的不同区域刚好从同样的温度开始! 
第二.又为什么我宇宙会以如此接近临界的速率膨胀?如果它在大爆炸后1秒钟的时刻其膨胀速率只要小十亿亿分之一,那么宇宙早以坍缩! 
第三.宇宙非常光滑和规则,而从概率上来讲,紊乱的和无规则宇宙的数量应该占绝对优势,因为宇宙初始状态的选择是随机的。为何恰巧遇到这样渺茫的几率呢?

暴涨宇宙理论 - 解释这种现象

为了解释这些现象,麻省理工学院的学者阿伦·固斯提出了“暴涨宇宙模型”。他认为,早期的宇宙不是象现在这样以递减的速率膨胀,而是存在着一个快速膨胀的时期,宇宙的加速度膨胀使其半径在远远小于1秒钟的时间里增大了100万亿亿亿(1的后面跟30个0)倍。 
固斯认为,大爆炸的状态是非常热和相当紊乱的。这些高温表明宇宙中的粒子具有极高的能量。在如此的高温下,强相互作用力、弱相互作用力和电磁力都被统一成为一个力;当宇宙膨胀并变冷,力之间的对称性由于粒子能量降低而被破坏,强力、弱力和电磁力变得彼此不同。这就好象液态水在各个方向上性质都相同,而结冰形成晶体后,就变成了各向异性,水的对称性在低能态被破坏了。 
当宇宙暴涨时,它所有的不规则性都被抹平,就如同吹涨一个气球时,它上面的皱摺都被抹平一样。 
暴涨模型还能解释为什么宇宙中存在着这么多物质。在量子理论里,粒子可以从“粒子——反粒子对”的形式从能量中创生出来。这些粒子和反粒子具有正能量,而这些粒子的质量产生的引力场具有负能量(因为靠得较近的物体比分开得较远的物体能量低),宇宙的总 能量为零,这保证了能量守恒不被破坏。零的倍数仍然为零,在暴涨时期宇宙体积急剧加倍的过程中,可以制造粒子的总能量变得非常之大,以致于我们的宇宙现在大约拥有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿(1后面跟80个零)个粒子。固斯是这样形容这件事的:“宇宙是最彻底的免费午餐!” 
而暴涨理论的本质是什么呢?我们可以这样来假设:在宇宙奇点坍缩至密度大到一定程度之后,由于其密度之大,已大到连“引力子”(一种传播弱力的场粒子)也发射不出。一旦出现此种情况,由于原来物质之间爱着强大的引力束缚,引力一旦消失,其强大的斥力突然得不到平恒,因此便把里面大量的物质给抛了出来。(这段是假设宇宙诞生的形式。) 
假设哈勃定律是正确的,那么就有: 
V(t)=hS(t);dS(t)=V(t)dt=hS(t)dt,积分后可以得到S=S(0)eht(指数)。 
其中:V是速度,S是距离,H是哈勃常数,T是时间。S(0)是初始距离。 
很明显初期宇宙是暴涨的,似乎有一个向外的力。 
进一步可以得到A(加速度)=S(0)h*heht(ht是指数)。

暴涨宇宙理论 - 理论的出现

“暴涨宇宙论”认为,“初期宇宙曾经发生过膨胀速度高到无法想象的超急剧膨胀”。 
当然,地点不同,温度会有所不同。但是如果只考虑初期宇宙中极小的一块区域,则可以认为这个小区域具有均匀的温度。如此小的一块区域,在它还来不及非均匀化的一瞬间如果就急剧膨胀为很大的宇宙的话,那么在这个宇宙中的温度自然也就是基本均匀的。按照这种思路,那么,在现在的宇宙中观测到来自宇宙一切方向的背景辐射所对应的温度基本一致,也就不足为怪。 
宇宙初期的这种急剧膨胀就是“暴涨”。按照暴涨宇宙论,暴涨期的宇宙在10的几十次方分之1秒的瞬间便增大了好几十个数量级。这种暴涨的急剧程度,是暴涨结束以后宇宙继续进行的那种膨胀的速度完全无法比拟的。就这样,暴涨宇宙论解决了大爆炸模型遇到的这个难题。“暴涨”的想法也解决了大爆炸模型遇到的其他难题,这其中就有一个“磁单极子问题”。磁单极子是一种还没有发现的据认为只有N极或者只有S极磁性的基本粒子。 
我们知道,电有正电和负电之分,二者可以分离,但是,对于磁性,却不能将N极和S极分离开来。一块磁体,无论把它分割到多么小,也总是同时具有N极和S极。 
然而,根据基本粒子物理学的理论,在初期宇宙应该有大量的磁单极子。可是我们知道,现在的宇宙却不存在大量磁单极子。这也是大爆炸模型无法说明的一个问题。 
但是,如果初期宇宙发生过暴涨,那么在现在的宇宙中,磁单极子的密度自然应该已经变得极其稀薄。在现在的宇宙中磁单极子的密度既然极其低,那么观测不到磁单极子也就是十分自然的事情。 
是什么导致了宇宙急剧膨胀?还没有找到的暴涨子.
暴涨宇宙论解决了大爆炸模型解决不了的几个难题,那么,宇宙急剧膨胀的原因是什么?作用在物体之间的万有引力,是能够导致宇宙收缩的“吸引力”。宇宙发生暴涨,则必须要有抗衡万有引力的某种“排斥力”在发挥作用才有此可能。 
其实,最早提到引起宇宙膨胀所必需的斥力的人是建立广义相对论的爱因斯坦(1879~1955)。根据广义相对论,可以把空间看作具有像橡胶那样的伸缩性质。 
爱因斯坦把广义相对论应用到全部宇宙,他立即就得到一个令人吃惊的结果。理论预言,宇宙在遍布各处的星系的引力的作用下,应该收缩。 
但是,爱因斯坦坚持的是“宇宙是静态的,不应该收缩”的信念,于是他在1917年提出,“空间自身具有一种斥力效应,能够抵消物质万有引力的那种吸引效应。”他把空间具有的这种斥力叫做“宇宙斥力”,或者叫做“宇宙常数(宇宙项)”。所以有后者名称,是因为在广义相对论的方程中,宇宙斥力被表示为一个常数。 
但是,哈勃的观测揭示出宇宙其实是动态的,爱因斯坦发现自己错了,于是收回了自己先前的看法。据传,爱因斯坦曾说他的宇宙斥力概念是他“一生中最大的失败”。 
然而,暴涨宇宙论的出现,却不得不考虑在初期宇宙存在着某种与宇宙斥力相类似的“东西”,正是那种东西的能量充满了初期宇宙的真空。“真空”,按照字面意思是“什么也没有的空间”,说什么“充满了真空的东西”,听起来自然是很怪的。根据现代物理学,去除了物质的空间,其中的确还剩下有某种不是物质的东西。 
导致暴涨的那种“东西”究竟是什么,现在还不清楚。 
关于宇宙膨胀说 
许多科学家认为宇宙是在不断膨胀的,有现象表明宇宙的面积从诞生到现在已经扩大了近三分之一,这理论来自与行星与卫星之间的距离差。 
但这一理论至今没有被有力的证据证实,其最大的难题是宇宙要膨胀需要外层空间,那么外层空间又是什么呢?没有人能解释,所以这一理论被科学界定为有待发现的潜力学说。

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