暴涨的宇宙

David Lindley　文　Shea　编译

30年前，《物理学评论D》中的一篇论文彻底地改变了我们对宇宙起源的认识。它证明，来自粒子物理学的新观点暗示宇宙在其诞生之后极短的时间里可能经历了一个高速膨胀的时期。这一被称为暴涨的阶段可以解释我们的宇宙是如何演化出所观测到密度和均匀性的。暴涨不仅成为了宇宙学理论的核心原则，它还意味着任何有抱负的宇宙学家都必须要学习粒子物理学。

[图片说明]：宇宙诞生和演化的时间线。

在20世纪70年代，粒子物理学家开始构建大统一理论（GUT），它认为在超过10¹⁵千兆电子伏特的温度或者能量之上电磁力、强核力和弱核力是相同的。在标准的大爆炸模型中，宇宙初始时的高温足以达到大统一的状态。然后，在宇宙年龄大约10^-35秒的时候，强核力脱离了仍然统一在一起的弱电力。理论家意识到，这一转变会导致一个与宇宙学观测不符的结果，那就是它会产生大量的孤立磁北极和磁南极，或者称为磁单极。

当时宇宙学中还存在着两个看似无关的问题。第一个是均匀性问题。宇宙膨胀得如此之快以致于今天可观测宇宙中的所有区域都没有足够的时间通过交换物质和能量来使得它们的温度和密度相当。但为什么宇宙到处看起来却或多或少都是相同的呢？

第二个问题是我们的宇宙看起来几乎是“平直”的——在最大的距离尺度上时空仅具有很小或者没有曲率。但是在宇宙学标准模型中，任何开始时具有微小曲率（或正或负）的宇宙随着自身的膨胀都会和平直时空差得越来越大。在超过100亿年之后还要让宇宙几乎是平直的就犹如让一支铅笔永远用笔尖保持平衡一样困难。

1979年底，当时在美国斯坦福直线加速器中心的艾伦·古斯（Alan Guth）意识到，他和他的同事最近所给出的一个磁单极问题的解决方案也能解决这两个主要问题。这个解涉及到GUT的一个要素，被称为希格斯场。希格斯场弥漫于整个空间中。随着宇宙膨胀冷却，当希格斯场从一个值转变成另一个值时，强核力就与其他力分离了开。为了解决磁单极问题，之前同在美国康奈尔大学的古斯和亨利·泰（Henry Tye）提出希格斯场不会立即转变而是会在某个错误的值上逗留一段时间。这有点像一个被困在山顶洼地中的小球，它无法滚落到下方的山谷中。一个推迟的希格斯场相变意味着形成较少的磁单极。

[图片说明]：艾伦·古斯。

古斯开始思考推迟相变对于宇宙膨胀意味着什么。当希格斯场处于错误值的时候，它会成为宇宙中占主导的能量。与通常仅包含物质和辐射的宇宙的缓慢膨胀相比，它还具有可以使得宇宙随时间呈指数式膨胀的奇怪特性。

被古斯称为“暴涨”的这一指数式膨胀解决了均匀性问题，因为在早期宇宙中足够小的区域里内部过程会使之变得均匀，随后它就暴涨到了超出我们今天可见的范围。他还证明，暴涨的时间越长，它就会把宇宙铺展得越接近平直。

在他的论文中，古斯承认他的模型存在一个严重的问题。希格斯场不会在空间中的每一个区域完成它的相变，导致一个看上去会和我们所见的宇宙迥然不同的不均匀宇宙。然而就在一年之后，其他人则找到了避免这个问题的方法。

目前在美国芝加哥大学的洛基·科尔布（Rocky Kolb）说，当时只有少数的年轻粒子物理学家开始对宇宙学感兴趣，但是对他而言磁单极问题似乎要比其他的宇宙学问题更为急迫。他说：“当时我们全然不知暴涨最终会变成如此强有力的想法。”但现在暴涨已经成为了宇宙学不可分割的一部分，有望解释包括诸如星系和星系团这样的结构起源等越来越多的问题。

（本文已刊载于《世界科学》2011年第06期）

[Physical Review Focus 2011年3月25日]

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