這個理論中宇宙得以永生:永恒持續暴脹創造出新宇宙

宇宙源于大爆炸是最成功的宇宙學理論,有諸多觀測證據的支持。但它也存在幾個難以解釋的問題,為此宇宙學家為它打上了暴脹理論這個“補丁”,認為宇宙早期經歷過極快的膨脹。而暴脹難以避免地會導致一個驚人的推論:永恒持續的暴脹會不斷創造出新的泡泡宇宙,形成有無窮個成員的多重宇宙。

在這篇節選自環球科學《宇宙專刊》的經典文章中,斯坦福大學物理學教授安德烈·林德(Andrei Linde)為我們詳述這個令人驚奇的宇宙觀。

這個理論中宇宙得以永生:永恒持續暴脹創造出新宇宙

撰文 | 安德烈·林德(Andrei Linde)

翻譯 | 蔣南

科學家曾認為,我們的宇宙是在大爆炸中形成的一個孤零零的火球,但如果我和同事是正確的,那我們或許很快就可以跟這種觀點說再見了。我們正在20世紀80年代初誕生的暴脹理論的基礎上探索一個新理論。

暴脹理論認為,宇宙曾經歷了一個“暴脹”階段,在這個階段,宇宙在極短的時間內指數式增大,在這一階段結束之時,宇宙才按照大爆炸模型繼續演化。在改進暴脹模型時,我們提出的全新版本暴脹理論斷言,宇宙不是一個膨脹著的火球,而是一個不斷生長的巨大分形。它由許多暴脹火球組成,這些火球中能產生新的火球,而新的火球接下來又會產生更多的球,就這樣永遠地持續下去。

我們之所以這樣做,是想解決舊的大爆炸理論遺留下的某些復雜問題。大爆炸理論的標準模型認為,宇宙是在距今約138億年時,從一個溫度和密度均為無限高的宇宙奇點中誕生的。當然,物理學沒辦法真正地處理這些無窮大的量。科學家通常認為,現有的物理定律不適用于那個時候。只有在宇宙的密度降到普朗克密度(每立方厘米大約1094克)之下時,這些定律才能生效。

宇宙學的6個難題

隨著宇宙的膨脹,它的溫度逐漸降低。但原初宇宙烈焰的余暉仍然以微波背景輻射的形式圍繞著我們。這種輻射表明,現在宇宙的溫度已降到2.7 K。1965年,貝爾實驗室的阿爾諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)發現了微波背景輻射,在這一關鍵證據的支持下,大爆炸理論成了為主流的宇宙學理論。此外,大爆炸理論也能解釋宇宙中氫、氦和其他一些元素的豐度。

隨著研究人員對大爆炸理論的進一步研究,他們發現了一些復雜難解的問題。例如,與現代基本粒子理論相結合,標準大爆炸理論預言宇宙中存在許多帶有磁荷(即只有一個磁極)的超重粒子。典型的磁單極子質量相當于質子的1016倍,即約為0.00001毫克。根據標準大爆炸理論,磁單極子在宇宙演化的最初時期就應出現,并且現在的磁單極子豐度應與質子的豐度一樣。在此情況下,宇宙中物質的平均密度應比其現在的值高出約15個數量級。

磁單極子以及其他一些難題迫使物理學家更用心地審視標準宇宙學理論的各個基本假設,而且我們也發現多數假設是非常可疑的。接下來,我會介紹其中最難解決的6個問題。

第一個、也是最重要的一個問題就是:大爆炸是否真的發生過。人們可能會問,在大爆炸之前是什么呢?如果那時不存在時空,萬物又是怎樣從“無”產生的呢?是誰最先出現,宇宙本身還是決定宇宙演化的定律?有關初始奇點的問題——它究竟開始于何處?從何時開始?仍然是現代宇宙學中最難解決的一個。

第二個麻煩之處是空間的平直性。廣義相對論認為,空間可能是非常彎曲的,其典型的曲率半徑約為普朗克長度,即10-33厘米。然而觀測表明,我們的宇宙在1028厘米(宇宙可觀測部分的半徑)的尺度上差不多是平直的。我們的觀測結果同理論預期值相差60多個數量級。

關于宇宙的大小,理論和觀測值之間也存在類似的差異。宇宙學研究表明,我們可觀測的這部分宇宙至少含有1088個基本粒子。但是為什么宇宙這樣大呢?假設宇宙的初始直徑為普朗克長度,初始密度為普朗克密度,那么根據標準大爆炸理論,我們可以計算出,這樣一個典型的宇宙充其量只能容納10個基本粒子。顯然這個理論的什么地方出了差錯。

第四個問題涉及膨脹的同步性。按照標準的大爆炸理論,宇宙的所有部分都是同時開始膨脹的。但宇宙的所有不同部分怎么能做到同步膨脹呢?誰下的命令?

第五個問題是關于宇宙中物質的分布。在非常大的尺度上,物質分布均勻得令人驚訝。在超過100億光年的尺度上,物質分布偏離完美均勻的程度小于萬分之一。長期以來,誰也不知道為什么宇宙會如此均勻,但研究者還要把這當成原理。標準宇宙學的一個基石就是“宇宙學原理”,它斷言宇宙一定是均勻的。然而,這一假設沒有多大的幫助,因為宇宙中很明顯有偏離均勻的情況,例如恒星、星系和其他的物質結團。因此,我們必須既能解釋宇宙為什么在大尺度上如此均勻,又能給出某種可以產生星系的機制。

最后一個問題就是唯一性問題。自然界物理常數的微小改變就能使宇宙以完全不同的方式展現出來,例如,許多流行的基本粒子理論認為時空最初的維數要比四維多得多。為了使理論計算與我們所在的物理世界相符合,這些模型主張所有額外的維已被緊致化了,即縮小到一個很小的尺度上,因而被隱藏起來。但是人們可能會問,為什么緊致化剛好讓時空停止在四維,而不是二維或五維。

這些問題(以及我尚未提到的其他問題)都是極為費解的。而在自復制暴脹宇宙理論框架內,其中許多難題都能找到答案,這很振奮人心。

  由計算機模擬得出的自復制宇宙是由指數式增大的區域所組成的。每一個區域有著不同的物理定律(用顏色表示)。尖峰代表新的“大爆炸”;它們的高度表示宇宙的能量密度。峰的頂部顏色迅速變化,表明那里的物理定律尚未固定下來。這些物理定律只有在低谷內才固定下來。這些谷中的一個相當于我們現在的宇宙。

  由計算機模擬得出的自復制宇宙是由指數式增大的區域所組成的。每一個區域有著不同的物理定律(用顏色表示)。尖峰代表新的“大爆炸”;它們的高度表示宇宙的能量密度。峰的頂部顏色迅速變化,表明那里的物理定律尚未固定下來。這些物理定律只有在低谷內才固定下來。這些谷中的一個相當于我們現在的宇宙。

標量場與暴脹

暴脹模型的基本特征來源于基本粒子物理學。因此,我會帶讀者到這一領域——特別是弱相互作用和電磁相互作用的統一理論——去作一次短暫的旅行。這兩種力都是通過粒子發揮作用的。光子傳遞電磁力;W粒子和Z粒子則傳遞弱力。光子是無質量的,而W粒子和Z粒子則是非常重的。光子與W和Z粒子之間有著明顯的差別,物理學家為了消弭差異,統一弱相互作用和電磁相互作用,引入了所謂的標量場。

雖然標量場并不是日常生活中能接觸到的東西,但還是有一個我們熟悉的類似物,就是電勢,例如電路中的電壓。只有在電勢分布不均勻(例如在電池的兩極之間)或者電勢隨時間變化的情況下,才會出現電場。如果整個宇宙有著相同的電勢,則任何人都不會注意到它;這個電勢似乎只是另一種真空態。同樣,一個恒定的標量場看來是一種真空:我們看不到它,即使我們被它所圍繞。

這些標量場充滿宇宙,并通過影響基本粒子的性質顯示其存在。如果標量場同W粒子和Z粒子發生相互作用,這些粒子就會變重。那些同標量場不發生相互作的粒子,如光子,則仍然是輕的。

因此,為了描述基本粒子,物理學家從這樣一種理論開始著手,在該理論中,所有粒子最初都是輕的,并且弱相互作用和電磁相互作用之間不存在任何本質差別。它們的差異僅在更晚的時候,即宇宙逐漸膨脹并被各種標量場所充滿的時候才出現。這個把各種基本作用力分開的過程被稱為對稱破缺。出現于宇宙中的標量場,其強度是一個特定的值,大小是由其勢能曲線最小值的位置決定的。

就像在粒子物理學中一樣,標量場在宇宙學中也起著關鍵的作用。這些標量場提供了導致宇宙快速暴脹的機制。誠然,根據廣義相對論,宇宙的暴脹速率大約正比于其密度的平方根。如果宇宙中充滿著普通物質,隨著膨脹其密度會迅速減小。因此,宇宙膨脹也會因密度減小而迅速減慢。但是,由于愛因斯坦提出的質能等效性,標量場的勢能也對膨脹有影響。在某些情況下,勢能的減小比普通物質密度的減小要慢得多。

勢能的穩定性可導致宇宙產生一個極快速膨脹的階段,即暴脹階段。即使只考慮最簡單的標量場理論,也有可能出現暴脹。這種標量場的勢能在場強為零之處達到最小值。這樣,標量場越大,勢能也就越大。根據愛因斯坦的引力理論,此標量場的能量必定會使宇宙極快速地膨脹。當標量場達到其勢能的最小值時,膨脹就減慢下來。

  暴脹宇宙中的標量場可以比作在碗里面沿著內壁滾下來的一個小球。碗沿對應于宇宙的普朗克密度,當標量場勢能高于它時,量子漲落很強,時空呈“泡沫”狀。在碗沿之下(綠色區域),量子漲落較弱,但仍能確保宇宙自我復制。如果球留在碗里,就會進入能量較低的區域(橙色),在這個區域它下滑得非常緩慢。當球接近勢能最小值(紫色區域),暴脹就會停止,它會繼續左右振蕩,加熱宇宙。

  暴脹宇宙中的標量場可以比作在碗里面沿著內壁滾下來的一個小球。碗沿對應于宇宙的普朗克密度,當標量場勢能高于它時,量子漲落很強,時空呈“泡沫”狀。在碗沿之下(綠色區域),量子漲落較弱,但仍能確保宇宙自我復制。如果球留在碗里,就會進入能量較低的區域(橙色),在這個區域它下滑得非常緩慢。當球接近勢能最小值(紫色區域),暴脹就會停止,它會繼續左右振蕩,加熱宇宙。

標量場能量降低很緩慢,這對宇宙的膨脹速率來說意義重大。下降如此之慢,以至于在宇宙膨脹過程中,標量場的勢能幾乎是恒定的,這一特點與普通物質形成鮮明對比。由于標量場的巨大能量,宇宙會繼續以極高的速度膨脹,比未引入暴脹的傳統宇宙理論預言的速度大得多。在這樣的一個區域里,宇宙的大小呈指數增長。

這一自我維持的、指數式快速暴脹的階段持續時間并不長,可能只有10-35秒。一旦標量場的能量衰減,黏度就接近于消失,暴脹也就隨之結束。如同球到達碗底時一樣,標量場接近其勢能的最小值時也會開始振蕩。當標量場振蕩時,它會失去能量并將能量以基本粒子的形式釋放出來。這些粒子彼此相互作用,最終在某一平衡溫度穩定下來。從這時開始,就可以用標準的大爆炸理論來描述宇宙的演化了。

混沌暴脹

雖然在概念上看來很簡單,但暴脹理論實際上并不簡單。科學家很早就開始嘗試得出宇宙有一個指數式膨脹的階段。

暴脹理論的第一個現實模型是于1979年由莫斯科朗道理論物理研究所的阿列克謝·斯塔羅賓斯基(Alexei Starobinsky)提出的。斯塔羅賓斯基模型在俄羅斯天體物理學家中引起了轟動,在接下來的兩年時間中它都是蘇聯所有宇宙學會議上討論的主題。但他的模型相當復雜(它基于一個有關量子引力中反常現象的理論),并且對暴脹實際上怎樣開始語焉不詳。

1981年,麻省理工學院的艾倫·古斯(Alan Guth)提出,處于某一中間階段的熾熱宇宙可能指數式膨脹。古斯的理論認為,宇宙是在處于不穩定的過冷狀態時發生暴脹的。利用過冷現象來解決大爆炸理論的諸多難題,這個想法很有吸引力。不幸的是,正如古斯本人所指出的那樣,他的模型中暴脹后的宇宙變得非常不均勻。在研究這個模型一年之后,古斯放棄了該模型。

1982年,本文作者提出了所謂的新暴脹宇宙圖景,賓夕法尼亞大學的安德烈亞斯·阿爾布雷克特(Andreas Albrecht)和保羅·斯坦哈特(Paul Steinhardt)也于晚些時候發現了這種模型。這種模型擺脫了古斯模型所遇到的主要難題。但它仍相當復雜,并且不太現實。

一年之后,我才認識到,在許多基本粒子理論中暴脹是一個自然涌現的特征,這些理論中包括上面討論過的最簡單的標量場模型。根本不需要量子引力效應、相變、過冷、乃至宇宙最初溫度極高的標準假設。物理學家只要考慮早期宇宙中標量場的所有可能種類和數值,然后查看是否有一種標量場能導致暴脹。未發生暴脹的地方仍然是很小的,而發生了暴脹的那些區域則指數式增大并幾乎占據了整個宇宙。由于早期宇宙中各標量場都可取任意值,因而我將這一模型稱為“混沌暴脹”(Chaotic inflation)。

宇宙的快速膨脹能同時解決許多困難的宇宙學問題,這看來似乎太過理想,讓人難以相信。的確,如果所有的非均勻現象都因擴張而消除掉了,那么星系又是怎樣形成的呢?答案是,暴脹在消除先前存在的非均勻性的同時,又制造出了一些新的非均勻性。

這些新的非均均性是由于量子效應而出現的。根據量子力學,真空并不是完全空的。真空充滿著微小的量子漲落。這些漲落可以看成是波,即物理場的波動。這些波具有所有可能的波長,并在所有方向上運動。我們探測不到這些波,因為它們只是短暫地存在,并且很微弱。

  混沌暴脹圖景中的宇宙演化過程與標準大爆炸理論不同。暴脹把宇宙放大了1010^12倍,即使是直徑只有10-33厘米(普朗克長度)的一塊區域,也會變得比整個可觀測宇宙都要大。暴脹理論也預言空間會是非常平直的,在這樣的空間中,平行線永遠都是“平行”的。(在閉合宇宙中,平行線會相交,在開放宇宙中則會彼此分離。)與暴脹理論不同,原始的熱大爆炸理論只會讓大小相當于普朗克尺度的宇宙增大到0.001厘米,而且它預言的空間幾何性質也是截然不同的。

  混沌暴脹圖景中的宇宙演化過程與標準大爆炸理論不同。暴脹把宇宙放大了1010^12倍,即使是直徑只有10-33厘米(普朗克長度)的一塊區域,也會變得比整個可觀測宇宙都要大。暴脹理論也預言空間會是非常平直的,在這樣的空間中,平行線永遠都是“平行”的。(在閉合宇宙中,平行線會相交,在開放宇宙中則會彼此分離。)與暴脹理論不同,原始的熱大爆炸理論只會讓大小相當于普朗克尺度的宇宙增大到0.001厘米,而且它預言的空間幾何性質也是截然不同的。

在暴脹宇宙中,真空結構變得更為復雜。暴脹會迅速地拉伸這些波。而一旦其波長變得足夠大,波的起伏就開始受到宇宙空間曲率的影響。這時,由于標量場的黏度,這些波會停止運動。

最先凍結的是那些波長較長的波。隨著宇宙的繼續膨脹,新的量子漲落又會被拉伸,然后也被凍結,疊加在其他已凍結的波上面。在這一階段,我們已經不能再把這些波稱為量子漲落。它們中大多數的波長都已經非常大了。由于這些波既不運動也不消失,所以它們在某些區域增大了標量場的值,而在另一些區域又使標量場的值減小,因此導致了不均勻性。標量場的這些擾動又引起了宇宙的密度擾動,這些擾動對于以后星系的形成是至為關鍵的。

宇宙在永恒暴脹?

下面到了本文最有趣的部分:永恒存在、自我復制的暴脹宇宙理論。在混沌暴脹模型的框架下,這一理論得出了最具戲劇性的結果。

正如我已經談到的那樣,人們可以把暴脹宇宙內標量場的量子漲落看成是波。這些波最初在所有可能的方向上運動,然后互相疊加地凍結起來。每一個凍結的波都稍微增大了宇宙某些區域的標量場,同時又減小了另外一些區域的標量場。

現在,考慮宇宙中那些新凍結的波使得標量場持續增大的地方。這些區域是極罕見的,但它們的確存在,而且可能極為重要。宇宙中這些標量場陡增到足夠大的稀有區域,會以越來越高的速度呈指數式膨脹。標量場突增得越高,宇宙膨脹的就越快。很快這些稀有區域的體積就會遠遠超過其他區域。

根據這一理論可以得出,如果宇宙至少含有一個足夠大的暴脹區,它就會不停地產生新的暴脹區。每個特定位置的暴脹都會迅速結束,但其他許多地方仍將繼續暴脹。這些區城的總體積將無止境地增大。實質上,一個暴脹宇宙會生長出其他的暴脹泡,而這些泡接下來又會產生新的暴脹泡。

我稱這個過程為為永恒暴脹,它作為一種連鎖反應會持續進行下去,產生出一個類似分形的宇宙模式。在這個圖景中,總的來說宇宙是永生的。宇宙的每一特定部分都可能來自過去的某一個奇點,有可能在將來的某一奇點結束。但是,整個宇宙的演化沒有終點。

宇宙最初的起源則比較難以確定。有可能,宇宙的所有部分都是同時誕生于一個初始的大爆炸奇點。然而,這一假設已經不再是那么必要了。此外,在我們的“宇宙樹”上,暴脹泡的總數隨著時間的推移是指數增長的。因此,大多數暴脹泡(包括我們自己的這部分宇宙在內)都會長得遠離宇宙樹的主干。我們可以把每一個暴脹泡的形成時刻看成是一個新的“大爆炸”。從這個角度來看,暴脹已不再如我們過去認為的那樣是大爆炸理論的一部分。相反,大爆炸是暴脹模型的一部分。

情況是否會變得更為古怪呢?答案是肯定的。到此為止,我們考慮的是只有一個標量場的最簡單暴脹模型,它僅有一個勢能的最小值。同時,一些基本粒子理論提出了多種標量場供選擇。例如,在弱、強和電磁相互作用的統一理論中,至少還有另外兩種標量場。這些標量場的勢能可以有若干不同的最小值。這意味著,同一個理論可能有不同的“真空態”,不同的真空態對應著不同類型的基本相互作用對稱破缺,其結果就是不同的低能物理定律。(在極高能量下粒子的相互作用與對稱破缺無關。)

標量場的這些復雜情況意味著,宇宙在暴脹之后可分裂成各具不同低能物理定律的指數膨脹區域。要注意的是,即使整個宇宙最初具有一個特定的勢能最小值,也就是開始于同一狀態,這種分裂也會發生。實際上,大的量子漲落會導致標量場從它們的最小值躍遷出來。也就是說,它們能把某些球從碗中搖晃出來,讓它們落入另一個碗里。每一個碗都有著另外一套粒子相互作用定律。在某些暴脹模型中,量子漲落如此之強烈,甚至空間和時間的維數也會發生改變。

  自我復制宇宙看起來是不斷延伸分叉的暴脹泡。顏色變化表示分支宇宙中的物理定律與母宇宙不同。每個泡中的空間性質取決于它形成的時間。在這個意義上,宇宙整體上是穩恒的,盡管其中的每個泡都在按照大爆炸理論演化。

  自我復制宇宙看起來是不斷延伸分叉的暴脹泡。顏色變化表示分支宇宙中的物理定律與母宇宙不同。每個泡中的空間性質取決于它形成的時間。在這個意義上,宇宙整體上是穩恒的,盡管其中的每個泡都在按照大爆炸理論演化。

如果這類模型是正確的,僅僅依靠物理學是無法對我們所在宇宙的性質做出完整解釋的。同一個物理理論可以得出若干個具備不同特性的宇宙區域。根據這類模型,我們之所以位于這樣一個具有我們熟知的物理定律的四維區域內,并不是因為其他具備不同維數和不同特性的區域不可能存在或存在概率太低,僅僅是由于我們這樣的生命形態在其他區域內不可能存在。

這是否意味著,要了解宇宙中我們這部分區域的所有特性,除了物理學知識外還需要深入研究我們本身的性質,或許甚至還包括我們意識的性質呢?這肯定是暴脹宇宙學的最新進展所得出的一個最出乎意料的結論。

暴脹理論演變出了一個全新的宇宙模型,它顯然不同于老的大爆炸理論,甚至也不同于暴脹模型最初的那些版本。在這一新模型中,宇宙看來既是混沌的又是均一的,既是膨脹的又是靜止的。我們的宇宙家園在增大、波動,并且以所有可能的形式永恒地復制其自身,好像是在調整自己,來供養所有可能的生命類型。

我們希望,這一新理論的某些部分在未來能經受住考驗。理論的其他部分應該會進行大幅度的修改,以符合新的觀測數據和一直在變化的基本粒子理論。不管怎樣,過去這些年宇宙學的發展,已不可逆轉地改變了我們對宇宙結構和命

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