宇宙“大爆炸”是怎么回事?“大爆炸”之前宇宙是什么样的?

2020-03-09 13:08:43 首页

  今天趣历史小编为大家带来了一篇关于宇宙大爆炸的文章,欢迎阅读哦~

  “除了名字以外,大爆炸理论并不是一个真正的爆炸理论,它实际上只是一个关于爆炸结果的理论?!薄⒗肌す潘?/p>

  每当我们谈论宇宙起源的时候,都会提到大爆炸理论,这个理论的名字从字面上就给了我们一种宇宙从一点爆炸并诞生的感觉,其实并不是这样的,在这个理论中没有“奇点”,也没有任何东西爆炸,这个理论说的是一个宇宙的状态,这个状态在过去温度更高、密度更大、膨胀速度更快。

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  也就是说,早期的宇宙所有物质之间的距离离得更近,辐射的波长更短、能量更高,当然温度也更高。

  当我们回溯遥远的过去,现存的有机分子不会存在,构成有机分子和岩石行星的重元素也不会存在,甚至在某一个阶段宇宙中还没有形成任何的恒星和星系。

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  如果再往回看,当宇宙达到一定的温度,中性原子也无法形成,因为高能辐射可以电离任何的中性原子。

  在中性原子之前,高温甚至能将原子核分离,形成一片由质子和中子组成的离子海洋,

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  甚至宇宙在温度更高、密度更大的状态下,质子和中子也会被分解成夸克和胶子,这时宇宙中高能量的辐射粒子碰撞后可以自发的产生等量的物质和反物质对。那么在这之前的宇宙是什么样的?我们还能不断地往回追溯吗?

  事实上,大爆炸理论告诉我们的宇宙早期状态是有限的,我们只能回溯到过去有限的时间,因为我们认为“我们的宇宙”并不是从138亿年前的奇点开始的,而是在热大爆炸之前还存在一个状态:宇宙暴涨阶段,这个阶段结束以后才诞生了热大爆炸状态。

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  宇宙暴涨是宇宙空间以指数方式膨胀的一个阶段。这个阶段中,宇宙中的能量不是由物质、反物质、辐射和部分空间本身固有的能量(今天的暗能量)组成,而是完全由空间本身固有的能量所支配。

  这时的空间呈指数膨胀,真空能量的量子涨落也被延伸到了整个宇宙中,并导致了能量密度的微小缺陷,

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  当暴涨结束时,宇宙经过了一个再加热阶段,这些真空能量一部分转移到了物质/反物质/辐射中,这就是热大爆炸的起源。

  量子涨落引起的物质/反物质/辐射密度分布的轻微不完美,这就是宇宙中所有宇宙结构(星系团、星系、恒星和我们人类)的种子。

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  那么问题是,宇宙暴涨是如何发生的?

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  根据普朗克(测量宇宙微波背景辐射波动的卫星)的数据,最简单的慢滚动暴涨模型是最受数据支持的模型。我们可以将暴涨表示为一种特定类型的山,当处在山顶时,暴涨就发生了;当从山上滚到山谷里时,暴涨就结束了,再加热过程发生,我们已知宇宙大爆炸就开始了。

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  上面的图形表示引起宇宙暴涨量子场的势能(纵轴与能量有关,横轴任意),但是:

  我们不知道这个场是否是一个真正的量子场。如果是,就应该有一个与之相关的粒子:暴涨子,我们还没有发现。

  如果它是量子场,我们把暴涨模型表示为标量场。但它不一定是一个标量场;它可以是一个旋量、向量或张量场,但为了简单起见,我们将它建模为一个标量。

  一个场没有理由从平面部分开始;原则上,它可以从任何地方开始。为了使宇宙暴涨达到应有的效果,我们需要它从平坦的部分开始。

  事实上,为了使宇宙暴涨正常运行,量子场势能的中心平坦部分需要非常平坦。

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  上图是一个上下颠倒的抛物线,用蓝色表示,但顶部不够平坦。因为暴涨需要足够的时间来拉伸宇宙,把空间曲率拉平,把宇宙拉伸到各处都是相同的温度,只有这样才能滚下山,把能量转换成物质/反物质/辐射,创造出我们所知的宇宙!

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  那么宇宙暴涨是怎样发生的?关于这个问题最令人头疼的是,宇宙暴涨抹去了暴涨之前关于宇宙存在的所有信息。除了10^-36到10^-20秒的暴涨,我们今天对之前发生的事情一无所知。

  我们想要谈论早些时候发生的事情,例如在暴涨的早期阶段,是什么引起了宇宙暴涨的发生?

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  当宇宙在暴涨期发生变化时,上图左是势能的变化形式。当一个系统的能量随时间下降时,在物理学的许多分支中都有很多这样的可能性,(这就是在物质/辐射主导、随时间变化的宇宙中所发生的事情!)。更有可能的是,当宇宙在更早的时间处于更高的能量时,不同的空间区域有不同的势能值,但它们是无法区分的。这有点像你让上图右侧充满某种液体,一直到虚线。

  在大多数地区,如果允许能源水平(虚线的水平)下降,就不会发生通货膨胀,或者会发生错误类型的通货膨胀。

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  当宇宙的某个区域经历指数膨胀时,在每一个指数膨胀的区域都会产生更多的宇宙。以其他方式扩展的区域会被淹没。举个例子,如果从一个以辐射为主导的时空区域开始,并拥有一定的能量,它所占空间的体积就会随着时间的推移而增加,其顺序如下:

  1, 2.8, 5.2, 8, 11.2,…

  另一方面,如果同一区域是由暴涨主导的时空,且能量完全相同,那么它所占空间的体积就会按照这个顺序增长:

  1、8、64、512、4096…

  可以看到这两个序列都趋于无穷,但其中一个的速度比另一个要快得多!现在让我们回到暴涨的势能上。

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  如果宇宙一开始从暴涨势能的平坦部分开始,会缓慢地滚动,所以将在高势能出停留更多的时间,即使最初的宇宙只有很小很小的一部分,但从平坦部分开始,在不到一秒的时间之后,宇宙将被扩展到一个十分广阔的范围。

  以上是假设暴涨是一个经典场,但暴涨很可能是一个量子场。这就是变得更加有趣。

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  因为量子场会随着时间扩散!这意味着,由于量子扩散效应,一些新形成的区域,其膨胀场会比之前的势能更高!

  这就说明暴涨不会在一个地方发生,也不会同时结束。一个地方发生暴涨所创生出的空间,拥有比之前更高的势能,又会导致新一轮的暴涨。下图就是由一块很小的空间开始,不断创生出新的空间,在这个过程中,有些地区的暴涨结束就产生热大爆炸,并诞生了一个宇宙,而其他地方依然在发生着暴涨。这就是多元宇宙的来历。

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  但是宇宙暴涨真的是永恒存在的吗?暴涨之前还有其他状态吗?是什么最初创造了诞生宇宙的能量?其实这些问题的答案已经不存在于我们的宇宙中了。

  就目前而言,关于大爆炸的起源,这不仅是我们所知道的,也是我们认为我们所能知道的。在宇宙暴涨之前之前的一切,包括暴涨是如何开始的所有信息,都被暴涨本身的性质抹去了。我们宇宙中的信息在数量和时间上都是有限的,无论以前发生了什么,都会随着时间的推移永远的消失在过去。

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