宇宙之初:大膨胀②宇宙膨胀时是什么样的?

大科技大科技 科学之谜 2020-10-20 2998 0

宇宙充满了物质和能量,我们通过各种方式对其进行了观测。原子在引力的作用下,经过数十亿年,凝聚成片成团,逐步演变为行星,恒星,气体云,单个星系,星系团等,它们构成了如今这个巨大的宇宙网络——我们称之为“可观测的宇宙”。

自“宇宙大爆炸”发生之后,宇宙一直在膨胀和冷却。但是大爆炸并不是宇宙的开始。在它之前,有一个称为“宇宙膨胀”的时期,它出现得更早,它为大爆炸的产生提供了初始条件。

宇宙之初:大膨胀②宇宙膨胀时是什么样的?

疯狂的膨胀

宇宙膨胀为我们描绘了一个与我们“可观测的宇宙”完全不同的景象。

想象你(是一个粒子)位于时空结构中的某个位置,你的对象(是另一个粒子)就在你身旁。现在,影响你们距离的唯一因素,是宇宙的膨胀。那么,你们之间的距离会如何变化呢?

如果你们所处的宇宙充满了物质,那它将以时间三分之二的功率扩展,这时你们之间的距离为t2/3

如果你们所处的宇宙充满了辐射,那它将像时间的平方根一样膨胀,这时你们之间的距离是t1/2

但是,当你们所处的宇宙膨胀时,它的空间将呈指数增长,即e Ht(H是宇宙的膨胀率)。

由于膨胀不仅是指数的(指空间增长速度),而且是快速的(指膨胀率),因此,只要大约10-35秒,你和你对象的距离就会增加一倍。

但是,膨胀最大的特点不是它的“快”(毕竟大爆炸的初期可能同样迅速),而是它的疯狂——瞬间就会将处于其中的任何东西(你们)的距离由“咫尺”变“天涯”,并永远不得再见。

经过10-35秒,你们距离是最初的2倍;2×10-35秒后,距离变为的4倍;3×10-35秒后,距离是8倍;4×10-35秒后,16倍。

如果你还忍心,可以继续算下去。经过10-34秒,你们相隔距离是原先的1024倍;10-33秒后,它将是1030倍;10-30秒后,是1030000倍……

任意形状的空间

如此疯狂的膨胀,它空间本身应该是什么样子的呢?

这似乎并不重要,你可以想象成是各种各样的形状:球形的、打结的、扭曲的等等。它可能充满了拓扑缺陷,并且整个过程中都有漏洞,它可能以奇怪的方式在多个地方连接,它甚至可能存在于微小的亚原子颗粒内……

你如何想象都可以,因为不管空间的初始形状如何,膨胀期间,它都会被拉伸到相对于你是无限的大,以至于无论你从哪个角度看,它都是平坦的(就像我们站在地球上,无论怎么看,地球都是平的一样)。

膨胀如此强大的拉伸能力,这股力量是从哪来的呢?它来自于空间本身固有的能量。

膨胀会创建出新的空间,而这些新的空间,又同样具有相同的内在能量。新的空间将再创建的空间……

膨胀会结束吗?

膨胀并非在宇宙(整个膨胀场)各个区域都会永远持续下去,当每次创建新空间时,它都有一定的(很小)概率会终止。

膨胀场是一个量子场,它随时间而扩展,在不同区域会有不同的值。尽管有的区域结束了膨胀——比如我们“可观测的宇宙”所处的区域,但更多区域——比如可观测宇宙之外的区域——将继续膨胀。所以在无限大的尺度上,膨胀是永恒的。

那么,在什么情况下膨胀会结束呢?

如果把膨胀描绘成一个在山顶上缓慢滚动的球(因为整个膨胀场很多区域都在膨胀,所以实际上会有很多这样的球),那么,当球从山顶滚入山谷时,它就会结束。

当膨胀创建新的空间时,球就会往一侧滚动,往哪一侧滚动,更接近山顶还是更接近山谷,它是随机的。如果球滚向山顶,那它将继续膨胀,产生新的空间。如果球滚入山谷,那么膨胀就结束了,能量随即转化为大爆炸的能量,剩下的就是大爆炸的故事了。

膨胀结束后,空间固有能量又是如何转化为大爆炸能量的呢?

只要膨胀继续下去,空间就会继续被各种尺度的能量波动所充满,从而形成一个特别的空间结构——看起来像连续振动的网格,并且会在所有尺度上产生引力波。

最后,膨胀结束(指某个区域)。(该区域)所有空间固有的能量,在不同位置,值略微不同,且都在下降。这些能量,会不断转化为物质、反物质、辐射,并创建出一个温度很高、密度很大,且温度和密度都处处均匀的宇宙。

这种过渡被称为“宇宙再加热”,它标志着膨胀阶段的结束,大爆炸的开始。这时,宇宙中能量涨落变成了密度涨落。正是这密度涨落,导致了如今我们“可观测的宇宙”大规模结构的产生。

膨胀仍在发生

从理论上讲,“可观测的宇宙”之外的事物,对我们而言,是永远看不到的。

膨胀建立并创造了整个宇宙,并为大爆炸提供了它的初始条件。即使在今天,仍有很大的空间在膨胀(虽然这些空间我们都无法看到)。随着膨胀,新的、大小相等或更大的空间不断被创建出来。

也许,你会有疑惑:如果整个宇宙如此膨胀,那么身处其中的我们,为什么彼此之间没有被隔离得无限远呢?

对此,宇宙学家建议我们应该抛开直觉,并接受一个事实,即“宇宙膨胀的能量来自它空间本身固有的能量”。只有这样,我们才能更好地理解宇宙膨胀。


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