宇宙之初：大膨胀②宇宙膨胀时是什么样的？

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。

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t^2/3；

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t^1/2；

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。