遥望星河之外的遥远宇宙,我们瞥见了宇宙正不断膨胀和温度降低的现实,星体间的距离在持续增大。这一发现向我们揭示了什么呢?若宇宙确实在扩张、在冷却,那便意味着在更为久远的往昔,它必定更为紧缩、炽热。

打开网易新闻 查看更多图片

我们不禁要问,究竟是何导致了宇宙的膨胀?宇宙膨胀了多少,亦即,我们的宇宙膨胀速度究竟如何?广义相对论为我们提供了答案,宇宙的膨胀速度由构成它的能量类型所决定。

打开网易新闻 查看更多图片

在我们宇宙的漫长岁月中,尽管充满了星体、星系,以及我们所知的一切物质,但大部分时间里,宇宙的主宰却是正常物质与辐射能。(这里暂不考虑暗能量,它的影响几乎可以忽略不计在宇宙早期。)

当物质成为宇宙的主角时,它的膨胀过程表现为:

打开网易新闻 查看更多图片

可以喊出,随着时间推移,膨胀速度H在逐渐减慢。这意味着,遥远的过去,宇宙更为炽热、密集,膨胀速度也更快。若宇宙昔日更为酷热,那么其中的辐射波长更短,能量也更高!

打开网易新闻 查看更多图片

因此,当我们回溯至足够远的古老时代,会发现那时的宇宙更为炽热、更为密集,在某个点上,高温足以阻止中性原子的形成!若我们继续往回追溯,辐射的能量密度终将超过物质的能量密度。这将引领宇宙以全新的方式进行膨胀!辐射主导的宇宙膨胀又会是怎样的呢?

打开网易新闻 查看更多图片

辐射主导的膨胀过程与物质主导的颇为相似,唯一的区别在于数学计算上的一处细微差异。但我们无法无止境地追溯高温,或是回溯至奇点;宇宙微波背景辐射告诉我们,过去宇宙的温度是有上限的。

打开网易新闻 查看更多图片

那么,在我们所了解的“大爆炸”之初,究竟发生了什么?在炙热、密集、充满物质与辐射的宇宙诞生之前,又是怎样的一番景象?

打开网易新闻 查看更多图片

据我们目前所知,宇宙曾有一段时期经历了快速膨胀,即所谓的暴胀时期。宇宙的暴胀抚平了空间的皱褶,使整个宇宙空间具备了均匀且平坦的特性,从而构建了我们今日所见宇宙的初始状态。

此时,宇宙由真空能量主宰,而非物质或辐射能。真空能量主导的宇宙膨胀过程与之前截然不同。让我们一探究竟……

打开网易新闻 查看更多图片

在这一阶段,宇宙的膨胀率并没有随时间递减!这意味着,宇宙的膨胀是呈指数级增长的,在极短的时间内,它不仅膨胀至我们所理解的范围之外,甚至可能超出我们可观测宇宙的数倍之大!

此刻,你或许好奇我们无法观测的宇宙究竟有多大。可以肯定的是,在我们所知的宇宙之外,460亿光年之外的区域,我们无法目睹任何星体发出的光芒。

那么,究竟是什么决定了宇宙的暴胀程度呢?让我们来探讨暴胀的标准模型。

打开网易新闻 查看更多图片

在这里,纵轴表示能量,亦即宇宙固有的真空能量。显而易见,我们现在宇宙中的真空能量极其微小,与暴胀时期相比,少了整整28个数量级!

若要让宇宙膨胀到足以解释我们今天观察到的平坦且大致均匀的宇宙,那么宇宙需要保持暴胀状态足够长的时间。上图所示,这意味着我们需要从曲线的平坦部分开始。

打开网易新闻 查看更多图片

只需沿着这条曲线缓慢移动,我们就能够获得暴胀足够的时间,从而形成我们现在观察到的宇宙(其主要特性为平坦与均匀)。

最终,能量曲线会降至谷底,此刻,真空能量开始转化为物质与辐射。这一过程发生在大约138亿年前。暴胀的本质很可能与量子场或量子涨落有关。

打开网易新闻 查看更多图片

若真空能量呈现为一个量子粒子,那么它的波函数会随时间扩散,自由占据任意叠加状态。这一理念如何融入我们之前的暴胀理论?随着时间推移,让波函数扩散,会发生什么?

打开网易新闻 查看更多图片

上图所示,我们得到量子场的某一部分。若其扩散足够缓慢,量子场实际上会从其起始位置向后扩散,直到其他区域继续膨胀!还记得我们之前展示的经典暴涨图吗?

在这幅图中,暴胀持续了一段时间,然后在所有地方同时结束。

打开网易新闻 查看更多图片

但如果我们允许暴胀状态成为一个量子场,就必须计算其扩散的速度、暴胀的速度,以及它滚下山的速度。若扩散太快或膨胀太慢,那么就没有足够的时间在广阔的宇宙区域内扩散。但是,如果扩散足够缓慢,膨胀足够迅速,又会发生什么呢?

我们将从最初的暴胀区域开始,用蓝色表示膨胀的区域。若曲线接近谷底,暴胀便会结束,我们可以用红色的x来标记这个点。但如果某个时空区域继续暴胀,我们将保持该区域为蓝色,因为量子场的扩散将导致更多空间膨胀。(见下图)

打开网易新闻 查看更多图片

虽然个别区域的暴胀在任一给定时刻都会结束,但足够多的量子场行为将经历量子“扩散”过程,使整个空间回到稳定的指数膨胀状态,因此膨胀将会持续一段时间。

换言之,宇宙中曾有部分区域经历了暴胀,那些假真空能量转变为辐射和物质,而这些部分和我们自己所在的区域有着极其相似的历史。但在这些区域之间,其他部分仍在持续膨胀。

这便是为何存在多元宇宙,而不仅仅是我们的宇宙!

打开网易新闻 查看更多图片

我们再做一个相对保守的假设。在这个版本的故事中,多元宇宙内所有区域的基本常数相同,其他宇宙和我们的宇宙遵循相同的物理定律,拥有相同的量子真空。

打开网易新闻 查看更多图片

以上所述——多重虚假真空、多元宇宙、与量子引力的联系等——是近年来基于弦理论推测所得出的观点。尽管如此,这些观点已得到大多数科学家的广泛认同。