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暴胀和平行宇宙 精选

已有 12359 次阅读 2016-5-11 07:54 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦| 平行宇宙, 暴胀机制, 慢滚

暴胀假说与CMB结果令人惊奇地符合,一个理论表现出如此高的预测能力,无论它背后的物理学原理是什么,都引起了人们极大的兴趣。人们企图为它建造一个完善的理论模型,解释暴胀到底是什么?暴胀时期事件的细节如何?为什么那段时期宇宙会暴胀?如今,存在多种模型来解释暴胀理论的物理机制,诸如混沌暴胀、永恒暴胀等。

古斯是得到大统一理论的启发而想到暴胀理论的。根据大统一理论,在宇宙早期,强作用、弱作用及电磁力都统一在一起,真空中布满了“上帝粒子”构成的希格斯场。之后,希格斯场的存在促使自发对称破缺,从而才使三种作用分离,并形成了各种不同质量的粒子。古斯受此理论启发,认为希格斯场可能也同时是促成暴胀过程的量子场,想利用希格斯对称破缺引起真空相变的机制来解释宇宙暴胀。

所谓自发对称破缺,指的是物理规律理论上所具有的某种对称性,在实际发生的现象(作为物理方程的一个具体解)中被破坏,因此只表现出更低的对称性。直立于桌子上的铅笔向某一个方向倒下是一个典型的例子。当铅笔竖在桌子上的时候,无论是铅笔本身、初始条件、物理规律,对过铅笔中心的垂直线而言都是轴对称的,倒下之后这种对称性破缺了,不再存在,如图1左图。

1右图中是一个暂时平衡于重力势场中的小球,或者说可以看作是一个在山坡上滚动的石头。当石头位于顶端A时,看起来具有左右对称性,但这种对称性很容易被轻微的扰动所破坏,扰动后的石头将因为重力的作用沿着图中所示的路径滚到山坡下一个新的引力势能更低的平衡位置B


1:自发对称破缺

1右图所示的情形,经常被用来比喻由于真空中某标量场的量子涨落而引起的自发对称破缺。在真空标量场情形下,图形不再表示重力势能,而代之以某个标量场的“势能-场强”曲线。重力场中的小球总是滚向能量更低的地方,与滚动小球类似,系统的真空场也总是要“相变”到某个真空能量最小的状态。虽然图中的A点和B点都是极值点,但是A点不稳定,能量高于B,所以是一个“假”真空平衡态,量子涨落将使它过渡到真正的最低能量态B

问题是:用什么来构造宇宙暴胀时期的这个动力学标量场呢?古斯最开始企图用希格斯场来解决问题,但多数学者认为引起暴胀的不是希格斯场,是另一种标量场,可称之为暴胀场。暴胀场需要满足一些必要的条件,并且,暗能量应该由这个标量场的能量所主导,对应的粒子则被称为暴胀子。后来,俄国的安德烈·林德(Andrei Linde1948--)以及其他物理学家基于暴胀标量场提出慢滚暴胀的模型。

在前一篇博文中曾经提到,荷兰天体物理学家德西特从引力场方程得到的解可以用来解释暗能量。德西特空间仅与宇宙常数L有关。在德西特空间中,没有原来意义下(不包括暗能量)的那种“物质”和能量,只有与L成正比的真空能量。

数学上而言,如果爱因斯坦场方程中仅仅包含宇宙常数L一项的话,可以求出三类常数量曲率的时空解。德西特时空对应于正的常数时空曲率,相应于正宇宙常数;闵可夫斯基时空的曲率为零,相应于宇宙常数为零;还有一种对应于宇宙常数为负值时的负常数曲率时空,叫做反德西特时空。这三种时空分别是球面、平面、马鞍面三种二维曲面的4维时空的洛伦茨类比。

在宇宙演化过程中,如果宇宙常数为正数,并且起主要作用的话,空间将以指数形式增长。因此,暴胀所需要的时空与德西特空间很相似,在暴胀时期,我们的宇宙可以看作是一个准德西特时空

慢滚暴胀模型与上面所举的重力势场中小球的运动很类似,如图2a所示。


2:(a)慢滚暴胀场(b)从暴胀到结构形成

在图2a中,虽然有“现在”和“暴涨期”等时间标誌,但是,图中横坐标表示的是暴胀场的强度,并非时间。因此,图2a中的曲线所描述的是暴胀场的能量与场强之间的关系,不是与时间的关系。曲线上有两个特殊点(A和B),A代表假真空,B点才是能量最低的稳定的真正真空态。在暴胀未发生之前,暴胀场的强度比较小,宇宙位于高能量密度的假稳定真空状态(A点)。之后,暴胀场强度增大,但能量变化很小,由曲线的左半部所表示,是一段较为平坦的高地。随着暴胀场强的增大,宇宙的状态向右边移动,有点类似于前面所举的例子中山坡上往下滚动的石头。因为高地平稳,石头滚动得很慢。但是,在宇宙模型中虽然也使用了“慢滚”一词,但实际上这一切只发生在一段极短的时间内,即暴胀期,从10-35秒到10-33秒左右,宇宙空间急剧地指数膨胀至少1026倍。“慢滚”的意思指的是在势能曲线上“慢慢滚”。从图2a中可见,暴胀场“滚”到高地的边缘就碰到了“悬崖”,前面所举例子中的山坡上的石头掉到悬崖下能量最低的位置后,重力势能转换为石头的动能,使石头具有很大的速度。

在宇宙暴胀模型中,暴胀场能量的效应十分类似于宇宙常数,亦即暗能量的作用。当早期宇宙温度下降时,假真空的高能量产生很强的排斥引力效应。因为暴胀标量场是“慢慢”地滚下势能峰,使得势能一直保持很大,强大的排斥作用大大超过物质间的引力吸引,使空间发生越来越快的膨胀(暴胀),物质粒子越分越开,越来越被“稀释”,最后成了一个几乎不包含任何粒子,由真空能主导的过冷膨胀的宇宙(这也是磁单极子被稀释的原因)。直到暴胀场能量降到悬崖边缘,势能峰变得陡峭,意味着排斥作用将很快地减弱,暴胀即将结束。之后,便开始了传统模型中描述的大爆炸,即我们在前面博文中描写的宇宙演化过程。因为暴胀场原来处于能量很高的位置,碰到悬崖后,能量大幅度降低,即宇宙的暴胀场真空能转换为其它种类的能量,比如基本粒子的热能,使得宇宙“重新加热”,温度升高。再后来,宇宙遵循标准模型所描述的演化过程,形成物质,形成结构,图2b描述的便是宇宙从暴胀到星系等大尺度结构形成的时间过程。

势能悬崖的最低点B(真真空),是宇宙现在的状态。B点所对应的剩余的暴胀场能量,可以理解为目前被认为是宇宙中暗能量的部分。也就是说,在暴涨期间的暗能量(A点所对应的暴胀场能量),比现在的暗能量大多了,这也正是造成暴胀的原因。

解释暴胀的物理机制模型往往导致“平行宇宙”的结论。存在多种有关平行宇宙的假说,其中最容易理解的是与宇宙“视界”有关的平行宇宙说。

因为光速以有限速度传播,而宇宙的年龄只有137亿年,所以无论使用多么先进的仪器,我们应该都只能观察到距离我们137亿光年以内的宇宙。再考虑在这137亿年中宇宙一直都在膨胀的事实,这个距离被修正到460亿光年。对于视界外的宇宙,无法观测,也无法对它施加任何影响,说明视界外的宇宙与我们完全独立,这是被“视界”所限制了的可观测区,称之为该星系的“可观测宇宙”。这个“可观测宇宙”对我们来说已经非常之大,但即使从逻辑来推断,我们没有任何理由认为真实的宇宙就终止在我们目力所限的范围以内。大多数人相信,在宇宙之外仍然有星系,天外还有天!不过我们完全不知道我们看不见的真正“大宇宙”到底有多大?有限还是无限?封闭还是开放?但无论如何,在“大宇宙”中存在有大量的可观测区,我们看到的宇宙不过是其中一个而已,这样的话,我们宇宙之外其它的可观测区便可被看作是独立的“平行宇宙”。

如果真实的“大宇宙”是无穷大而开放的,上面描述的那种“视界”平行宇宙便有无限多个。但是,因为每一个可观测宇宙是有限的,其中也只包含有限多个“粒子”。那么,这些数目有限的粒子进行各种排列组合的方式也是有限的。尽管这是一个非常大的数值,但却有限。用这些有限的排列方式来组成无限多个平行宇宙,将产生什么结果呢?至少能够根据抽屉原理得出一个有趣的结论:这些平行宇宙中一定会有(至少两个)排列方式一模一样的宇宙!

如果某个宇宙与我们“宇宙”的排列方式一模一样的话,那就意味着其中会有一个一模一样的你!还有一个一模一样的你的朋友,朋友的朋友……。不过,那个“你”虽然和你长得一模一样,但是却不见得行为一样,你的朋友在那个平行宇宙中也可能变成那一个“你”的敌人?重要的是,这一切和我们宇宙中的你没有任何关系,你也不可能见到那个与你一模一样的“你”,所以就无需多言了。

刚才所述可以算是经典概念下的平行宇宙,在量子物理理论中,原来就有一个平行宇宙的假说,称之为“多宇宙诠释”,那是与“薛定谔的猫”,量子态塌缩之类有关的概念,和宇宙学暴胀的平行宇宙是两码事,在此不表。

不过,量子理论经常会导致一些不可思议之事。如果我们将量子波动理论应用到暴胀宇宙中,似乎也难以避免平行宇宙的结果。并且,暴胀也必须考虑量子效应,一来暴胀期前后的宇宙都是高热高密度状态,正是量子理论的用武之地,二是暴胀理论还得靠量子涨落之类的说法来解释暴胀机制和宇宙后来的结构形成。因此,我们将此类平行宇宙归类为“暴胀平行宇宙”

古斯当初建立“旧暴胀”理论时,碰到一个如何让暴胀“停止”的困难,林德(现任斯坦福大学教授)修正了古斯的模型,提出混沌暴胀理论。

如前所述,我们的宇宙在暴胀期之前只是大宇宙中的一个“小点”,每个小点后来都成为一个(独立的?)“平行宇宙”。我们也知道,暴胀的动力学可以用暴胀标量场来描述,但由于量子涨落,这个标量场在每一个点的数值应该有所不同,那么,暴胀的速度和期间都会有所不同,后来演化出来的所有“平行宇宙”也都会各不相同。

如果使用混沌暴胀理论,那时候的大宇宙应该是一堆大大小小的形成分形结构的“泡泡”。加上量子理论,宇宙中会不断地有暴胀发生,也就是说,新泡泡不断地产生出来,旧泡泡不断消失。如此描述的宇宙图景,不需要解决古斯的暴胀如何停止的问题,因为暴胀宇宙从来就没有停止过,暴胀实际上是无时无刻都在不断地发生和湮灭的过程。由于量子机制导致的随机性,某一个泡泡宇宙中的暴胀突然停止了,碰到了势能曲线的“悬崖区”,暴胀场的能量转化成了粒子的能量,又形成了各种物质、星系、太阳、地球、生命、我和你。

还有一种平行宇宙,说的是时间上无限循环的宇宙。大爆炸接着另一个大爆炸,一直推下去以致无穷。著名物理学家兼数学家彭罗斯(Penrose)便有一个奇特的“共形循环宇宙学”理论。利用数学上共形不变的Weyl曲率,描述了一个从初始奇点(大爆炸)走向终结奇点(黑洞)无限循环的宇宙“轮回”。一些平行宇宙说想象各个平行宇宙之间可以通过黑洞或虫洞互相穿来穿去,无奇不有。总之,这一切都是当下宇宙学的未解之谜,它们给予了人们丰富而巨大的想象空间。然而,这许多假想的多宇宙模型,也许永远不可测量,不可证伪。科学在这些领域已经几乎等同于科幻,那么,这个空间就留待小说家们去想象驰骋吧。




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