时间简史

第19章 宇宙的起源和命运(2)

固斯提出,宇宙是以一种非常热而且相... --

最快更新时间简史最新章节!

热而且相当混沌的状态从大爆炸起始的。这些高温表明宇宙中的粒子运动得非常快并具有高能量。正如早先我们讨论过的,人们预料在这么高的温度下,强和弱核力及电磁力都被统一成一个单独的力。随着宇宙膨胀,它会变冷,而粒子能量下降。最后出现了所谓的相变,并且力之间的对称性被破坏了:强力变得和弱力以及电磁力不同。相变的一个普通的例子是,当水降温时会冻结成冰。液态水是对称的,它在任何一点和任何方向上都是相同的。然而,当冰晶体形成时,它们有确定的位置,并在某一方向上整齐排列。这就破坏了水的对称。

在水的情形,只要你足够小心,就能使之“过冷”:

也就是可以将温度降低到冰点(0°C)以下而不结冰。固斯认为,宇宙的行为也很相似:宇宙温度可以降低到临界值以下,而各种力之间的对称没有受到破坏。如果发生这种情形,宇宙就处于一个不稳定状态,其能量比对称破缺时更大。可以指出,这特殊的额外能量呈现出反引力的效应:其作用如同一个宇宙常数。宇宙常数是当爱因斯坦在试图建立一个稳定的宇宙模型时,引进广义相对论之中去的。由于宇宙已经像大爆炸模型那样膨胀,所以这宇宙常数的排斥效应使得宇宙以不断增加的速度膨胀。即使在一些物质粒子比平均数更多的区域,这一有效宇宙常数的排斥作用也超过了物质的引力吸引作用。这样,这些区域也以加速暴胀的形式膨胀。当它们膨胀时,物质粒子就越分越开,留下了一个几乎不包含任何粒子,并仍然处于过冷状态的膨胀的宇宙。这种膨胀抹平了宇宙中的任何不规则性,正如当你吹胀气球时,它上面的皱纹就被抹平了。这样,从许多不同的非均匀的初始状态可以演化出宇宙现在光滑均匀的状态。

在这样一个其膨胀由宇宙常数加速,而不因物质的引力吸引使之减慢的宇宙中,早期宇宙中的光线就有足够的时间从一个区域旅行到另一个区域。这就解答了早先提出的,为何在早期宇宙中的不同区域具有同样性质的问题。

不但如此,宇宙的膨胀率也自动变得非常接近由宇宙的能量密度决定的临界值。这就能够解释,不需假设宇宙初始膨胀率曾被非常仔细地选择过,为何现在的膨胀率仍然这么接近临界值。

暴胀的思想还能解释为何在宇宙中存在这么多物质。

在我们能观察到的宇宙中大约有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿(1后面跟80个0)个粒子。它们从何而来?答案是,在量子理论中,粒子可以从粒子/反粒子对的形式由能量中创生出来。但这只不过引起能量从何而来的问题。答案是,宇宙的总能量准确为零。宇宙中的物质是由正能量产生的。然而,物质本身由于引力总是吸引的。两块相互靠近的物质比两块分得很开的物质具有较少的能量,因为你必须消耗能量去克服把它们拉在一起的引力才能将其分开。这样,在一定意义上,引力场具有负能量。在空间上大体一致的宇宙的情形中,人们可以证明,这个负的引力能刚好抵消了物质所代表的正能量。这样,宇宙的总能量为零。

零的2倍仍为零。这样,宇宙可以同时将其正的物质能和负的引力能加倍,而不违反能量守恒。在宇宙正常膨胀时,这并没有发生。这时当宇宙变大时,物质能量密度下降。然而,这种情形确实发生于暴胀时期。因为当宇宙膨胀时,过冷态的能量密度保持不变:当宇宙体积加倍时,正物质能和负引力能都加倍,这样总能量保持为零。

在暴胀相,宇宙的尺度增大了一个非常大的倍数。这样,可用以制造粒子的总能量变得非常大。正如固斯说过的:

“都说没有免费午餐这回事,但是宇宙却是最彻底的免费午餐。”

今天宇宙不是以暴胀的方式膨胀。这样,必须有一种机制,它可以消去这一非常大的有效宇宙常数,从而使膨胀率从加速的状态改变为如同今天这样由引力减慢的状态。人们可以预料,在宇宙暴胀时各种力之间的对称最终会破缺,正如过冷的水最终会凝固一样。这样,未破缺的对称态的额外能量就会释放,并将宇宙重新加热到刚好低于使各种力对称的临界温度。以后,宇宙就以标准的大爆炸模式继续膨胀并变冷。但是,现在我们可以解释,为何宇宙刚好以临界速率膨胀,并且为何不同的区域具有相同的温度。

在固斯的原先设想中,有点像在非常冷的水中出现冰晶体,相变是突然发生的。其想法是,正如同沸腾的水围绕着蒸汽泡,新的对称破缺相的“泡泡”在原有的对称相中形成。设想泡泡膨胀并相互碰撞,直到整个宇宙处于新相。麻烦在于,正如同我和其他几个人指出的,宇宙膨胀得如此之快,即使泡泡以光速胀大,它们也要相互分离,并因此不能合并在一起。结果宇宙变成一种非常不均匀的状态,有些区域仍具有各种力之间的对称。这样的模型跟我们观察到的宇宙不吻合。

1981年10月,我去莫斯科参加量子引力的会议。会后,我在斯特堡天文研究所做了一个有关暴胀模型和它的问题的讲演。在此之前,我请其他人替我宣读讲稿,因为大多数人听不懂我的声音。但是这一次我来不及准备讲稿,所以我自己讲,让我的一名研究生逐字逐句地重复我的话。演讲进行得很顺利,并且使我有多得多的时间和听众交谈。听众席中有一位年轻的苏联人,莫斯科列别捷夫研究所的安德雷·林德。他说,如果泡泡是如此之大,使得我们的宇宙区域被整个地包含在一个单独的泡泡之中,则可以避免泡泡不能合并在一起的困难。为了使这个行得通,从对称相向对称破缺相的改变必须在泡泡中发生得非常缓慢,但是按照大统一理论这是完全可能的。林德的缓慢对称破缺思想非常好,但是过后我意识到,他的泡泡在那一时刻必须比宇宙的尺度还要大!我指出,那时对称不仅仅在泡泡里,而且在所有的地方同时被破坏。这会导致一个正如我们观察到的一致的宇宙。我被这个思想弄得非常激动,并和我的一个学生因·莫斯讨论。然而,当我后来收到一个科学杂志社寄来的林德的论文,征求是否可以发表时,作为他的朋友,我感到相当难为情。我答复说,这里有一个关于泡泡比宇宙还大的瑕疵,但是里面关于缓慢对称破缺的基本思想是非常好的。我建议将此论文照原样发表。因为林德要花几个月时间去改正它,并且他寄到西方的任何东西都要通过苏联的审查,这种对于科学论文的审查既无技巧可言又很缓慢。我和因·莫斯便越俎代庖,为同一杂志写了一篇短文。我们在该文中指出这泡泡的问题,并提出如何将其解决。

人气小说推荐More+

穿越水浒的医者
穿越水浒的医者
关于穿越水浒的医者:现代医科大学毕业的王力,意外穿越到水浒世界,穿到一个小道士身上,唯一的师父老道士刚刚仙逝。这个老道士还指点过金剑先生李助,主角还有一个身份是——王伦的弟弟。此时王伦还在上梁山的路上。凭借着对医学的精通,加上现代知识,他开始了自己的征途,然而,他发现这个世界并非表面那么简单,江湖险恶、人心难测,各种势力暗流涌动。看王力又将如何改变梁山泊的命运?如何改变靖康耻的命运?一切尽在。
贪狼金星
大秦:镇国太尉章邯,横推楚汉!
大秦:镇国太尉章邯,横推楚汉!
关于大秦:镇国太尉章邯,横推楚汉!:「慢热?大秦帝国系统?热血?拓展型争霸」意外穿越来到秦朝末年,成为大秦最后的名将章邯,面对胡亥发出的:十万大军,哪来的十万大军!章邯主动请缨,亲自率领刑徒军迎战周文大军。章邯一战灭周文,破田臧、杀李归、击邓说,败伍徐,一路杀到陈胜吴广大本营,彻底覆灭张楚政权。这一次,章邯要改变历史,诛杀赵高,废黜胡亥,拥立子婴为二世皇帝,彻底覆灭六国根基,收萧何韩信以为帝国肱骨
剑南安抚使
烧锅千年烟火传
烧锅千年烟火传
关于烧锅千年烟火传:小说简介孙氏家族于历史长河中熠熠生辉,东汉时孙友以烧锅和钱庄生意起家,富可敌国。他长袖善舞,借出巨额洋债助力西征,为国家版图完整立下汗马功劳,使一度濒临分离的新疆又回中华版图。身边众多妻妾情人,他却能巧妙驾驭,让她们各施所长成就自己的辉煌事业。时光流转至1403年,家族传承到孙文礼手中。因局势变迁,他迁至山海关北街。面对陌生环境、物资匮乏的困境,他凭借家族烧锅秘方欲重振家族雄风
墨影侠者
搬空国库:带着小姨子去戍边
搬空国库:带着小姨子去戍边
关于搬空国库:带着小姨子去戍边:搬空皇宫国库,带着小姨子、嫂子、丈母娘全家跑路——秦毅魂穿大越朝,成了靖北侯府上门女婿,又遇老丈人被诬陷谋反全家流放,开局就是天崩。好在他觉醒最强扮演系统,扮演盗王,偷光皇帝私房钱,带着小姨子一家去戍边。之后,他扮演药圣,妙手回春救万民;扮演霸王勇冠三军,将荒人蛮族踩在脚下;扮演秦始皇,为华夏打下大大的疆土……数年后,他高坐王座之上,俯瞰天下,霸气发问:还有谁?
小锅哥
杀戮成神,从北境边陲开始
杀戮成神,从北境边陲开始
关于杀戮成神,从北境边陲开始:陈渊穿越大夏王朝成为镇南王世子。开局被贬到北境边陲之地,还被当作炮灰丢在了北匈铁骑之前。结果,陈渊意外觉醒杀神系统。杀一人为罪,杀十人为凶,杀百人为恶,杀千人为将,杀万人为雄。那杀亿万呢?当陈渊杀到举世皆惧时,他才看到这个世界另外真实的一面。
御枫无痕