為什麼宇宙空間不是完全光滑的？

科技 03-20

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【博科園-科學科普】當我們審視觀察行星、恆星、星系和巨大的宇宙空隙時，「光滑」並不是第一個想到的詞。巨大的宇宙網是宇宙中最大的結構，像地球這樣的行星比平均密度大10^30倍。然而宇宙並不總是如此叢生，否則它不會演化成今天我們所看到的樣子。

圖註：我們今天看到的恆星和星系並不總是存在的，我們離得越遠宇宙就越接近完美，但它能達到的平滑程度是有限的，否則宇宙今天就不會有任何結構。為了解釋這一切，需要對大爆炸進行修正——宇宙膨脹。圖片信息及版權：NASA, ESA, and A. Feild (STScI）

宇宙誕生得幾乎完美光滑，缺陷小於十萬分之一，不然宇宙就不會花費數億年來形成第一個星系。然而這些微小的缺陷是至關重要的，否則將不會形成今天的結構！經過幾個世紀的不了解之後，宇宙學最有爭議的理論之一：宇宙膨脹提供了答案。而且現在的測量已經達到了前所未有的精度，其預測非常驚人。

圖註：宇宙膨脹的視覺歷史包括被稱為宇宙大爆炸的熱密集狀態以及後來的結構的演化和形成。然而為了獲得今天看到的結構，宇宙不可能生來就非常光滑。圖片信息及版權：NASA / CXC / M. Weiss

根據宇宙膨脹理論，熱大爆炸並不是空間和時間的開始，而是一個熱的、密集的、迅速膨脹的早期狀態。這是宇宙膨脹，宇宙不是由物質和輻射支配的階段，而是由空間本身固有的能量構成的大爆炸。這個膨脹階段的特徵是空間的指數膨脹，宇宙隨著時間的推移翻倍，然後翻了四倍，然後變成八倍（等等）。

在短短10的負33次方秒之後，弦理論中一個理論弦線大小的區域將被延伸到比今天可觀測宇宙更大的比例。換句話說，宇宙膨脹會把預先存在的一切都拉出來，並把它拉伸得非常、真實、完美的平滑。

圖註：宇宙膨脹使空間呈指數增長，這很快導致任何預先存在的彎曲或非光滑的空間顯現平坦。如果宇宙有任何曲率，它的曲率半徑比可觀察到的大數百倍。圖片信息及版權：E. Siegel (L); Ned Wright』s cosmology tutorial (R)

乍一看，這似乎是一個巨大的問題。如果膨脹的空間是平坦的、均勻的、平滑的，那麼從完美的角度來看，那麼今天是如何到達一個多姿多彩的宇宙的呢？牛頓和愛因斯坦的引力理論對不完美都是不穩定的，這意味著如果從一個幾乎不太完美的光滑宇宙開始，隨著時間的推移，這些不完美將會增長，並且會結構化。但如果從完美的平滑開始，沒有缺點，將永遠保持光滑。然而這並不與我們觀察到的宇宙相符，它必須在物質密度上有缺陷。

圖註：今天我們宇宙中星系聚集/聚類模擬圖，在物質/能量密度上必須要有初始的缺陷。圖片信息及版權：Greg Bacon/STScI/NASA Goddard Space Flight Center

因此，這種對膨脹描述必須是不完整的。必須有某種方式來產生這些缺陷，否則宇宙就不會像我們看到的那樣存在。但是宇宙的一個重要特性，以及宇宙膨脹以最驚人的方式拯救了我們；空間本身並不是完全平坦和光滑的，而是在最小的尺度上表現出量子漲落。

圖註：量子場理論計算的可視化圖顯示了量子真空中的虛擬粒子，即使在空蕩蕩的空間里，這種真空能量也不為零。圖片信息及版權：Derek Leinweber

這可以從很多方面來看：空間本身的能量固有的不確定性；作為真空波動或者作為一組粒子/反粒子對的存在。但是不管你如何看待它，有一點很清楚：如果要繪製宇宙的能量密度，並且在極小的顆粒尺度上觀察它，就會發現它在太空中不均勻和恆定的時間，即使把它的所有物質和輻射都去除了，空間本身結構固有的量子波動。

圖註：早期宇宙由量子泡沫組成，其中量子波動很大，變化很大，並且在最小的尺度上很重要。圖片信息及版權：NASA/CXC/M.Weiss

通常情況下，這些波動平均相互抵消，平均而言只會得到一個很小的零點能量，這是空間本身固有的正能量。但是在通貨膨脹期間，這些量子漲落沒有機會平均出來，因為空間本身正在以指數速率膨脹！相反，會發生的是這些波動在整個宇宙中延伸，所以量子漲落的概念不再局限於非常小的範圍。在時間尺度上只有很短的時間，這些量子效應可能會在恆星，銀河系乃至宇宙包圍尺度上被拉伸成能量波動！

圖註：在膨脹過程中發生的量子漲落確實會在整個宇宙中延展，但它們也會引起總能量密度的波動，使今天的宇宙中留下了一些非零的空間曲率。這些場的波動導致早期宇宙的密度不完整，進而導致宇宙微波背景下的溫度波動。圖片信息及版權：E. Siegel / Beyond the Galaxy

隨著宇宙膨脹的繼續，新量子尺度波動也開始產生，導致更大規模的波動疊加在更大規模的波動上。只要膨脹持續下去，這種情況會持續下去，形成一種波動模式，以及各種規模的隨機區域，這些區域的能量密度都會有所增加和減少。然後在不確定的時間之後膨脹結束，當這種情況發生時，空間本身固有的所有能量都轉化為物質、反物質和輻射。隨著膨脹的結束，熱大爆炸開始則宇宙充滿了物質。

圖註：一個球表面上滑動的類比是當膨脹持續時，而結構崩潰和釋放能量代表能量轉化為粒子。圖片信息及版權：E. Siegel

但在最初以能量開始的區域，由於膨脹期間的量子漲落，在這些地方會出現比平均值稍微多一點的物質，反物質和輻射。在密度較低的區域會出現一些低於平均水平的物質，反物質和輻射。而這種超過密度和密度過低的頻譜應該導致宇宙中溫度越來越低，或越來越熱的區域。

圖註：比平均密度稍大的空間區域將會產生更大的引力勢阱，這意味著這些區域產生的光會隨著時間的推移而變得更冷，反之亦然，低密度區域看起來像熱點，而密度完全平均的區域將具有完美的平均溫度。圖片信息及版權：E. Siegel / Beyond The Galaxy

在宇宙已經存在有一段時間了，膨脹和冷卻之後，萬有引力就起作用了。這就產生了任何偏離平均方向的波動。溫度稍高的區域密度較低，會更容易地將物質釋放到密度較大的區域。寒冷的區域密度過大，比密度低或平均密度區域更容易吸引物質。引力之間有一種複雜的平衡，可以根據上面的邏輯來吸引所有的東西，而輻射則會擠壓那些過於密集的區域。這是力之間的相互作用，在引力，輻射和最初的通脹波動之間，產生了宇宙微波背景中看到的碰撞，擺動和不完美。

圖註：CMB的波動是基於膨脹引起的原始波動。特別是大尺度上的「扁平部分」(左)在沒有膨脹的情況下沒有解釋，而波動的幅度限制了宇宙在膨脹結束時達到的最大能量尺度，它遠低於普朗克尺度的標準。圖片信息及版權：NASA / WMAP Science Team

平均而言，最初的波動一定有1- part3 - 30000左右的平均值，這就是我們在大爆炸的餘輝中觀察到的波動情況。在宇宙變得中性並且輻射停止從電子散射之後，這些波動隨之增長，以產生我們今天在宇宙中看到的大規模結構。隨著時間的推移，這會導致引力向星體，星系，星團和巨大的宇宙空間分離。

圖註：對宇宙的詳細研究揭示了宇宙是由物質而非反物質構成的，暗物質和暗能量是必需的，我們不知道這些神秘的起源。然而CMB的波動，大規模結構的形成和相關性，以及現代觀測的引力透鏡，都指向同一幅圖景——宇宙膨脹。圖片信息及版權：Chris Blake and Sam Moorfield

如果宇宙生來就很光滑，那麼就無法獲得我們今天宇宙所擁有的，無論是大尺度還是小尺度的細節結構。我們的觀察要求在某種程度上，所有尺度上都存在同樣大小的波動，並且宇宙需要以這種方式誕生。當20世紀70年代末和80年代初首次提出宇宙膨脹理論時，沒有辦法知道這些波動是如何發生的;；這是膨脹做出的預測，幾十年來都沒有得到證實！然而這裡的確認是壯觀的，因為沒有任何其他理論具有產生這些波動的一種方式和觀測的宇宙膨脹完美相符，無可爭議預測像COBE，WMAP及最近普朗克衛星返回的數據。

圖註：宇宙膨脹期間發生的量子漲落延伸到整個宇宙，當膨脹結束時就變成了密度的波動。隨著時間的推移導致了今天宇宙中大規模的結構，以及在CMB中觀察到的溫度波動。圖片信息及版權：E. Siegel，圖片來源於ESA / Planck和DoE / NASA / NSF機構間CMB研究小組

結果是一個如此引人注目的故事，並且與數據一致，幾乎沒有其他選擇。宇宙膨脹不僅僅是發生大爆炸或解決我們事先知道的一系列問題，它對我們在宇宙中可能存在的事物進行了定量預測，從早期到現代，觀測已經證實了這一點。宇宙膨脹及其量子性質是宇宙今天不完美的原因，這是一件非常好的事情。沒有它宇宙及我們將永遠不可能存在！

知識：科學無國界，博科園-科學科普

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Forbes Science

編譯：公子世無雙

審校：博科園

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