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回复:宇宙暴涨理论的出现和发展

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最糟糕的是古思发现自己生病了。在麻省理工学院的第一年中,他的肠胃开始疼痛。这一状况持续起来,结果医生在他的结肠发现了肿瘤。这是个生长缓慢的肿瘤,显然在他身体里已经很多年了。古思说他从没有想过后果会怎样。“我得知这个事情也有一段时间了。”他耸了耸肩解释道。他补充说,“不是没有想过要把它取出来。”1981年夏天,古思接受了手术,结肠被切除。和往常一样,幸运之神又一次降临在古思身上。肿瘤没有扩散的迹象,他没有进行化疗和放疗。古思对这一连串的事情表现得很沉着。“公寓纠纷花的时间几乎和结肠花的时间一样长。”他说。
于是和霍金一样,日常生活对古思来说比对正常人显得有些困难了。然而疾病并没有妨碍他的工作,他说。“回想起来,”他半开玩笑地承认,“这对我的生活最主要的影响是阻止了我去发明新暴胀。”
新暴胀回答了古思暴胀理论中的一些问题。这个理论是1981年12月份的一天,莫斯科理论学家安德烈·林德在给他寄来的信中提到的。那时古思正和他哥伦比亚的老合作者埃里克·温伯格在写一篇关于渗滤问题的论文,试图解释为什么暴胀产生的气泡如此之小,以至于不能形成整个宇宙。当林德的论文稿寄到时,古思浏览了一下摘要,发现其中提到单一气泡的宇宙,这正是他们在驳斥的一个观点,他自己咕哝了一句“简直是胡扯”。
他差点儿把文章搁到一边儿,但还是读了下去。当他意识到林德已经解决了暴胀问题时,变得兴奋起来。
林德解决办法的关键是对称性破裂时希格斯场冻结的方式。在古思、科尔曼和其他人的原始理论中,迟早发生的相位跃迁几乎是稍纵即逝的:希格斯场在顷刻间冻结。林德提出希格斯场的另外一种可能,在这个可能性中冻结的过程是缓慢柔和的。当宇宙进入过冷的状态时,希格斯能量开始缓慢衰变。就像从长长的缓坡上滚落下的小球。在漫长的衰变过程中,宇宙仍然处于假真空状态,充满能量,并继续暴胀。实际上,宇宙是在缓慢地凝结而不是瞬问冻结。
当不断下降的能量水平最终达到零时,暴胀会自己停止。那时,真正的零能量真空,即非对称的时空,会以光速扩展开来。到那时,暴胀已经把一个气泡吹得足够大,足以形成宇宙了。
这是个出色的论证,古思立刻认为它是成功的。古思想,如果自己不对暴胀进行系统阐述的话,也许林德已经发现了暴胀。事实上,林德本人的确发现了暴胀,但他抛弃了。因为他没有意识到这可以解决宇宙的平面性和视界问题,而且他被渗滤问题弄得泄了气。当他了解到古思的思想时,倍受鼓舞,决定从新的角度构建这个理论。这期间,宾夕法尼亚大学的两个物理学家保罗·斯坦哈特和安德烈亚斯·阿尔布雷克也在探索这个想法。林德的论文稿到后不久。他们的论文稿也摆到了古思的桌子上。斯坦哈特一年前见过古思,当时他是哈佛年轻的教授。他认为暴胀理论很优秀,不应该夭折。于是他投入精力开始对这个理论进行拯救。
这件事对古思没有影响,结果却和斯蒂芬·霍金闹了个不愉快。一场围绕谁是“新暴胀”发明者的激烈斗争悄无声息地展开了,斗争一方是霍金,另一方是众多美国宇宙学家。
霍金比较接近莫斯科学派。1981年他去莫斯科拜访了林德,当时林德正在研究新暴胀。那年秋天,霍金到美国接受费城富兰克林学院的奖章。他在德雷克塞尔大学有个讲座。后来他声称自己在那次讲座中提到了林德的想法,并说当时在场的斯坦哈特还把这一观点写进了自己的论文。霍金担心他泄露了朋友林德的秘密。
当斯坦哈特听到对自己的指控时,非常生气。他在宾夕法尼亚只是一个资历很浅的教授,而霍金是剑桥的卢卡斯讲座数学教授,是牛顿和迪拉克曾拥有的职位。他不记得霍金谈过林德的理论。其他听了霍金讲座的美国物理学家也不记得。但是霍金很固执,他一向如此。
当斯坦哈特发现我也知道那场有关新暴胀的争论时,又一次感到气愤。他生气地说,把这件事公之于众,只能更大程度地毁坏他的事业。当霍金在他的畅销书《时间简史》中再次对此事有所讥讽地暗示时,斯坦哈特火冒三丈。他几经周折找到了霍金在费城讲座的录像带,录像带证实霍金确实没有提过林德的新暴胀,于是他给霍金寄去了一盘录像带。霍金宣称这本书以后再版时。对斯坦哈特有所冒犯的这一段内容将被删掉。
特纳是霍金的崇拜者,同时也是斯坦哈特的朋友和合作者。他曾经试图劝说霍金是他冤枉了斯坦哈特,但没有效果。由于霍金的固执和强硬,特纳感到自己对他越来越不抱幻想了,与他的关系显得有些疏远。
后来,1988年在圣芭芭拉举行的一个会议上,霍金走到特纳跟前,问他:“你还打算和我讲话吗?”特纳承认当时他还在生气。霍金主动给《今日物理》写了一封信,刊登在1990年2月份的那期上。霍金称自己从未有意暗示过斯坦哈特剽窃了林德的成果。“我很肯定斯坦哈特和阿尔布雷克的研究是独立于林德的研究的,”他做了这样的结论,“如果因为我以前写的文章给一些人留下了错误的印象,我表示歉意。”斯坦哈特对此并不十分满意,但事情也就这样结束了。这个小事情表明霍金传奇的固执与强硬是有其负面影响的。
霍金·斯坦哈特的争端只是一个开始。当时这些科学家都在你争我抢地要取得暴胀理论给宇宙学带来的最后一个巨奖:得出星系从何而来的答案。根据皮布尔斯这些人的观点,星系是在引力的作用下从小种子或是密度扰动(原始火球中的细小波纹,否则其中的物质和能量的分布是平滑均匀的)中成长起来的。但还没有理论能解释这些波纹的存在,或预测出它们的相对大小和数量。宇宙学家们只是把他们喜欢的数字放入了计算之中。
1982年初,几个人几乎同时顿悟,把暴胀和一个通常不用于宇宙膨胀的概念,即著名的神秘的不确定性原则结合起来,可以解决宇宙起源问题的谜团。根据不确定性原则,希格斯场在太空中不是严格地均匀分布的,而要受到随机量子波动的影响。当暴胀结束,希格斯场凝聚成物质和辐射的时候,这些波动就会在物质能量密度中产生细小的波纹,这也许就是皮布尔斯和泽利多维奇这些星系理论学家早已假设存在的那些波纹。经过一段相当长的时间之后,这些波纹会成长为星系和星团。
也许这就是费米园地的倒数第二个梦想——把整个星系,一个壮观的由上千亿个太阳(宇宙中最大的独立物体)组成的大风车的形成,归因于宇宙在兆兆兆分之一秒时,一个半神秘的任何人不曾看到的作用场中的一个量于波动。最后一个梦想可能就是把宇宙本身描述为某种量子的作用。
很早就有人开始计算导致宇宙从暴胀中产生的实际团块,霍金是其中之一。同时,斯坦哈特和特纳也联合起来做相同的计算。那年春天,霍金发行了一个论文稿,文章称,暴胀确实可以产生大小和数量合适的团块以形成今天的星系;这正是宇宙学博士曾经预言的。但计算是极其困难的。特纳和斯坦哈特得出了另外一个答案,产生于暴胀中的团块太小,而不可能形成星系。谁是正确的呢?


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    天文学家习惯把他们看到的宇宙——一个从类星体到类星体的星系和星球的小球,直径大概是100亿光年——视为我们生存的宇宙。但如果古思是正确的话,这只是更大更广阔的整体中一个小小的斑点。有时他称之为元宇宙。我们这个暴胀大的气泡,直径可能是几兆光年,而不是几十亿光年。这个气泡以外还会有其他气泡,有许多其他暴胀的宇宙岛正在经历着它们自己的膨胀和演化的英雄史,域壁或是假真空海洋把它们与我们隔离开,它们有自己独立的时空。
    当我憧憬着这个伟大的画面时,不禁感到失望。暴胀就像一个损失惨重的胜利,几乎在和我们开玩笑。它使宇宙变得比我想像得更加野蛮,夏加不可理解。“我们的隔壁还有一个伟大的宇宙——让我们去吧。”然而,我们对更加宏伟的宇宙又了解多少呢?能使我们这个温馨的小宇宙保持平滑、安全的进程,也同样能让所有有意思的和基本的东西无望地分散开来,最终超出我们力所能及的范围。对这个魔术我们付出的代价是无知。有5种力或16维的线,壁和区域可能正从几兆光年远的地方以光速朝我们奔来。也许代价就是我们自身的存在,我们生活在一个时代的早期,所有的广袤还没有越过地平线。
    宇宙的起源已被抹掉。正如古思所承认的,你永远不可能知道暴胀以前发生了什么。在那一秒极小的部分里,宇宙获得了新生,它的历史被抹去。会有原始创生的痕迹从假真空的爆炸中幸免吗?
    暴胀作出的可观测到的预言之一是,可观测宇宙——也就是,我们一直希望看到的暴胀的气泡的一部分——的物质密度,应该无限接近临界密度。我们这个暴胀的气泡的命运取决于欧米嘎是比绝对值1.0大一些还是小一些的那一串小数,取决于宇宙在l060的距离上稍微中凸还是稍微内凹——甚至对桑德奇这样的人来说,这也是一个不可能回答的问题。弄懂我们这个宇宙的弯曲度比弄懂一句顶风传来的谣言还要困难,我们必须等待兆兆年,才能了解它的意思。
    什么是宇宙的命运?这是一个不明智的问题——也许答案一直在某个地方。古思带着忧郁的判断表示同意,但这个问题似乎没有难住他。“理论上讲,是可以预测出我们这个气泡的命运的。”他非常审慎地承认说。因为这是我们惟一能居住的地方,所以,这是有用的信息,但离我们知道整个宇宙的命运还相距甚远——整个宇宙中,所有其他的气泡,在顺流的时间中,在假真空或没有暴胀的原始碎片中,侧滑着离我们而去。实际上,古思已经找到了这里的乐趣。
    “在大得难以想像的规模上,宇宙是不均匀的。”他狡黠地笑着告诉我。他告诉我的越多。宇宙看起来就越不确定:在宇宙学本身当中就有某种不确定性原则。“宇宙的某个地方是开放的,某个地方是闭台的。会有一次大挤压。它看起来像个黑洞。”
    “现在还不清楚整个区域是否在经历同一种命运,”他继续说,“量子波动会在比可观测宇宙的更大规模上产生扰动。可观测宇宙的坍塌可能不包括暴胀的区域。”最终,产生的黑洞会像瀑布一样倾泻到越来越大的黑洞中去。
    这时,古思还需要处理后方的混沌,这把他带到了“地下室宇宙”。由于从免费午餐宇宙的概念中获得灵感,古思成为“不必付出理论”的狂热者。由于只用了25磅假真空的投入就得到了一个宇宙,古思考虑如果把少量的物质挤压成很高的密度和温度,从而使它再次达到大统一的温度并钻入假真空中,会发生什么情况呢?
    这个模型会不会以指数力向外爆炸,而毁掉我们生存的宇宙呢?那个高密度团块的引力场会不会用黑洞把自己包起来而隐藏在宇宙中呢?
    古思和麻省理工学院的另一位教授埃德·法赫里有趣地发现,答案是两个。如果你能把25磅的物质压缩到直径为10-24厘米,其质量密度大约是水的l075倍,那么,在其他条件适合的情况下,假真空的气泡,或者古思称做的“婴儿宇宙”,就会形成。从外表看,它像一个黑洞。从里面看,它像一个暴胀的宇宙。“这是一个安全的实验。”古思解释说。婴儿宇宙会偏离我们滑走,然后膨胀成自己的时空。
    它的黑洞的脐带会在10-34秒内消失,使这个婴儿宇宙彻底与我们分开。尽管从外面看它像一个蒸发的黑点儿,但从内部看,它是一个行将羽翼丰满的宇宙,会膨胀到直径为几十亿光年的宇宙,然后有星系成长。
    把物质压缩成假真空密度,除了有能量的问题外,古思和法赫里只发现地下室宇宙的另外一个障碍。为了避免使它成为普通的黑洞,这个高密度的小针孔必须用线穿到一个已经存在的奇点上——这被认为是普通的地下室所缺少的东西。
    但有一个漏洞,古思解释道。根据量子理论,太空会由于这些以实际黑洞形式存在的奇点而密度大增。它们扭动的坍塌和不断的蒸发会在很小的程度上,使连续的空间和时间脱节,这也许会给新的宇宙提供种子。所以,量子波动随时都可能在我们的脚下繁衍出无数的宇宙。会有一个无限的可以衍生宇宙的宇宙链,林德称这个现象为“永恒暴胀”。至于开始新的宇宙所需的能量问题,我们目前的科技还无法达到,但这并不意味着,将来的技术无法达到,也不意味着,在由许多宇宙组成的元宇宙中的某个地方存在的先进种族无法达到。
    “实际上,”古思的结论是,“我们的宇宙也许就是从谁家的地下室里开始的。”他略咯地笑了起来。


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      End


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      IP属地:广东21楼2018-02-23 19:23
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        暴胀理论(Inflation theory)于1980年由麻省理工学院(MIT)的科学家阿兰·固斯(Alan Guth)提出。该理论指出,早期宇宙的空间以指数倍的形式膨胀。这种快速膨胀过程叫做“暴胀”,意指宇宙在一段时间里,是以非常大的增长速率膨胀。按照固斯理论,暴涨过程发生在宇宙大爆炸之后的10-36 秒~10-32秒之间。在暴涨结束后,宇宙继续膨胀,但是膨胀速度则小得多。


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        IP属地:广东23楼2018-02-23 19:24
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          @ャ海蓝の... 使用挽尊卡

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          IP属地:广东24楼2018-02-23 19:33
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            IP属地:广东25楼2018-02-23 19:33
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              @ャ海蓝の... 使用挽尊卡

              挽回他的尊严!

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              IP属地:广东26楼2018-02-23 19:33
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                @ャ海蓝の... 使用挽尊卡

                挽回他的尊严!

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                IP属地:广东27楼2018-02-23 19:33
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                  宇宙的总质量是不会改变的,它只会从某种物质变成另一种物质。


                  IP属地:湖北来自Android客户端28楼2018-02-23 19:44
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                    字多不看


                    IP属地:广西来自Android客户端29楼2018-02-23 20:06
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                      前排??


                      IP属地:山东来自Android客户端30楼2018-02-23 20:20
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                        好历害,膜拜学霸


                        IP属地:广东来自Android客户端31楼2018-02-23 20:32
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                          溜了溜了


                          IP属地:广东来自Android客户端32楼2018-02-23 20:36
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                            @ャ海蓝の心メ 使用破旧的挽尊卡挽回他的尊严!效果:宇宙吧经验+1


                            IP属地:广西来自Android客户端33楼2018-02-23 21:01
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                              IP属地:浙江来自Android客户端34楼2018-02-23 21:19
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