北京時(shí)間10月25日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，宇宙大爆炸模型是目前對(duì)宇宙歷史的最成功解釋，而且這一模型的核心框架可以很容易地濃縮為一句話：在很久以前，我們的宇宙要比現(xiàn)在小得多。在這個(gè)簡(jiǎn)單的句子背后，是許多經(jīng)過(guò)數(shù)十年觀測(cè)后得到驗(yàn)證的重要預(yù)言。宇宙的膨脹速率、宇宙微波背景輻射、最輕元素的產(chǎn)生、近處和遠(yuǎn)處星系之間的差異……所有這些研究獲得的證據(jù)使宇宙學(xué)成為一門(mén)科學(xué)。然而，一些問(wèn)題依然懸而未決。
在沒(méi)有其他補(bǔ)充或修正的情況下，大爆炸理論無(wú)法解釋所有觀測(cè)結(jié)果。
望向遙遠(yuǎn)的宇宙
我們看到的是無(wú)比巨大的宇宙空間。目前可觀測(cè)的宇宙直徑超過(guò)900億光年。而且，隨著我們對(duì)過(guò)去的了解越來(lái)越深，我們的目光也看得越來(lái)越遠(yuǎn)。圍繞在我們周?chē)氖怯钪嫖⒉ū尘拜椛?，這是宇宙誕生不久（大約27萬(wàn)年）時(shí)遺留下來(lái)的“化石”痕跡——宇宙最古老的光，距離現(xiàn)在過(guò)去了138億年。
這些熱輻射穿過(guò)遙遠(yuǎn)的宇宙空間，來(lái)到我們身邊。距離之遠(yuǎn)，我們現(xiàn)在還無(wú)法到達(dá)其源頭。而且，對(duì)于宇宙微波背景的不同部分，其輻射也彼此無(wú)法到達(dá)。用物理學(xué)的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，宇宙微波背景的不同區(qū)域不是因果關(guān)聯(lián)的。換句話說(shuō)，在過(guò)去138億年中，對(duì)于我們可觀察宇宙極限范圍內(nèi)的一大塊區(qū)域而言，如果要與另一大塊區(qū)域溝通，就必須發(fā)送比光速更快的信號(hào)。
如果宇宙微波背景不是幾乎完全平滑的話，這些就不是什么大問(wèn)題。新生宇宙具有相同的溫度（差別只有百萬(wàn)分之一）。為什么一切都協(xié)調(diào)得如此之好，一處區(qū)域的變化都沒(méi)有足夠的時(shí)間影響到其他區(qū)域？
宇宙是平的
盡我們所能對(duì)宇宙進(jìn)行測(cè)量，會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙的幾何學(xué)性質(zhì)似乎是完全的平坦。在大的宇宙尺度上，平行線永遠(yuǎn)保持平行，三角形的內(nèi)角加起來(lái)是180度，以此類(lèi)推。你在高中學(xué)到的歐幾里得幾何規(guī)則都適用。
但是，宇宙沒(méi)有理由是平坦的。在大尺度下，宇宙可以有任何想要的彎曲，它可以像一個(gè)巨大而多維的沙灘球，也可以像騎馬用的馬鞍。然而，它選擇了平坦，而且不只是有點(diǎn)平坦。在如今的宇宙中，沒(méi)有哪里的曲率可以達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn)的精度，早期宇宙則肯定能達(dá)到百萬(wàn)分之一的平坦程度。
為什么？在所有可能的曲率選擇中，幾乎完全平坦的選項(xiàng)難道沒(méi)有一點(diǎn)可疑嗎？而且事實(shí)上，我們確實(shí)懷疑這種平坦度是有原因的，而不僅僅是擲骰子的幸運(yùn)結(jié)果。
神秘的磁單極子
在理論物理學(xué)中，磁單極子是假設(shè)的僅帶有單一磁極的基本粒子——想象一個(gè)只有北極或南極的粒子在獨(dú)自轉(zhuǎn)動(dòng)。在已知物理學(xué)中，具有磁北極的物體也同時(shí)具有磁南極。根據(jù)目前關(guān)于最早期宇宙（大約是10^-35秒時(shí)）的最佳模型，當(dāng)時(shí)宇宙中應(yīng)該充斥著這樣的磁單極子。
這些磁單極子應(yīng)該非常常見(jiàn)，甚至應(yīng)該成為我們?nèi)粘Ｓ钪嫔钪械恼２糠?。然而，截至目前我們還沒(méi)有看到哪怕一個(gè)證據(jù)。在黑暗宇宙中似乎并沒(méi)有潛藏著神秘的單極子粒子。
它們?nèi)ツ睦锪?？在宇宙剛開(kāi)始變得有趣時(shí)，它們應(yīng)該大量存在的，但如今卻無(wú)處可尋。
暴脹的宇宙
目前我們對(duì)這些難題的最佳解釋是宇宙暴脹（inflation）的過(guò)程。1980年，美國(guó)物理學(xué)家阿蘭·古斯（Alan Guth）首次提出了這一理論，并指出導(dǎo)致磁單極子充斥宇宙的過(guò)程也使宇宙進(jìn)入了一個(gè)快速膨脹的時(shí)期。
想象一下，如果將你的身體——包括腸胃、大腦、骨架等等——膨脹到整個(gè)宇宙大小，并且只花了不到10^-32秒的時(shí)間。這是非常猛烈的膨脹過(guò)程，所謂宇宙暴脹即是如此。阿蘭·古斯提出，當(dāng)我們的宇宙非常年輕時(shí)，它就在不到一眨眼的時(shí)間里膨脹到了如此龐大的尺度。
對(duì)古斯而言，這是解決磁單極子難題最干脆的途徑。通過(guò)使宇宙變得如此之大，磁單極子就會(huì)被稀釋。我們可觀測(cè)的部分宇宙只是整個(gè)宇宙的一個(gè)小角落，還有無(wú)比巨大的空間在那里，我們甚至永遠(yuǎn)都不能期望會(huì)發(fā)現(xiàn)磁單極子。
宇宙暴脹還解決了大爆炸理論的另兩個(gè)問(wèn)題。在暴脹之前，宇宙有充足的時(shí)間來(lái)協(xié)調(diào)和平衡溫度，然后再進(jìn)入一個(gè)更大尺度的狀態(tài)，同時(shí)一些曾經(jīng)連接著的區(qū)域也彼此分離，無(wú)法再互相接觸。在這樣一個(gè)廣闊的宇宙中，我們?cè)诳捎^察的部分里也只能測(cè)量到平坦的幾何學(xué)特征。誰(shuí)會(huì)在乎整個(gè)宇宙的曲率是多少……它太大了，以至于在我們看來(lái)幾乎完全是平坦的。地球是有曲率的，但如果站在地面上看，你會(huì)看到后院的草坪是平坦的，因?yàn)樗拿娣e相對(duì)地球表面而言太小了。在考慮宇宙形狀的問(wèn)題時(shí)，你也可以運(yùn)用同樣的邏輯。
盡管如此，科學(xué)家對(duì)宇宙暴脹背后的機(jī)制仍然充滿困惑。作為一個(gè)并不完美的科學(xué)假說(shuō)，暴脹理論不能只解釋當(dāng)前的觀察結(jié)果，也在對(duì)未來(lái)的觀察進(jìn)行預(yù)測(cè)。那就是未來(lái)新的故事了。
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