宇宙黎明破晓前 | 极早期宇宙的二三事

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相对论告诉我们，时间与空间是一体的，无法割裂；早在战国时期，也有尸佼所云“上下四方曰宇，往古来今曰宙”，至今仍然是关于宇宙的一个非常形象的诠释。

伴随着早期的哲学思辨到1915年爱因斯坦提出广义相对论，人类对于宇宙的认知以及其起源的初步了解才真正走入了科学的范畴，并逐渐形成了一个充满生机内容丰富的学科领域：宇宙学。几百年来，一代代物理学家们以实验数据和观测证据为信条，并以此建立起描述世界运行的宏大理论。

/婴啼：BIG-BANG!

曾几何时，爱因斯坦也笃信着静态宇宙图像。他在广义相对论中阐述，一团静止的物质之间如果没有相互排斥的作用，就会因为引力而开始坍缩。于是他凭借直觉在场方程中放了一个宇宙学常数项，给宇宙凭空加入了排斥的力，与万有引力抗衡，使得宇宙总体能够呈现静态。

与此同时，理论家们也开始从场方程中寻找各种可能的解，德西特（De Sitter）就找到了一个呈指数形式膨胀的解，这个看似荒谬的数学解在后来的宇宙学研究当中扮演了重要的角色。

1920年代末期，美国天文学家哈勃（Edwin Hubble）利用造父变星的周-光关系，系统地测量了几个星系的距离；与此同时，来自比利时的勒梅特（Georges Lematre）教士也研究了宇宙动态膨胀的理论可行性。随后，著名的哈勃-勒梅特定律宣告于世：遥远星系的退行速率与我们之间的距离呈正比。

美国天文学家哈勃 / Wiki

这一旷世发现立即在科学界引起了轩然大波，这表明我们生活的宇宙是膨胀的，而非像人们之前所期待的那样亘古不变。这也暗示我们，宇宙可能并没有中心，我们和天体仿佛就像膨胀气球表面的图案，在互相远离。

前苏联物理学家伽莫夫（George Gamow）和他的学生阿尔菲（Ralph Alpher）等人猜测，宇宙曾经拥有一个无比稠密炽热的开始，在漫长的岁月中逐渐冷却并形成了我们现在所生活的环境。这一观点一经提出便遭到了学术巨头的反对，对恒星理论有着卓越贡献的英国天文学家霍伊尔把这个理论斥为荒谬的“大爆炸”（Big-Bang），而这一朗朗上口的名字很快就成了伽莫夫所提出的这一理论的代言商标。

宇宙演化史 / ESA

霍伊尔曾主张元素周期表上的元素是由恒星活动所形成的，但“大爆炸”理论有一个致命的缺陷：作为恒星燃料的氢和氦是如何形成的呢？

根据伽莫夫等人的计算，热大爆炸起源的极早期宇宙能够在大爆炸余晖所造成的极高温度下产生元素周期表上最轻的几个元素，这一过程发生于大爆炸之后第3分钟到第20分钟期间。基于原初核合成理论的热大爆炸宇宙学说对于元素丰度的预言横跨了10个数量级！并且在上世纪中叶的天文观测中陆续获得了证实。

热大爆炸宇宙学的成功还远远不止这些。只要有温度的物体都会辐射能量，宇宙既然是热大爆炸起源的，就理应会在宇宙空间中留下大爆炸的余辉，也就是某种形式的电磁波功率谱。

很快，1964年，贝尔实验室（就是从事电话研究的那个贝尔）的彭齐亚斯和威尔逊利用巨大的号角形天线捕获到了全天各方向一致的“噪声”，这就是大爆炸的余辉，也就是我们今天所说的“宇宙微波背景辐射（CMB）”，二人也因此在1978年分享了诺贝尔物理学奖金。热大爆炸宇宙学的地位至此难以撼动。

宇宙微波背景辐射就好像是宇宙的第一张自拍，将婴儿时期的宇宙呈现了出来。

/热大爆炸宇宙学的大危机

观测事实证明，宇宙在很大尺度上（比星系还要大很多很多）是相当均匀的，这些观测证据也检验了爱因斯坦所提出的宇宙学基本原理：宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的。

但是好景不长，上世纪七十年代，热大爆炸学说的危机开始凸显。宇宙学家们开始意识到，热大爆炸宇宙学仅仅只是极早期宇宙所经历的一段历史而已，事实上我们距离揭开宇宙起源的真相相差甚远。

首先，用于构造热大爆炸宇宙学模型的物理基础并不是完美无瑕的。正如同牛顿的经典力学一样，广义相对论也有它的适用范围。当物理现象所涉及到的能量超过这个适用范围，那么这个理论就会失效。

经过粗略估计，我们现在所了解的理论至多能够描述宇宙创生10-43秒之后发生的物理过程，而在那之前，目前任何理论都无能为力。如此一来，我们的宇宙似乎就有了一个初始时刻：t0≈10-43秒。我们可以给定宇宙的各类初始条件，然后通过物理理论的支配从而演化得到今天所生活的宇宙状态；又或者，我们也可以根据已经被观测的当前宇宙状态反演倒推，得到t0时刻宇宙的状态。

暴胀宇宙（想象图）/ Wiki

第一个问题出现了。“初始”宇宙包含了约1084个因果不连通的区域。所谓因果不连通，就是说这些区域互不关联，彼此都无法影响到对方的未来演化，因此，我们没有任何理由要求它们一直保持几乎相同的状态并持续138亿年到今天。如果是这样的话，人类今天所看到的各个方向均匀分布的宇宙将会是一个无比巨大的巧合事件。这被称为“ 因果性疑难”。

第二个问题在于，今天的宇宙在可被观测的大约920亿光年范围内是几乎平坦的，如果反演到初始时刻，当时的宇宙需要比现在还平坦上1054倍以上才行。否则，如果宇宙的空间曲率哪怕略微正一点儿，今天的宇宙已经坍缩回到奇点；又或是宇宙的空间曲率稍微负一点儿，今天的宇宙可能已经膨胀得空无一物。这被称为“ 平坦性疑难”。

除此之外，经典的热大爆炸宇宙学图像还面临其它一系列的麻烦，包括磁单极子疑难等等。很难想象一个存在这么多致命缺陷的宇宙学说，竟然还保存着如此强大的理论预言能力，并且取得了巨大成就。

/创世：暴胀宇宙学

热大爆炸宇宙学的这些问题吸引了一大批宇宙学家。1980年，一个正在做博士后的年轻人阿兰·古寺（Alan Guth）提出了一个非常巧妙的想法。他假定在t0之后的一段短暂的时期，宇宙像指数函数那样剧烈膨胀，当宇宙单位体积膨胀约1080倍以上，那么暴胀之后的可观测宇宙空间就很容易融入到一个均匀的因果联通的区域当中。快速地膨胀仿佛一个快速胀大的气球，表面的皱褶也被迅速抹平，于是平坦性疑难以及磁单极子疑难等问题也迎刃而解！

接下来的问题就是：什么样的神秘力量才能驱动宇宙像这样膨胀呢？

此时早已战无不胜、取得无数荣耀的量子场论告诉我们，真空并不是空的，时空中充满着各种各样的“ 场”，当这些场激发的时候，就是我们所熟悉的基本粒子。

按照古寺的想法，一个质量很重但具有假真空态的标量粒子所对应的标量场，可以充当暴胀的源动力！这个标量场或许就是当时还未曾发现的粒子物理标准模型苦苦追寻的希格斯场。（2012年，希格斯玻色子在欧洲大型强子对撞机上被发现，人们终于找到了标准模型当中缺失的最后一块拼图，希格斯本人也因此于次年获得诺贝尔物理学奖）。

暴胀学说与宇宙泡图像。/ Endless Universe

但是古寺的图像也存在一些缺陷，这种暴胀一旦开始，就停不下来，这正是“旧”暴胀模型的“退出”疑难。突然发生的宇宙学相变会使宇宙变得不均匀，这与观测事实相悖。随后，林狄（Andrei Linde）、斯泰恩哈特（Paul Steinhardt）等人分别独立改进了古寺的模型，使得“旧暴胀”模型中的疑难逐一被解决。

但是这类“新暴胀”模型在某种意义上，同样面临着类似经典热大爆炸宇宙学初始状态选择的问题，这个令人头痛的问题后来被称为“ 精细调节（fine-tuning）”问题。但如果暴胀模型需要精细调节，那么这是一个严重的缺陷。因为暴胀的重点是避免当宇宙从大爆炸中出现时不得不去精细调节的初始条件。

/扰动理论

尽管从一开始提出就被泼上了冷水，但暴胀模型并非毫无进展。事实上，基于暴胀模型所发展起来的宇宙学扰动理论，非常成功且精确地解释了一系列宇宙学实验的观测数据，包括宇宙微波背景辐射和大尺度结构巡天。

在这个扰动理论中，宇宙学家坚信所有今天的宇宙大尺度结构的种子，就来自暴胀期间的标量场所产生的量子涨落。宇宙原初的微小密度扰动会自发地生长，这来自于引力本身的不稳定性：一旦某个区域内的密度稍稍大了一些，这个区域对物质的引力也就随之变大，进而越来越多的物质开始在这里聚集。如果扰动长大的速度太快，我们的宇宙就会极度地不均匀：极少的区域里挤满了几乎整个宇宙中的所有物质，扰动长大得太慢，又无法形成星系。引力的不稳定性使得静态宇宙中的小扰动会以指数函数的速度长大，所幸膨胀的宇宙在一定程度上与引力相抗衡，小扰动得以以我们所希望的速度成长。

暴胀学说被提出之后，经过穆哈诺夫（Slava Mukhanov）等诸多宇宙学家的努力，发展出了很多方法对付规范自由度问题，基于这些手段宇宙学扰动的研究过程被大大简化，广泛地应用于研究。

用“大成若缺”来形容宇宙原初物质扰动扮演的角色再合适不过，因为宇宙学原理所描述的完美的“均匀且各向同性”的宇宙是单调枯燥且毫无生机的。起源于量子力学不确定性原理的微小扰动，在宇宙漫长的演化中最终形成了今天我们所看到的美轮美奂的夜空，也使我们的诞生成为了可能。

/反弹宇宙学

扰动理论在暴胀宇宙学的研究过程中不断发展，在宇宙学理论中扮演着至关重要的角色，是连接理论与观测的重要桥梁。此外，随着对暴胀的深入理解，物理学家逐渐意识到，在这个学说中，大爆炸奇点依然是不可避免的。这意味着暴胀本身是不完整的理论，我们不知道暴胀如何开始，也不知道在此之前又发生了什么。同时，人们也开始反思，暴胀是不是描述极早期宇宙的唯一可能？

在这个背景下，一系列的替代图像应运而生，其中最具代表性的就是反弹宇宙学。实现反弹宇宙图像的理论模型有很多，例如加拿大麦吉尔大学的罗伯特·布兰登伯格（Robert Brandenberger）教授与英国朴茨茅茨大学的大卫·沃兹（David Wands）于1999年提出物质反弹模型、中国科学院高能所的张新民研究员及团队于2007年提出的精灵反弹模型等。

反弹宇宙学说 / Bonoguore

反弹学说同样可以解释热大爆炸宇宙学所面临的初始条件疑难。在这类理论图像中，大爆炸之前的宇宙处于一个收缩过程，体积越来越小，直到某一时刻宇宙收缩到一个极小值，然后反弹进入标准的热大爆炸膨胀阶段。由此可见，反弹学说不仅继承了热大爆炸宇宙学的成功之处，还避免了那个会让宇宙学家头皮发麻的时空奇点，进一步推动了热大爆炸宇宙学的理论发展。

/万物生：预热与重加热

由于暴胀过程极具“稀释”效应，这一过程结束时整个宇宙内一片死寂，仅剩下驱动暴胀后标量场遗留的能量、或者是一些其它轻的标量场。这时驱动完暴胀的“暴胀小球”会滚落到能量最低的山谷中，并在谷底附近不断振荡，在粗糙的谷底振动的小球渐渐因为耗散而耗尽能量，于是暴胀场就会发生“衰变”，并将暴胀后遗留的、但仍然巨大的能量给释放出来，从而生长出各种后期宇宙演化所需要的物质成分。

这些大量产生的物质成分，不仅包括光子、电子、质子等粒子物理模型所能描述并被观测得到的粒子，还包括了原初时期就产生的暗物质和暗能量。因此，这一阶段可谓是宇宙万物的孕生时期。

当加热结束、暴胀场衰变得差不多时，宇宙当中剩下一锅无比炽热的粒子汤粥，这恰好就是热大爆炸宇宙学说需要的初始状态，被称为“重加热（Reheating）”。

暴胀结束后的宇宙重加热是通过在谷底来回滚动的“暴胀小球”驱动的。/ 本文作者制图

但预热与重加热过程产生的粒子并不是像我们期待的那样处于热力学平衡态，而是处在非平衡态。因此，从暴胀结束到经典大爆炸理论开始的期间，会发生很多非平衡态的热力学过程。这些过程会带来一系列新鲜有趣却当前还有待确认的理论结果。

其一，我们今天生活在一个以正物质为主导的世界里（如果正反物质在宇宙中等量地产生，那么今天宇宙中的一切会因为正反物质湮灭而和所看到的大相径庭，这也会导致人类等智慧生命体的不复存在）。

其二，这些非平衡的热过程或许能够解释暗物质的存在。这些尚未找到的暗物质在今天观测到的宇宙中可能占比高达25%，而已知的可见粒子仅仅只有约5%。

对于重加热和预热过程，目前宇宙学界还存在着大量的开放性问题，有待大家进一步去研究和解决。或许恰恰是因为有着这么多未解之谜，有关极早期宇宙的话题才会如此引人入胜，围绕极早期宇宙的研究也会不断加深人类对新物理的渴求。

多重宇宙（想象图）/ Wiki

/不是尾声

2015年LIGO探测到引力波以后，观测宇宙学进入了新的时代，很快人们第一次得到了双黑洞并合的引力波、又第一次得到了双中子星的引力波、在电磁波的窗口下甚至通过甚长基线干涉技术获得了第一张超大质量黑洞的照片……

发现引力波的LIGO探测器。/ LIGO

技术的高速发展使得我们相信在可预见的未来，我们就能够通过宇宙微波背景辐射的偏振观测、脉冲星阵列、空间激光干涉引力波天文台等手段对这些物理过程做出更深刻的认识。

近年来，宇宙学天文学领域喜报频出，新的观测手段不断丰富。例如由中国牵头，正在西藏阿里地区建造北半球首个宇宙微波背景辐射极化观测望远镜，将针对宇宙微波背景辐射的偏振信号进行探测，努力捕获原初引力波的信号。如果这一目标得以实现，人类对宇宙的认知可以从当前的大爆炸后三分钟推进到约10-30秒以内，那么我们或许将真正解开极早期宇宙的种种谜团。

来源：中国国家天文