宇宙万物生于有，有生于无

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 风月同天|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 太空探索

主译：毕逸飞

校对：清水明澄

审核：牧夫天文校对组

美编：苏奕月

后台：王启儒

https://cutting-edge-research.toyaku.ac.jp/series/3700/

大爆炸之前

现在的宇宙是一个不断膨胀的宇宙，如果回溯过去，宇宙曾是一个火球，自这个火球开始的膨胀被称作“宇宙大爆炸”。

但宇宙大爆炸理论还是存在一些不足之处，第一个是极为根本性的问题，即宇宙为何会以火球的形式诞生。第二个是宇宙为何均匀的问题。宇宙要变得均匀，其各个区域之间必须发生相互作用，而相互作用的速度无法超过光速。但观测结果显示，宇宙的温度与密度不随方向变化，呈现出高度均匀的状态。宇宙各区域在此之前本应无法发生相互作用，却依然保持均匀，这就是宇宙均匀性问题。

暴胀理论的提出：真空中的能量

宇宙暴胀理论，是为解决宇宙大爆炸理论存在的问题、解释宇宙诞生时以及大爆炸之前发生了什么而提出的理论。1980年左右，佐藤胜彦与艾伦·古斯（A.H. Guth）分别独立提出：真空本身存在能量，在真空能量产生的斥力作用下，宇宙会发生指数级急剧膨胀。这一理论便是如今所说的宇宙暴胀理论。

真空一般指空无一物的空间，但暴胀理论认为，宇宙初期的真空是携带能量的。

宇宙万物生于“无”

据亚历山大.维连金(A.Vilenkin)所述，宇宙诞生于“虚无”状态。所谓“虚无”状态，指的是宇宙尺度为零的时刻。真空具备能量，但其能量密度是与体积无关的有限值（并非无穷大）。因此，在“虚无”状态下，宇宙体积为零，宇宙的总能量也为零。

这种“虚无”状态，是时空体积为零、能量也随之归零的状态。极小的粒子遵循量子力学规律运动，并存在量子涨落；而体积为零的时空（诞生前的宇宙）同样极其微小，因此也遵循量子力学规律，存在量子涨落。当量子涨落超过某一临界值时，时空便开始膨胀（宇宙诞生后约5×10⁻⁴⁴秒）。这便是宇宙从“虚无”中诞生的过程。

宇宙的急速膨胀

新生的微观宇宙（约10⁻³³厘米）远比原子核（约10⁻¹³～10⁻¹²厘米）微小，宇宙由此开始膨胀。宇宙初期，真空蕴含能量，而这种真空能量会以斥力形式发挥作用。随着宇宙膨胀、体积增大，真空能量随之增加，新增真空能量产生的斥力会让宇宙膨胀加速。最终，宇宙以指数形式膨胀了数百个数量级，形成宏观宇宙。这一过程便是宇宙暴胀。

宇宙经历过相变

这种指数级膨胀（暴胀）并没有一直持续下去，因为膨胀的宇宙经历了相变。物理学中的相变，指的是稳定状态的改变；例如温度下降时，蒸汽（气体）会发生相变，变成低温下稳定的液态水。而宇宙的相变就是宇宙稳定状态的改变。

在物理学中，已知有四种基本力（引力、电磁力、强力和弱力：后两种力作用于基本粒子）。宇宙诞生之初，这些力是统一的，只存在一种统一的力。有假设认为，宇宙在膨胀过程中经历了相变，四种基本力依次演化并最终从单一的统一力中产生。

由于蒸汽具有潜热，当蒸汽发生相变变成水时，这些潜热会以凝结热的形式释放出来。同理，随着宇宙的相变，此前数量级增加了数百倍的真空能量（潜热）也以热能的形式释放出来。这种热能将宇宙转化为一个火球，宇宙大爆炸由此开始。

暴胀理论的解释

暴胀理论可以解释宇宙的膨胀和宇宙大爆炸的起因。首先，宇宙的膨胀是由一个排斥力作用于零体积“虚无”宇宙的真空能量而触发的。这种真空能量转化为热能，宇宙大爆炸由此开始。换句话说，宇宙大爆炸的热能来源于膨胀宇宙的真空能量。

宇宙的均匀性也可以用暴胀理论来解释。虽然信息传播（例如光）的速度不能超过光速，但宇宙的膨胀是空间本身的膨胀，因此可以超过光速。宇宙的均匀性可以解释为：宇宙在以超光速快速膨胀之前，能够与其他空间相互作用，从而在那时变得均匀。

然而直到现在，关于宇宙的起源仍然存在疑问，相关研究正通过实验、观测和理论研究不断推进。

参考文献：

佐藤胜彦，《宇宙的起源与物质的起源》，载于：山岸昭彦编：《天体生物学》，科学同人出版社（2013）。

冈村贞典等编。 《人类居住的宇宙》（第二版），现代天文学系列，Kindle版（2017）

佐藤胜彦、二濑俊文（编）。《宇宙学I：宇宙的起源》（第二版，修订版），现代天文学系列，Kindle版（2021）

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

NGC1512：一个庞大的螺旋星系
来源：网络

谢谢阅读