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奇点大爆炸的瞬间到底发生了什么?为何很快就炸出那么大的宇宙?

  通过哈勃对宇宙天体红移现象的探测和总结,在此基础上科学家们推测出了宇宙正在不断加速膨胀的事实。然后再利用宇宙微波背景辐射等辅助探测手段,最终判定宇宙的年龄为138亿年,在138亿年前,整个宇宙还没有时间和空间的概念,所有的物质和能量都集中在一个体积无限小、质量无限大的奇点之上,然后在量子涨落的影响下,出现了能量的瞬间极速爆发,最后炸出了现在的宇宙,这就是我们通常说的宇宙暴涨猜想。
  这种猜想,是截至目前对宇宙形成和发展进程最科学、最完美、最大胆的假设,并且已经被多种天文观测现象所证实,成为目前科学界关于宇宙形成和发展的主流观点。当然我们以现在的科学技术水平,无法准确还原奇点大爆炸瞬间的情景,在那个期间到底发生了什么?宇宙暴涨时的能量从何而来呢?这些都是长期以来乃至今后很长时间,天文学家们需要重点研究的领域。
  当前对奇点大爆炸后所发生事件的猜测
  科学家们通过对宇宙宏观结构以及大爆炸以后的余晕进行了长期的观察,认为宇宙在诞生初期,经历了一段短暂的极快膨胀期,这个宇宙暴涨进程,使得宇宙空间在极短的时间内,体积增大了无数倍。
  根据科学家们的推测,在奇点大爆炸开始后的一个普朗克时间,即10(43)秒内,就完成了扩张的主要进程,在此过程中引力最先从大一统超力中分离出来。在随后到10(32)秒这段时间内,宇宙开始了暴涨,总体表面是温度相当高、秩序相当乱,这些都是超高能量的集中体现。在高温高压下,剩余的强相互作用力、弱相互作用力和电磁力仍然是统一的。
  如果在这个极短的时间内,如果空间的膨胀速率小于临界阈值,那么在超强统一作用力的驱动下,宇宙根本不会膨胀开来,而仍然会迅速坍塌。幸好在暴涨时期,随着宇宙体积的急剧加倍,能够制造出粒子的总能量变得非常大,所有的规则都被抹平,就如同吹气球一般,表面根本没有一丝褶皱。从大爆炸后的10(32)秒开始,随着宇宙空间的迅速膨胀,温度出现明显下降(相对来说),统一超力的对称性因粒子能量的降低而破坏,强核力、电磁力和弱核力相继被分离了出来。
  此时,虽然电磁力被分离了出来,但是宇宙大爆炸后产生正反粒子的频率仍然非常之高,相互之间的湮灭异常频繁,所形成的光子能量极其强大,不断地与核子和电子发生猛烈碰撞,原子核在这种情况下根本无法形成,光子也因此被锁在了等离子云中而逃逸不出来,这段宇宙的黑暗时期一直持续到大爆炸后的38万年前。
  直到大爆炸后38万年,随着空间的继续膨胀,宇宙整体温度持续下降,光子能量日益降低,原子核才得以形成,构成了宇宙中第一批自由中性原子,光子才得以从等离子粥中逃离出来,宇宙变得明亮起来。此后,这些自由原子在引力作用下慢慢发生聚集,最后形成了恒星、行星以及星系。而我们现在对宇宙的观测,都依赖于对电磁波,所以目前穷极一切手段,也只能探测到宇宙大爆炸之后38万年的情景,再往前就无能为力了。
  科学界对宇宙暴涨的疑问
  从当前科学家们对宇宙暴涨的猜测,这其中有一个最基本的假设,那就是在空间膨胀的过程中,最微弱的、随机性的量子波动被无限放大,然后微观尺度上的物质差异逐渐演化为宏观水平,直至星系甚至宇宙的两端,而这种暴涨的过程,是在宇宙大爆炸之后不足1秒时发生的。
  然而,这里面始终有困扰科学家们的问题,那就是宇宙暴涨的驱动力是什么?暴涨的能量来自于何方?到底持续了多长时间?又是什么力量终止了宇宙的暴涨,使其进入缓慢膨胀阶段?从目前来看,科学界还没有对这一终极问题缺乏完整的物理描述。终其原因,归根结底,我们还是没有在微观和宏观尺度下,拥有一套大一统的物理理论。
  现有对宇宙暴涨猜想的多种模型,都需要将宇宙增长到大非常宏观的级别作为基础,这样方可将奇点大爆炸时普朗克长度(约为1。61035米)上的微观物质区别,放大到非常宏观的尺度来研究探讨,然而我们对普朗克长度及以下的微观物理机制并不掌握,甚至连入门都谈不上,这个基础没有,如何使得宇宙暴涨模型成立有效呢?如果这个问题解决不了,那么暴涨理论岂不永远是猜想?跨普朗克猜想
  或许这个问题,在相当长时间内或者永远也不会找到答案,但这阻止不了科学家们的思考。有科学家提出了跨普朗克猜想,即猜测物理机制在一切小于普朗克长度下的情景。
  因为处在宏观世界的我们,永远看不到跨普朗克尺度下所发生的一切事情,即使物理学家们创立了量子理论,但跨普朗克尺度下的微观世界,也永远不可能进入到宏观世界中。所以,在很多宇宙暴涨理论中,都依赖于有效场进行研究,试图从低能量的情况入手,来研究高能量、微观小尺度下的物理机制。但有科学家对基于跨普朗克的有效场理论也提出了质疑,因为我们按照这种方式来解释暴涨过程,由于暴涨的时间非常快,我们一切的观察,都会打破原有的普朗克尺度世界,而是不可避免地将其暴露在宏观世界面前。
  弦理论是否可以解决?
  为了解决微小尺度与宏观尺度的融合问题,科学家们创立了弦理论,该理论认为,自然界中组成物质的基本单元,并非是电子、光子、夸克等占据空间的点状粒子,而是非常非常细小的一维弦,通过弦的振动和运动,产生出了各种不同的粒子,能量和物质在弦振动的过程中发生转化。虽然弦理论从目前看,也是一种猜想,并未得到证实,但是它有可能是能够将经典物理与量子物理统一起来的理论。
  在弦理论的一个分支领域弦气体模型中,对宇宙快速暴涨的原因也做出了阐释。该模型认为,宇宙的形成和发展过程中,根本没有经历过所谓的快速暴涨期,虽然也有膨胀过程,但是要缓慢和温和很多,并且在普朗克尺度下的波动,也没有暴露在宏观宇宙中,这一点与跨普朗克猜想相符合。但是,宇宙暴涨的猜测,与弦理论下关于多元宇宙的观点却不兼容,走出这个沼泽地仍任重道远。

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