2．大爆炸与暴涨宇宙学

图6-1　人类生活在二维的地球表面上

上世纪中叶，根据爱因斯坦的广义相对论给出了宇宙的弗里德曼动态标准模型，以后由盖莫夫提出大爆炸说，认为宇宙起源于一次高热高压下的大爆炸，以后逐渐膨胀冷却下来，形成一个标准大爆炸宇宙学。按照标准大爆炸宇宙学，我们的宇宙时空是一个空间均匀各向同性的常曲率空间，爱因斯坦认为物质能动张量会使时空发生弯曲，如果物质分布均匀，显然空间处处弯曲程度一样，故称常曲率空间，我们可以用一个三维空间的二维球面来示意我们的常曲率的空间宇宙（图6-1），想象这个二维球面宇宙上，生活着一些二维的生物，它们将如何描述自己生活的世界呢，A是其中一个高智商的生物，A会说它的宇宙是有限的，如果它会测量，A肯定测得它的宇宙大小是4R²，即球面的面积。如果A沿着球面大圆行走，它会发现自己总能走回自己的出发点，因此，它断言它的宇宙是封闭的、弯曲的。如果R随时间t增大，则球面愈来愈向四周扩展，A会发现它周围的星体都将远离自己而去。即所谓星光红移，于是A相信它的宇宙是膨胀的。星光红移称为都普勒位移，我们都有这样的生活经验，当声源如响着喇叭的汽车向我们开来时，我们听到的是尖锐的喇叭声即频率提高了，如果汽车远离我们而去，则喇叭声的频率会降低，图6-2示意了这一现象的原理，概括起来，A的宇宙是一个膨胀的弯曲的封闭的有限的宇宙。我们生活的真实宇宙与此相似，是一个四维时空中的三维超球面，尽管在自然的三维空间中，无法画出一个三维超球面，但是用数学方程却是十分容易描述的。依照标准的大爆炸宇宙学的模型，可以得到许多重要的结果：宇宙的年龄、寿命；宇宙的临界密度；宇宙的背景温度；宇宙中物质的丰度等等。如果记ρ0为宇宙的临界密度，若宇宙真实的密度ρ>ρ0，我们的宇宙就是正弯曲，封闭有限的；若ρ<ρ0，则我们的宇宙是负弯曲，开放无限的；若ρ=ρ0，我们的宇宙是平直无限的。尽管实际观测到的ρ<ρ0，但人们认为还有一些尚未能测量到的暗物质，它们在宇宙中大量存在，如果把它们加进来，则ρ>ρ0。宇宙是正弯曲的话，它便有膨胀及收缩阶段，即从奇点爆炸开始诞生，最后又收缩为一个奇点重新开始第二次大爆炸，所以宇宙是在时间上周期出现并演化发展死亡的，宇宙的寿命大约为10¹¹年。标准宇宙学还预言了宇宙中的氦丰度及微波背景辐射温度，这两个结论与实际测量数据十分吻合，因此，标准宇宙模型从60年代以来获得极大成功。然而，这个模型仍有许多理论上的困难，其中最主要的是：

图6-2　声的都普勒效应

（i）车C与观测者相对静止

（ii）车C向观测者开来，频率增大

（iii）车C离观测者而去，频率减小

1）奇点困难。宇宙空间成为一个几何点，那么能量密度、压力、温度都会出现无穷大。这在理论上是无法描述的，实际上更难理解，如何避免这个困难，通常要考虑量子理论，而且要处理一个从无到有的量子理论。

2）视界困难。由于宇宙中信息的传递最快是光速。因此，任何观察者看到的宇宙是半径为ct的三维球，其中c是光速，t是信息发出时间到观察者某时接收信息时间的间隔，一般取t为宇宙的年龄，按标准宇宙当宇宙早期t=10^-35s,宇宙约3mm半径时，光只前进了10^-25cm，宇宙可分为10²⁸个互为因果不相干区，图6-3示意这个状况，其中每个视界包围为半径ct的球体，而宇宙的大爆炸标准模型的基本假定是宇宙空间的均匀各向同性。于是，何以解释在10²⁸个因果不相干区，竟会相互协调一致有相同的密度分布！这又是谁告知它们的！

图6-3　宇宙分为10²⁸个因果无关区

3）磁单极子困难。标准宇宙学在理论上允许早期宇宙存在大量的磁单极，即独立的磁北极或磁南极。大家知道，按照通常的磁学理论，磁单极是不存在的，南、北磁极是互为依存的，我们找不到一块磁铁只有南极，没有北极，反之亦然。这是磁与电的重要区别。然而，英国物理学家狄拉克提出了磁单极存在的理论，它是一个拓朴孤子。目前问题是既然早期宇宙有那么多的磁单极，为什么今天一个也没有探测到？如此等等都是给大爆炸标准宇宙学带来的一些致命难题。尽管如此，标准宇宙学对早期以后的宇宙还是能正确描述的。

为了解决标准宇宙学遇到的困难，20世纪70年代美国粒子物理学家古斯提出了暴涨宇宙模型，暴涨模型利用真空标量场提供了一种成指数膨胀的宇宙模型机制，它解决了视界困难和磁单极困难。宇宙在早期经历了一次暴涨过程，它把宇宙的不均匀的可观察宇宙范围扩展为均匀，并且由于磁单极也被膨胀到在可观察宇宙范围之外，所以无法测量到，暴涨阶段结束后，宇宙进入标准宇宙理论的模式。著名宇宙学家林德进而发展暴涨理论提出混沌暴涨及自复制暴涨理论。他认为在宇宙演化史中，大爆炸并不是核心，而暴涨是至关重要的，于是整个宇宙时空的演化史，是由真空量子起伏这个神秘的规则所支配。可以毫不夸张地讲，暴涨理论的提出及暴涨机制的研究，使宇宙学具有更大的活力，未来宇宙学的研究将会与此紧密相关。