诺奖会不会错过宇宙暴胀?

作者: 任鑫

来源: 知识分⼦

发布日期: 2022-10-28 08:00:37

本文讨论了宇宙暴胀理论的重要性,并提到了三位先驱者——阿兰·古斯、安德烈·林德和阿列克谢·斯塔罗宾斯基,他们的工作值得诺贝尔奖。文章还回顾了宇宙学的发展历程,从爱因斯坦的广义相对论到哈勃的观测发现,再到大爆炸理论的提出和验证,最后介绍了暴胀理论的提出及其解决的宇宙学难题。

星空中遥远而美丽的星星,离我们多远,又从何而来?人类从文明诞生之初就开始仰望星空,试图去探索和理解这浩瀚宇宙所蕴含的奥秘和规律。在早期,人们只是做简单的观测和记录。在爱因斯坦建立了广义相对论后,现代宇宙学建立了起来,人们终于可以对宇宙的整体演化进行系统研究。这就是理论的重大意义。在天文学里,理论和观测是其两条臂膀,缺一不可:理论指引观测的方向,观测检验理论的对错。

然而,即使是伟大的爱因斯坦也会“犯错”,受限于当时的观测手段和人们长久以来对宇宙“永恒不变”的认知,他起初的宇宙模型是静态的。到了1929年,天文学家哈勃发现,离我们越远的星系远离我们的速度越快,人们才知道了真实的宇宙不是恒定不变,而是在膨胀。既然宇宙在不断膨胀,那么沿着时间线向前反推,在最初的时刻,宇宙中的一切将汇聚于一个密度无限大,温度极高的点。

宇宙的一切都源自于这个点的“爆炸”,这便是大爆炸宇宙论(Big Bang)。

大爆炸宇宙论听起来天马行空,提出之初也没能得到科学界的认同,然而其预言的大尺度结构的形成和宇宙核合成过程得到了宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background,CMB)和宇宙轻元素丰度观测结果的支持。这些观测事实使得大爆炸理论逐渐被学界接受,并成为了目前的标准宇宙学模型。

大爆炸宇宙论虽然获得了巨大成功,但也不是完美无缺,比如它还存在着“平坦性疑难”和“视界疑难”等问题。平坦性疑难是指,宇宙各个组分的密度是如此的“恰到好处”,以至于宇宙的空间高度接近三维欧氏空间,而这也需要早期宇宙非常平坦,微小的一点曲率都会导致宇宙进行完全不同的演化,从而产生一个微调问题。

视界疑难是指,既然宇宙的时间有个起点,如果一段空间距离在宇宙的年龄内连光都无法跨越,那么这段距离两端理应是毫无关联的,然而宇宙微波背景辐射的观测结果表明,相距如此远的地方,它们之间的温度差异非常微小,也就是说,它们通过某种物理联系达到了热平衡。科学家们为了解决这个问题进行了许多尝试和研究。

在20世纪70年代末和80年代初,古斯、林德和斯塔罗宾斯基发现,如果在宇宙大爆炸之后的极短时间内经历指数爆炸式的膨胀,那么这些难题就会迎刃而解。由于这个膨胀过程就像通货膨胀一样离谱,在英文中便直接借用通货膨胀(inflation)来进行命名,这便是暴胀宇宙模型。

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