暴涨——宇宙年少时 - 中国物理C.PDF

暴涨——宇宙年少时 王 一 热大爆炸宇宙学的成功：宇宙学的标准模型 粒子的动能远大于其静止时的能量，于是这些粒子 工业上一种产品的成功，莫过于成为业界的标 像光一样运动。这时期的宇宙称为辐射为主的宇宙。 准。同样地，科学中一个理论的成功，莫过于被誉 随着宇宙膨胀，这些辐射成分被稀释得比静止能量 为标准模型。热大爆炸宇宙学，正是这样一个标准 为主的“物质”成分更快。于是，宇宙由辐射为主 模型。在介绍今天故事的重点——暴涨之前，让我 过渡到物质为主。当宇宙变得物质为主时，宇宙已 们回顾一下，作为现代宇宙学的标准模型，热大爆 经几千岁了。 炸宇宙学，如何描述宇宙的现状、过去和未来。我 宇宙继续膨胀变冷。当宇宙 38 万岁的时候，宇 们的宇宙，从诞生至今，已经有 137 亿岁了。这相 宙“热汤”已经不足以煮烂原子。电子在原子里面 当于人类几千年文明史的几百万倍。宇宙浩瀚无垠， 安家，于是，电子和光子之间的碰撞不再频繁发生， 当今科学尚不能确定整个宇宙空间的大小，是有限 光子从此可以自由运动，也就是说，从此以后，宇 还是无限。然而，我们能观测到的宇宙总是有限的。 宙变得透明。这个时刻发出的光线，穿越了百亿年 这是因为，宇宙中最快的信使是光，而光传播的速 浩瀚的时空，到达我们，是我们能看到的最早的光 度是有限的。当我们看太阳，进入我们眼帘的是八 线，是宇宙大爆炸的余辉。这余辉被称为微波背景 分钟前离开太阳表面的光线，因为地球和太阳相距 辐射。“微波”告诉我们当这最早的光线到达我们 光行走 8 分钟的距离。同样地，我们能看到最远的 时，波长在微波波段。“背景”则说明最早的光线从 疆域，即是光行走 137 亿年的距离，在此之前，宇 四面八方向我们而来，彼此间只有极其微小的差异。 宙还没有变得透明，光还不能在宇宙中自由穿行。 无线电视机收不到节目时，屏幕上呈现的雪花，就 实验表明，宇宙在膨胀。也就是说，时间越早， 有百分之几来自微波背景辐射。 宇宙越小。正如压缩气体，气体会变热，时间越早 此后，宇宙进入了黑暗年代。除了大爆炸的余 时，宇宙也越热。早期的宇宙正如一锅热汤，各种 辉自由传播，再没有什么为宇宙增添光亮。直到四 粒子在热汤里面频繁地碰撞，达到混乱的平衡。随 亿年后，第一颗恒星开始发光，宇宙中又重新变得 着时间推移，温度降低，宇宙逐渐冷却，从一团“热 生机盎然。最后，当宇宙诞生 137 亿年后，有了我 汤”形成我们今天熟悉的宇宙，这种混乱的平衡才 们，来探究关于宇宙的话题。 逐渐被有秩序的宁静所取代（图 1）。 顺便提及，如今，宇宙又进入了一个新的阶段。 正如从辐射为主到物质为主的“朝代更替”，如今， 一种新的能量形式正在宇宙中发展壮大。我们对这 种新能量形式的起源和性质几乎一无所知，只知道 它在驱动宇宙晚期的加速膨胀。作为宇宙“热历史” 的鲜明对照，宇宙可能面临着加速膨胀的“冷未来”。 这股神秘的未知能量叫做“暗能量”。暗能量的“暗”，