宇宙暴胀是怎么回事?
暴胀理论是现代的主流宇宙学模型——大爆炸宇宙学模型(也叫标准宇宙学模型)的重要组成部分。
20世纪70年代末,宇宙学面临两大疑难。
一是“视界疑难”。简单说,就是我们观测到的宇宙不同区域,比如两个互相之间相隔极为遥远的A区域和B区域,看上去是非常相似的。但是,自从宇宙诞生以来,即使信息以光速传播,也来不及从A区域传到B区域。那么,它们之间应该彼此毫无联系才对,为什么毫无联系的地方会看起来如此相似呢?只是碰巧吗?
二是“平直性疑难”。我们现在的宇宙是非常接近平直的,但为什么是“恰好”平直的呢?恰好平直的概率应该是极低的。
1981年,美国麻省理工学院34岁的粒子物理学家古斯提出了一种极早期宇宙演化的模型,能够解释上述两个疑难,那就是暴胀模型。该模型认为,在宇宙诞生10的负35次方秒~10的负32次方秒,宇宙以大大高于正常的速度急速膨胀,这就是暴胀。这次暴胀有多夸张?宇宙直接涨大了大约10的50次方倍!!!
这又有多大呢?打个比方,暴胀前的某个宇宙区域,如果只有质子的一万亿分之一大,暴胀后,这个区域就膨胀到了比超星系团还要大了……
很难想象是不是?但这就是宇宙的神奇!
于是,暴胀理论成功的解决了前述的两个疑难。
暴胀前,宇宙空间尺度范围要比之前预计的小很多,这样,信息就有足够时间从今天所观测宇宙的任意一点跑到另一点,解决了视界疑难。
至于平直性疑难,让我们想象一下,如果你是一只蚂蚁,趴在一个小气球表面,你可以很容易发现这个气球表面是弯曲的。但是,如果这个气球膨胀到了几千米,你就不那么容易发现它是弯曲的了——就像古人认为大地是平的但地球 其实是弯曲的一样。好,现在,如果这个气球膨胀到了整个宇宙这么大,一只蚂蚁还能觉得它是弯曲的吗?不能了,它会觉得,无论在任何精度下测量,这个气球表面都是平直的。
有人也许会问,暴胀速度这么快,远远超过了光速,是不是违背了相对论?并不是。光速只是限制了宇宙中物质和能量的运动速度,但宇宙空间自身的膨胀不受此限制。
(本回答主要参考了《天文学新概论(第五版)》,苏宜编著;《今日天文:星系世界和宇宙的一生》,[美]埃里克·蔡森、史蒂夫·麦克米伦著,高健、詹想译)