宏观 宇宙之初迅速膨胀的一瞬间里究竟发生了什么？
文章插图
宇宙为什么会膨胀？科学家找到原因，熵增才是宇宙的动力
很长时间以来，科学家始终没能弄清楚，宇宙之初迅速膨胀的一瞬间里究竟发生了什么。但如今有一位科学家认为，他终于明白了为何我们无法用物理语言对这一暴胀过程进行描述：因为宇宙不让我们这么做。
这位科学家提出了一项猜想：在研究初生的宇宙时，“观察者会受到屏蔽”，无法对宇宙中最微小的结构进行直接观察。
换句话说，物理学家也许永远都无法用常用工具建立起宇宙暴胀模型，必须找到更好的方法才行。
但为何不行呢？这一新猜想将其归咎于许多宇宙暴胀模型的一项通病：它们总是抓住时空中的一些极其微小的波动，然后将其放大。但我们针对这些微小波动尚未建立起一套完整的物理理论，因此凡是有这一特征的宇宙暴胀模型（几乎无一幸免），都不可能走得通。
不过，弦理论或许能成为解开宇宙暴胀之谜的关键。
迅速膨胀
对宇宙中大型结构及宇宙大爆炸残余光线的观察显示，宇宙在诞生之初也许经历了一段速度极快的扩张期，名为“宇宙暴胀”，使得宇宙的体积在瞬息之间增长了数万亿倍。
在此过程中，宇宙变得“坑洼不平”了一些。随着宇宙不断膨胀，最微小的随机性量子波动被成倍放大，意味着宇宙中部分区域的物质密度比其它区域高了一些。最终，这些微观尺度上的区别逐渐扩大成了宏观水平。在有些情况下，其尺度甚至大到横跨宇宙两端。数百万年、乃至数十亿年后，这些密度上的微小差别逐渐孕育成了恒星、星系、以及宇宙中那些最为庞大的结构。
天文学家强烈怀疑，类似这样的暴胀过程是在当宇宙诞生尚不足一秒时发生的。尽管如此，他们并不知道是什么激发了宇宙暴胀，不知道暴胀的能量来自何处，不知道它持续了多久，也不知道最终是何种力量使暴胀停了下来。换句话说，物理学家对这样一起史诗级事件缺乏完整的物理描述。
不仅如此，在大多数宇宙暴胀模型中，极小尺度上的波动都会被放大到宏观级别。这些波动原本有多小呢？比普朗克长度（约为1.6×10-35米）还要小。在这么小的尺度上，起作用的就不仅是引力了，还有其它自然基本力。在这种情况下，为了描述现实，我们需要一套大一统物理理论才行。
但我们目前并没有这种理论。
所以问题来了。绝大多数宇宙暴胀模型都需要宇宙增长到足够大，这样普朗克尺度的区别才能放大成宏观尺度上的区别。但我们对普朗克尺度的物理机制并不了解。既然我们不懂内在的物理原理，又怎么可能建立起宇宙的暴胀模型呢？
在普朗克尺度之上
也许答案是“永远不可能”。这一理论被叫做“跨普朗克审查猜想”，简称TCC。其中“跨普朗克”指一切小于普朗克长度的尺度。
理论宇宙学家、加拿大麦吉尔大学教授罗伯特·布兰登博格最近写了一篇关于“跨普朗克审查猜想”的论文。他指出：“这条新原则对宇宙学提出了限制。”在他看来，这一猜想意味着，任何处于我们宏观世界中的观察者都永远“看”不见跨普朗克尺度上发生的事情。且根据这一猜想，就算我们建立起了量子引力理论，跨普朗克尺度上的事物也永远不可能“跨入”宏观世界中。对宇宙暴胀模型来说，这可不是个好消息。
大多数宇宙暴胀理论都依赖一项名叫“有效场理论”的研究工具。既然我们没有能将高能量、小尺度（宇宙暴胀就是这样的情况）的物理机制统一起来的理论，物理学家试图先从低能量的情况着手。但布兰登博格指出，按照新提出的跨普朗克审查猜想，这类策略也不可行，因为当我们用该策略建立暴胀模型时，暴胀过程便会发生得太快，以致于将普朗克尺度的世界“暴露”在了宏观观察之下。
有鉴于此，一些物理学家不禁思考，我们是否应当采用一种截然不同的方法来研究早期宇宙呢？
走出“沼泽地”
弦理论是一套有望将经典物理与量子物理统一在一起的理论，而它的分支“弦气体宇宙学”则有可能帮助我们建立起早期宇宙模型。在弦气体模型中，宇宙从未经历过所谓的快速暴胀期。相反，这一膨胀过程要温和、缓慢得多，小于普朗克长度的波动也从未“暴露”在宏观宇宙之中。普朗克尺度以下的物理事件绝不会放大到可被观察的宏观尺度，这就满足了跨普朗克审查猜想的要求。不过，弦气体模型目前还不够详细，还不足以挑战目前观察到的、与宇宙暴胀相关的证据。
推荐阅读
- 速度 宇宙中比光速更快的四种“速度”，你都知道几个
- 恒星 190光年外，科学家发现一颗比宇宙还古老的恒星，怎么回事？
- 太阳 宇宙中所有星球都悬在空中，是什么力量在起作用这里告诉你答案
- 游戏 下一站“元宇宙”，沉浸式游戏有哪些可能性？
- 宇宙 理论上宇宙应存在大量文明，为何却没有文明联系我们，原因是什么？
- 仙女座 真正的“宇宙霸主”出现，银河系不算什么，它的直径100亿光年
- 科学家们 太阳能照亮地球，为啥无法照亮周围的宇宙？
- 粒子 死亡可能只是一种幻觉：我们一直生活在平行宇宙中
- 宇宙 一条让人们非常绝望的物理定律，通过它我们似乎看到了宇宙的未来
- 声音 中国天眼：凝望浩渺苍穹 捕捉宇宙声音