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混沌暴胀的宇宙

要是你们能够洞察时间所播的种子,知道哪一颗会长成,哪一颗不会长成……——莎士比亚[19]

暴胀宇宙学和混沌宇宙学都认为,宇宙的初始状态非常有可能是混沌不堪、一团乱麻的(相较于简单的状态,混乱的方式千变万化,因而有更多的可能性出现),而其中如果有一小片区域开始暴胀,体积就会迅速增大,空间就会变得更光滑、更具有各向同性,最后会将其他暴胀区域都挤到了视界之外。有一点非常重要。暴胀宇宙学不能从整体上描述宇宙的行为。我们不知道视界之外的那片宇宙空间是否都很平滑,或者是从头乱到尾。

【图片出处:scienceblogs.com】

就连这一小片区域也不会是绝对光滑的。其中必然存在着极为微弱的统计涨落和量子涨落,这些涨落最终会变成我们今天观察到的宇宙尺度的密度变化,例如星系。如果不是暴胀将它们放大,这些初始统计涨落的强度就太弱了,无法利用引力的不稳定性形成星系。宇宙学家们之所以会认识到这一点,是因为1982年6~7月的两个星期间,剑桥大学举办了一期关于这个新理论的特别研讨会。[20]

与会人员很快就认识到,暴胀产生的涨落遵循一种很特殊的模式。过去,人们一直在研究这种模式的涨落,因为它最简单最方便。当这种模式的涨落被放大后,它就会使宇宙所有尺度下的结团行为拥有大小相等的强度。[21]这确实很特殊。考虑了不规则性之后,还要让宇宙大体上永远保持弗里德曼–勒梅特宇宙的模样,满足这个要求的模式是唯一的。

我们之所以这么说,原因在于宇宙的暴胀时期可以暂时地看作是一种稳态宇宙。想一想在稳态宇宙理论中,德希特的指数暴胀使得你无法区分宇宙的过去和未来。如果某种机制导致了微弱的不规则性,那么你也必然无法利用这些不规则性来区分过去和未来。如果在一个假想的观测者看来,任何尺度的涨落都得有相同的强度,那么以上的原则就不会被打破了。

因此,作为意外之喜,暴胀还能解释星系的存在,解释这种特殊的密度不规则性。暴胀会导致宇宙微波背景辐射的温度谱上出现一种特定的与角度相关的变化。我们得做一个实验,才能知道暴胀是不是真的发生过。

宇宙学家们开始用一系列观测仪器仔细地寻找这个铁证,结果大大支持了暴胀理论。美国国家航空航天局(NASA)先后发射了两颗人造卫星,一颗是宇宙背景探测者(COBE),另一颗是维尔金森各向异性探测器(WMAP),用以探测宇宙背景辐射是否存在这种特殊的印记,它的温度是否会随着方向的不同而发生变化。相比地面上的仪器,人造卫星的探测效果更好,因为它们不需要穿透变幻莫测的地球大气,而且能够扫描整个天空,获得海量的温度差分数据,这样的话,就能把任何数据采样中都存在的偶然性变得微乎其微。

【COBE的假想图 图片出处:scienceblogs.com】

宇宙学家们所要探测的是,在相差一定角度的两个方向上测量到的温度差异有多大。标准的暴胀宇宙模型所预言的结果由图9.6中的实线表示,其中相差的角度涵盖了很大的范围。此图的特征十分明显。随着相差的角度越来越小,振荡也在衰减,就像袅袅的钟声。越向右延伸,