太空浩瀚,确实浩瀚。你简直难以想象其浩瀚,可谓惊心动魄。我的意思是:你可以想象一条长路通向药店,但这只是太空一粟。
──道格拉斯•亚当斯(Douglas Adams),《搭便车漫游银河系指南》(A Hitchhikers Guide to the Galaxy)
我想,二选一不坏。我们宇宙学家早已猜测到平坦的宇宙,事实证明猜测无误。因此,真空确实有能量,我们并不感到惊讶。事实上,真空能量足以支配宇宙膨胀。仅仅存在这种能量就难以置信,而宇宙没有因此而无法居住,甚至更不可思议。如果真空能量跟我以前提到的估计一样大,膨胀速度就会非常大,我们现在看到的宇宙万物会迅速飞出视野。早在恒星、太阳、地球形成之前,宇宙就会变得寒冷、空旷、黑暗。
在设想宇宙平坦的所有理由中,最简洁易懂的一条就是:宇宙近乎平坦,一目了然。早在暗物质发现以前,星系内外已知物质大约只占平坦宇宙所需物质总量的百分之一。
百分之一似乎寥寥无几,但宇宙非常古老,年代数以亿计。假如物质或辐射的重力效果主导宇宙的膨胀演化——我们物理学家一般都这样看——那么,只要宇宙不完全平坦,就会随着膨胀变得越来越不平坦。
如果宇宙开放,膨胀速度比平坦宇宙更快。各部分离散,越来越远,大大超过非开放宇宙。结构密度减少,迅速趋于平坦宇宙所需的无限小密度。
如果宇宙闭合,那么膨胀速度会更快地减慢,最后导致再塌缩。密度降低的速度一开始比平坦宇宙更慢,然后随着宇宙塌缩,密度重新升高。闭合宇宙和平坦宇宙密度的差异同样随着时间而增加。
宇宙从第2秒开始,增长速度数以万亿计。如果在较早的时候,宇宙密度并不是接近平坦,即使当时相对于平坦宇宙,仅仅有10个因子的误差,那么今天的宇宙相对于平坦宇宙,就会有10亿因子的误差,而不是只有100个因子的误差。(只计入可见物质,不考虑暗物质和暗能量。)
甚至早在1970年代,这个所谓的“宇宙平坦”问题就已经众所周知。宇宙的几何性质就像一支铅笔垂直立在桌面上。只要有最轻微的扰动,就会失去平衡,迅速倒下。平坦宇宙就是这样。只要有最轻微的偏离,就会迅速放大。因此,如果当时的宇宙并不完全平坦,今天的宇宙怎么可能近乎平坦呢?
答案很简单:今天的宇宙一定得平坦!
答案其实并不这么简单,因为它引起了下一个问题:初始条件怎样才能产生一个平坦的宇宙呢?
第二个问题难度更大,有两个答案。第一个答案要回溯到1981年。当时,年轻的理论物理学家艾伦•古斯在斯坦福大学(Stanford University)做博士后研究,思考宇宙平坦性问题和另外两个跟宇宙大爆炸标准图景有关的问题:所谓的地平问题和磁单极子问题。我们这里只关注前者,因为磁单极子问题只会使宇宙平坦性问题和地平线问题更加复杂化。
地平问题的相关事实是:宇宙微波背景辐射极其均匀。我以前描述的细微温度偏差代表物质和辐射密度的变化,可以追溯到刚刚诞生几十万年的宇宙。跟密度和温度完全相等的状况相比,偏差不超过万分之一。因此,我集中关注细微偏差时,一个更深刻、更紧急的问题出现了:宇宙怎么会一开始就如此平坦?
毕竟,如果宇宙早期微波背景辐射温度偏离十万分之一,我前面显示的图像颜色就会大相径庭。我用直线标度显示天空微波标度图,图线的变化反映温度的变化。变化在背景辐射±0.03度范围内,背景辐射大约在绝对零度2.72度左右,仅仅偏离平均值百分之一。标度图如下:
无中生有的宇宙——第一节
书名: 无中生有的宇宙
作者: [美] 劳伦斯·M·克劳斯
出版社: 江苏人民出版社
原作名: A Universe from Nothing
副标题: 万物起源于空,空又从何而来?
译者: 刘仲敬
出版年: 2012-9
页数: 138
定价: 28.00元
装帧: 平装
ISBN: 9787214086426