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宇宙暴脹理論的糾結與期待

神秘

（）據中國科技網（劉霞）：鴻蒙之初，天地之間什么都沒有，是一個完全的虛空 。沒有能量，也沒有任何物質 。接著，就在這片虛無之中，宇宙誕生了 。剛初生的宇宙非常??，但密度很?，而且充滿了能量 。再接著，一剎那之間，宇宙的尺寸迅速變大 ， 這種暴脹導致宇宙的尺寸至少增加了1025倍 。
這就是對我們現在耳熟能詳的暴脹理論的基本闡述，“暴脹宇宙論”認為，初期宇宙曾經發生過“速度高到無法想象的超急劇膨脹” 。科學家們用這一目前在物理學領域占據支配地位的理論來解釋宇宙大爆炸之后所發生的事情，以及宇宙如何形成我們今天所看到的模樣 。盡管很多科學家們現在相信，暴脹確實發生了，但他們仍然不知道暴脹如何開始、為何會發生以及如何結束 。而且 ， 迄今為止 ， 也沒有任何扎實的實驗證據來對宇宙的這一加速膨脹過程進行證明 。
美國太空網（SPACE.com）在近日的報道中指出 ， 歐空局的普朗克太空望遠鏡即將發回的新數據有望為暴脹提供堅實的證據 ?？茖W家們希望，只需要數月時間，他們或許就可以解開這個謎題 。他們會對普朗克太空望遠鏡在接下來的幾個月提供的新數據進行仔細地核實和驗證 。
歐空局的普朗克太空望遠鏡以德國物理學家馬克斯·普朗克的名字命名，自從2009年5月14日升空以來，普朗克太空望遠鏡已經為科學家們提供了不少有價值的科研圖像 ， 其中最突出的當屬2010年12月底拍攝的首張宇宙全景圖，圖中展現了宇宙中最古老的光 。
宇宙微波背景輻射證據不足
這種名為宇宙微波背景輻射（CMB）的光，是宇宙的化石，是宇宙大爆炸的“余燼”，它均勻地分布在整個宇宙空間 ?？茖W家們認為，它出現在宇宙發生暴脹（也就是宇宙出生約38萬年）之后，那時，中性原子開始形成，而且，對于光來說 ， 太空變得透明 。
普朗克上攜帶了一系列高靈敏度儀器，能夠對宇宙微波背景輻射進行深入探測 。2013年3月21日，歐洲航天局公布了根據普朗克太空探測器傳回數據繪制的宇宙微波背景輻射圖 ， 這幅圖以前所未有的精確度驗證了宇宙標準模型，也支持暴脹理論 。但這副圖同時也展示出一些與現有宇宙理論假說的不同之處，例如被認為激發了大爆炸的“暗能量”比以前所知的要少 ， 這意味著目前的理論需要修正 。
暴脹理論的支持者認為，普朗克的結果完美地暗示了暴脹如何工作 。然而，批評人士則認為 ， 科學家們只不過是將暴脹模型稍作修改，讓其與數據相吻合，而不是真正解釋暴脹 。
美國哈佛大學的天體物理學家安娜·利賈斯表示，普朗克提供的所有數據表明，宇宙“非常簡單” 。然而，其2013年提供的這批數據只能支持非常復雜的暴脹模型 ， “只對一些非常受限的初始環境起作用” 。
細微的密度波動導致星系形成
【宇宙暴脹理論的糾結與期待】科學家們希望，普朗克衛星即將提供的下一批數據能夠證明，暴脹是否真能夠解釋為何我們目前的宇宙會擁有這樣的形狀 。而且，宇宙暴脹理論的支持者們也認為，這些數據有可能證明，量子物理學里能發現現今宇宙的種子 。
通過普朗克提供的數據和此前的其他觀測獲得的數據，科學家們已經知道，宇宙微波背景輻射的密度表現出了輕微的波動，在接下來的137億年間 ， 隨著宇宙不斷膨脹，這種密度波動變得非常大 。
英國劍橋大學的理論物理學家丹尼爾·鮑曼表示，這些古老的密度波動可能源于宇宙大爆炸之后就出現的、時空內細微且自發的量子波動 。他說：“我們相信 ， 宇宙暴脹將這些細微的量子波動拉升成我們在今天的宇宙中所觀察到的密度波動 ?！?br /> 既然這些密度波動就出現在暴脹之后，這意味著，當宇宙微波背景輻射被制造出來時，它們已經在那兒恭候了，而且 ， 密度更大的區域會吸收更多物質并最終形成我們現在看到的星團和星系 。
密度波動或隱藏著暴脹的秘密
宇宙微波背景輻射中發現的密度波動為我們理解暴脹提供了一個新的維度 。當宇宙微波背景輻射開始“發光時”，量子波動已經“變身”為密度波了 。
普朗克太空望遠鏡提供的第一套數據不僅證實了這種波動，而且也證明，在很大的距離范圍內，這些密度波動都相互關聯 ， 所有擁有同樣波長的波似乎會同時振蕩 。
鮑曼說：“使用暴脹理論，很容易對這種相干進行解釋 ， 這是我們迄今做出的最令人興奮的觀察發現，真是太不可思議了 ?！?br /> 科學家們對宇宙微波背景輻射所做的諸多測量中 ， 得出的最令人詫異的一個結論卻是，這種化石光的溫度具有一致性，上下變化不超過0.0003攝氏度 。鮑曼說，只有兩種方式才能讓宇宙獲得這樣整齊劃一的溫度 。
在一個非暴脹的模型中，宇宙不同部分的溫度一定非常不同，接著，隨著時間的推移，溫度會達到平衡，就像房間內的物體會“達到室溫”一樣 。然而，宇宙太年輕了 ， 因此，在這么廣袤的宇宙空間和如此短暫的時間內無法獲得這種平衡 。這樣一來，我們似乎陷入了悖論中：盡管它們無法相互“聯系” ， 但宇宙中距離遙遠的部分仍然擁有同樣的溫度和密度 。
鮑曼說，暴脹提供了更好的解決方案：所有物質最初擁有同樣的溫度，接著它們突然被加速撕裂 。因此，現在我們看到的情況是，物體之間存在著細小的溫度差異，因為它們都始于同樣的地方，具有同樣的溫度 。
鮑曼認為，這就像發現距離非常遠的兩杯咖啡，擁有同樣的溫度 。如果它們從來沒有靠得非常近來交換熱量 ， 那么，它們根本沒有理由擁有同樣的溫度 。但如果這兩杯咖啡“由同樣的咖啡機同時產生，接著，暴脹將咖啡杯帶走并以超光速的速度讓其快速分開 ， 那么，它們就可能擁有同樣的溫度” 。
引力波也是呈堂證供
盡管研究宇宙微波背景輻射極其微弱的光非常需要技巧，但其也會提供巨大的科研回報 。這是因為，科學家們認為 ， 宇宙最初的量子波動應該也觸發了引力波 。引力波這一概念由愛因斯坦提出，指的是時空的波紋，不過 ， 目前還只停留在理論階段 。
如果科學家們能發現引力波，并用其來標示宇宙微波背景輻射的波動 ， 它們有望為暴脹理論提供強有力的證據 。鮑曼說：“看見引力波將成為宇宙暴脹模型的確切證據 。”
不過，獲得這一證據非常復雜，因為它依靠宇宙微波背景輻射發出光的偏振的細微變化 。存在著兩類偏振變化：E模型和B模型，后者描述了這種偏振的旋轉或扭曲，物理學家們也認為，正是這一變化為暴脹理論提供了堅實的證據 。
利賈斯說，愛因斯坦的相對論指出 ， 宇宙微波背景輻射將證明B模型偏振，因為宇宙暴脹期間時空的撕裂需要巨大的能量 。
如果宇宙微波背景輻射發出的光確實以這種方式發生扭曲，暴脹將提供非常好的解釋 。利賈斯說：“因為，這樣一種高能機制將以非常暴烈的方式讓時空發生震顫，這樣，我們就能通過測量其產生的引力波的振幅來確定其強度 ?！?br /> 鮑曼說，引力波或許也能說服那些目前正研究替代暴脹理論的科學家們接受這一模型 。他說：“看見B模式將讓我們更加確信，暴脹曾經發生，而且，我們都來自于量子波動 ?！?br /> 利賈斯也認同這一觀點，她表示:“迄今為止，科學家們的一貫做法是設計復雜的擁有很多參數（這些參數與普朗克提供的數據相吻合）的暴脹模型 。能否探測到引力波的存在意義重大，其能有效地對暴脹理論進行證實或者證偽 。”