为什么宇宙不完全光滑？

Lv.25变形虫

靓号：201486

林奈

【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】当我们审视观察行星、恒星、星系和巨大的宇宙空隙时，“光滑”并不是第一个想到的词。巨大的宇宙网是宇宙中最大的结构，像地球这样的行星比平均密度大10^30倍。然而宇宙并不总是如此丛生，否则它不会演化成今天我们所看到的样子。

图注：我们今天看到的恒星和星系并不总是存在的，我们离得越远宇宙就越接近完美，但它能达到的平滑程度是有限的，否则宇宙今天就不会有任何结构。为了解释这一切，需要对大爆炸进行修正——宇宙膨胀。图片信息及版权：NASA, ESA, and A. Feild (STScI）

宇宙诞生得几乎完美光滑，缺陷小于十万分之一，不然宇宙就不会花费数亿年来形成第一个星系。然而这些微小的缺陷是至关重要的，否则将不会形成今天的结构！经过几个世纪的不了解之后，宇宙学最有争议的理论之一：宇宙膨胀提供了答案。而且现在的测量已经达到了前所未有的精度，其预测非常惊人。

图注：宇宙膨胀的视觉历史包括被称为宇宙大爆炸的热密集状态以及后来的结构的演化和形成。然而为了获得今天看到的结构，宇宙不可能生来就非常光滑。图片信息及版权：NASA / CXC / M. Weiss

根据宇宙膨胀理论，热大爆炸并不是空间和时间的开始，而是一个热的、密集的、迅速膨胀的早期状态。这是宇宙膨胀，宇宙不是由物质和辐射支配的阶段，而是由空间本身固有的能量构成的大爆炸。这个膨胀阶段的特征是空间的指数膨胀，宇宙随着时间的推移翻倍，然后翻了四倍，然后变成八倍（等等）。在短短10的负33次方秒之后，弦理论中一个理论弦线大小的区域将被延伸到比今天可观测宇宙更大的比例。换句话说，宇宙膨胀会把预先存在的一切都拉出来，并把它拉伸得非常、真实、完美的平滑。

图注：宇宙膨胀使空间呈指数增长，这很快导致任何预先存在的弯曲或非光滑的空间显现平坦。如果宇宙有任何曲率，它的曲率半径比可观察到的大数百倍。图片信息及版权：E. Siegel (L); Ned Wright’s cosmology tutorial (R)

乍一看，这似乎是一个巨大的问题。如果膨胀的空间是平坦的、均匀的、平滑的，那么从完美的角度来看，那么今天是如何到达一个多姿多彩的宇宙的呢？牛顿和爱因斯坦的引力理论对不完美都是不稳定的，这意味着如果从一个几乎不太完美的光滑宇宙开始，随着时间的推移，这些不完美将会增长，并且会结构化。但如果从完美的平滑开始，没有缺点，将永远保持光滑。然而这并不与我们观察到的宇宙相符，它必须在物质密度上有缺陷。

图注：今天我们宇宙中星系聚集/聚类模拟图，在物质/能量密度上必须要有初始的缺陷。图片信息及版权：Greg Bacon/STScI/NASA Goddard Space Flight Center

因此，这种对膨胀描述必须是不完整的。必须有某种方式来产生这些缺陷，否则宇宙就不会像我们看到的那样存在。但是宇宙的一个重要特性，以及宇宙膨胀以最惊人的方式拯救了我们；空间本身并不是完全平坦和光滑的，而是在最小的尺度上表现出量子涨落。

图注：量子场理论计算的可视化图显示了量子真空中的虚拟粒子，即使在空荡荡的空间里，这种真空能量也不为零。图片信息及版权：Derek Leinweber

这可以从很多方面来看：空间本身的能量固有的不确定性；作为真空波动或者作为一组粒子/反粒子对的存在。但是不管你如何看待它，有一点很清楚：如果要绘制宇宙的能量密度，并且在极小的颗粒尺度上观察它，就会发现它在太空中不均匀和恒定的时间，即使把它的所有物质和辐射都去除了，空间本身结构固有的量子波动。

图注：早期宇宙由量子泡沫组成，其中量子波动很大，变化很大，并且在最小的尺度上很重要。图片信息及版权：NASA/CXC/M.Weiss

通常情况下，这些波动平均相互抵消，平均而言只会得到一个很小的零点能量，这是空间本身固有的正能量。但是在通货膨胀期间，这些量子涨落没有机会平均出来，因为空间本身正在以指数速率膨胀！相反，会发生的是这些波动在整个宇宙中延伸，所以量子涨落的概念不再局限于非常小的范围。在时间尺度上只有很短的时间，这些量子效应可能会在恒星，银河系乃至宇宙包围尺度上被拉伸成能量波动！

图注：在膨胀过程中发生的量子涨落确实会在整个宇宙中延展，但它们也会引起总能量密度的波动，使今天的宇宙中留下了一些非零的空间曲率。这些场的波动导致早期宇宙的密度不完整，进而导致宇宙微波背景下的温度波动。图片信息及版权：E. Siegel / Beyond the Galaxy

随着宇宙膨胀的继续，新量子尺度波动也开始产生，导致更大规模的波动叠加在更大规模的波动上。只要膨胀持续下去，这种情况会持续下去，形成一种波动模式，以及各种规模的随机区域，这些区域的能量密度都会有所增加和减少。然后在不确定的时间之后膨胀结束，当这种情况发生时，空间本身固有的所有能量都转化为物质、反物质和辐射。随着膨胀的结束，热大爆炸开始则宇宙充满了物质。

图注：一个球表面上滑动的类比是当膨胀持续时，而结构崩溃和释放能量代表能量转化为粒子。图片信息及版权：E. Siegel

但在最初以能量开始的区域，由于膨胀期间的量子涨落，在这些地方会出现比平均值稍微多一点的物质，反物质和辐射。在密度较低的区域会出现一些低于平均水平的物质，反物质和辐射。而这种超过密度和密度过低的频谱应该导致宇宙中温度越来越低，或越来越热的区域。

图注：比平均密度稍大的空间区域将会产生更大的引力势阱，这意味着这些区域产生的光会随着时间的推移而变得更冷，反之亦然，低密度区域看起来像热点，而密度完全平均的区域将具有完美的平均温度。图片信息及版权：E. Siegel / Beyond The Galaxy

在宇宙已经存在有一段时间了，膨胀和冷却之后，万有引力就起作用了。这就产生了任何偏离平均方向的波动。温度稍高的区域密度较低，会更容易地将物质释放到密度较大的区域。寒冷的区域密度过大，比密度低或平均密度区域更容易吸引物质。引力之间有一种复杂的平衡，可以根据上面的逻辑来吸引所有的东西，而辐射则会挤压那些过于密集的区域。这是力之间的相互作用，在引力，辐射和最初的通胀波动之间，产生了宇宙微波背景中看到的碰撞，摆动和不完美。

图注：CMB的波动是基于膨胀引起的原始波动。特别是大尺度上的“扁平部分”(左)在没有膨胀的情况下没有解释，而波动的幅度限制了宇宙在膨胀结束时达到的最大能量尺度，它远低于普朗克尺度的标准。图片信息及版权：NASA / WMAP Science Team

平均而言，最初的波动一定有1- part3 – 30000左右的平均值，这就是我们在大爆炸的余辉中观察到的波动情况。在宇宙变得中性并且辐射停止从电子散射之后，这些波动随之增长，以产生我们今天在宇宙中看到的大规模结构。随着时间的推移，这会导致引力向星体，星系，星团和巨大的宇宙空间分离。

图注：对宇宙的详细研究揭示了宇宙是由物质而非反物质构成的，暗物质和暗能量是必需的，我们不知道这些神秘的起源。然而CMB的波动，大规模结构的形成和相关性，以及现代观测的引力透镜，都指向同一幅图景——宇宙膨胀。图片信息及版权：Chris Blake and Sam Moorfield

如果宇宙生来就很光滑，那么就无法获得我们今天宇宙所拥有的，无论是大尺度还是小尺度的细节结构。我们的观察要求在某种程度上，所有尺度上都存在同样大小的波动，并且宇宙需要以这种方式诞生。当20世纪70年代末和80年代初首次提出宇宙膨胀理论时，没有办法知道这些波动是如何发生的;；这是膨胀做出的预测，几十年来都没有得到证实！然而这里的确认是壮观的，因为没有任何其他理论具有产生这些波动的一种方式和观测的宇宙膨胀完美相符，无可争议预测像COBE，WMAP及最近普朗克卫星返回的数据。

图注：宇宙膨胀期间发生的量子涨落延伸到整个宇宙，当膨胀结束时就变成了密度的波动。随着时间的推移导致了今天宇宙中大规模的结构，以及在CMB中观察到的温度波动。图片信息及版权：E. Siegel，图片来源于ESA / Planck和DoE / NASA / NSF机构间CMB研究小组

结果是一个如此引人注目的故事，并且与数据一致，几乎没有其他选择。宇宙膨胀不仅仅是发生大爆炸或解决我们事先知道的一系列问题，它对我们在宇宙中可能存在的事物进行了定量预测，从早期到现代，观测已经证实了这一点。宇宙膨胀及其量子性质是宇宙今天不完美的原因，这是一件非常好的事情。没有它宇宙及我们将永远不可能存在！