宇宙之初迅速膨脹的一瞬間發(fā)生了什么

據(jù)國外媒體報(bào)道，很長時(shí)間以來，科學(xué)家始終沒能弄清楚，宇宙之初迅速膨脹的一瞬間里究竟發(fā)生了什么。但如今有一位科學(xué)家認(rèn)為，他終于明白了為何我們無法用物理語言對(duì)這一暴脹過程進(jìn)行描述：因?yàn)橛钪娌蛔屛覀冞@么做。

這位科學(xué)家提出了一項(xiàng)猜想：在研究初生的宇宙時(shí)，“觀察者會(huì)受到屏蔽”，無法對(duì)宇宙中最微小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接觀察。

換句話說，物理學(xué)家也許永遠(yuǎn)都無法用常用工具建立起宇宙暴脹模型，必須找到更好的方法才行。

但為何不行呢？這一新猜想將其歸咎于許多宇宙暴脹模型的一項(xiàng)通?。核鼈兛偸亲プr(shí)空中的一些極其微小的波動(dòng)，然后將其放大。但我們針對(duì)這些微小波動(dòng)尚未建立起一套完整的物理理論，因此凡是有這一特征的宇宙暴脹模型（幾乎無一幸免），都不可能走得通。

不過，弦理論或許可以成為解開宇宙暴脹之謎的關(guān)鍵。

迅速膨脹

對(duì)宇宙中大型結(jié)構(gòu)及宇宙大爆炸殘余光線的觀察顯示，宇宙在誕生之初也許經(jīng)歷了一段速度極快的擴(kuò)張期，名為“宇宙暴脹”，使得宇宙的體積在瞬息之間增長了數(shù)萬億倍。

在此過程中，宇宙變得“坑洼不平”了一些。隨著宇宙不斷膨脹，最微小的隨機(jī)性量子波動(dòng)被成倍放大，意味著宇宙中部分區(qū)域的物質(zhì)密度比其他區(qū)域高了一些。最終，這些微觀尺度上的區(qū)別逐漸擴(kuò)大成了宏觀水平。在有些情況下，其尺度甚至大到橫跨宇宙兩端。數(shù)百萬年乃至數(shù)十億年后，這些密度上的微小差別逐漸孕育成了恒星、星系以及宇宙中那些最為龐大的結(jié)構(gòu)。

天文學(xué)家強(qiáng)烈懷疑，類似這樣的暴脹過程是在當(dāng)宇宙誕生尚不足1秒時(shí)發(fā)生的。盡管如此，他們并不知道是什么激發(fā)了宇宙暴脹，不知道暴脹的能量來自何處，不知道它持續(xù)了多久，也不知道最終是何種力量使暴脹停了下來。換句話說，物理學(xué)家對(duì)這樣一起史詩級(jí)事件缺乏完整的物理描述。

不僅如此，在大多數(shù)宇宙暴脹模型中，極小尺度上的波動(dòng)都會(huì)被放大到宏觀級(jí)別。這些波動(dòng)原本有多小呢？比普朗克長度（約為1.6×10-35米）還要小。在這么小的尺度上，起作用的就不僅是引力了，還有其他自然基本力。在這種情況下，為了描述現(xiàn)實(shí)，我們需要一套大一統(tǒng)物理理論才行。

但我們目前并沒有這種理論。

所以問題來了。絕大多數(shù)宇宙暴脹模型都需要宇宙增長到足夠大，這樣普朗克尺度的區(qū)別才能放大成宏觀尺度上的區(qū)別。但我們對(duì)普朗克尺度的物理機(jī)制并不了解。既然我們不懂內(nèi)在的物理原理，又怎么可能建立起宇宙的暴脹模型呢？

在普朗克尺度之上

也許答案是“永遠(yuǎn)不可能”。這一理論被叫做“跨普朗克審查猜想”，簡稱TCC。其中“跨普朗克”指一切小于普朗克長度的尺度。

理論宇宙學(xué)家、加拿大麥吉爾大學(xué)教授羅伯特·布蘭登博格寫了一篇關(guān)于“跨普朗克審查猜想”的論文。他指出：“這條新原則對(duì)宇宙學(xué)提出了限制?！痹谒磥?，這一猜想意味著，任何處于我們宏觀世界中的觀察者都永遠(yuǎn)“看”不見跨普朗克尺度上發(fā)生的事情。且根據(jù)這一猜想，就算我們建立起了量子引力理論，跨普朗克尺度上的事物也永遠(yuǎn)不可能“跨入”宏觀世界中。對(duì)宇宙暴脹模型來說，這可不是個(gè)好消息。

大多數(shù)宇宙暴脹理論都依賴一項(xiàng)名叫“有效場理論”的研究工具。既然我們沒有能將高能量、小尺度（宇宙暴脹就是這樣的情況）的物理機(jī)制統(tǒng)一起來的理論，物理學(xué)家試圖先從低能量的情況著手。但布蘭登博格指出，按照新提出的跨普朗克審查猜想，這類策略也不可行，因?yàn)楫?dāng)我們用該策略建立暴脹模型時(shí)，暴脹過程便會(huì)發(fā)生得太快，以至于將普朗克尺度的世界“暴露”在了宏觀觀察之下。

有鑒于此，一些物理學(xué)家不禁思考，我們是否應(yīng)當(dāng)采用一種截然不同的方法來研究早期宇宙呢？

走出“沼澤地”

弦理論是一套有望將經(jīng)典物理與量子物理統(tǒng)一在一起的理論，而它的分支“弦氣體宇宙學(xué)”則有可能幫助我們建立起早期宇宙模型。在弦氣體模型中，宇宙從未經(jīng)歷過所謂的快速暴脹期。相反，這一膨脹過程要溫和、緩慢得多，小于普朗克長度的波動(dòng)也從未“暴露”在宏觀宇宙之中。普朗克尺度以下的物理事件絕不會(huì)放大到可被觀察的宏觀尺度，這就滿足了跨普朗克審查猜想的要求。不過，弦氣體模型目前還不夠詳細(xì)，還不足以挑戰(zhàn)目前觀察到的、與宇宙暴脹相關(guān)的證據(jù)。

跨普朗克審查猜想還與宇宙暴脹和弦理論等大一統(tǒng)理論之間的另一個(gè)癥結(jié)點(diǎn)有關(guān)。據(jù)弦理論預(yù)測，除了我們所在的宇宙（包括其中所含的力、粒子等物理元素）之外，還存在數(shù)量龐大的其他宇宙。乍看之下，絕大多數(shù)宇宙暴脹模型在基礎(chǔ)層面上似乎與弦理論都不兼容。但它們其實(shí)都屬于弦理論學(xué)家所謂的“沼澤地”——即在物理學(xué)上并不現(xiàn)實(shí)的、可能存在的其他宇宙。

我們?nèi)杂锌赡芙⑵鹨粋€(gè)滿足跨普朗克審查猜想的傳統(tǒng)宇宙暴脹模型（同時(shí)存在于弦理論的“沼澤地”之外）。但假如跨普朗克審查猜想是真的，物理學(xué)家能夠建立的模型類型便會(huì)大大遭到限制。假如宇宙暴脹的時(shí)間足夠短（就好像緩緩吹大一個(gè)氣球，然后在氣球爆炸之前及時(shí)停下），但同時(shí)保留孕育大型天體結(jié)構(gòu)的條件，那這個(gè)暴脹模型或許便可說得通。

目前，跨普朗克審查猜想尚未得到證實(shí)，還僅僅是個(gè)猜想而已。它與弦理論倒是思路一致，但弦理論本身也未經(jīng)證實(shí)（事實(shí)上，弦理論目前還不完善，甚至無法做出任何預(yù)測）。但這類猜想是很有用的，因?yàn)槲锢韺W(xué)家還并不理解宇宙暴脹的本質(zhì)，因此任何能幫助他們打磨思路的理論都會(huì)受到物理學(xué)家的歡迎。