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第1章 看看宇宙大爆炸（第2页）

思考一下，A云的热量能否传递给b云呢？答案是不能，因为热量传递速度不能超光速，而大爆炸后时间太短，A云没有足够时间把热量传递给b云，所以A、b两朵云会存在一定温度差。

天文学家依据大爆炸模型计算，微波背景辐射中至少应该有几万个像A、b云这样温度明显不同的区域。但实际天文观测表明，微波背景辐射的温度差别极小，各个方向的温度仅有十万分之一的差别，即最冷的地方约2999.99°c，最热的地方约3000.01°c。由此可见，理论和实际观测出现了矛盾。

而爆胀场理论可解决此问题，其思路是：假设A、b两朵云最初在一粒沙子大小的空间内，这样两朵云就能互相传递热量，通过热量交换，A、b两朵云在这粒沙子大小的空间里提前混合成3000°c，然后空间发生爆炸，致使这粒沙子瞬间膨胀到银河系大小，此时银河系左边的A云是3000°c，银河系右边的b云也是3000°c，最后因量子涨落，在微波背景辐射里呈现出2999.99-3000.01°c的温度范围，这样就完美解决了该问题。简单来说，就是先在极小空间内提前混合好温度，空间爆炸后全空间的温度就都一样了，从而使微波背景辐射的温度也趋于一致。

2.平坦性问题：根据广义相对论，宇宙可分为开空间、闭空间和平坦空间三种类型。天文观测表明，宇宙目前是平坦空间。但平坦空间极难形成，因为它要求宇宙的能量密度必须严格等于临界密度，就如同跷跷板一样，只要最初稍有偏离，就会随着空间的膨胀放大这种偏离。

由于量子力学的随机性，宇宙大爆炸初期，有些区域密度大，有些区域密度小，最终很可能导致形成一个不平坦的宇宙。然而天文观测显示宇宙现在非常平坦，这就产生了矛盾。

爆胀场理论可解决此问题，其思路是：一粒沙子密度不均匀，有的地方密度大，有的地方密度小，若将这粒沙子瞬间膨胀到银河系那么大，就会抹平一切密度不均匀，宇宙的空间就会变得非常平坦，从而完美解决了该问题。

3.磁单极子问题：大多数大统一理论认为，大爆炸后10的负36次方秒左右，因温度变化，强力和电弱力分离，这次从高温到低温的相变过程中会出现磁单极子。磁单极子是指像磁铁虽有南北两极，但它只有南极或者只有北极的一种特殊粒子。

根据大爆炸模型计算，宇宙应该产生了很多磁单极子，可至今我们一个都未找到。要是能找到磁单极子，肯定能荣获诺贝尔物理学奖。

对于爆胀场理论解决此问题的方式，假设在一粒沙子里面有1亿颗磁单极子，当沙子瞬间膨胀到银河系大小，整个太阳系都分不到一颗磁单极子，自然就找不到它了。

总之，传统的大爆炸模型存在这三大缺陷，于是天文学家提出了爆胀场理论来修复这些缺陷，相当于给大爆炸模型打了个大大的补丁。

三、爆胀场理论的观测证据及相关推导

爆胀场理论有三个核心预言：宇宙空间非常平坦、存在符合高斯分布的近尺度不变的密度涨落、原初引力波。

下面我们来简单推导一下空间为何会出现指数膨胀。根据广义相对论和宇宙学原理，可得到宇宙的演化方程——弗里德曼方程，这是宇宙学极为重要的一个方程。对于宇宙大爆炸前期来说，方程后面两项可忽略不计，从而可简化为：

这里p代表物质的能量密度，G是引力常数，a(t)代表空间的大小，a(t)上面一个点代表宇宙空间的大小随时间的变化率，也就是微积分里的da\/dt。

如果爆胀场的能量密度是一个固定数值，那么p就是一个固定数值，整个方程的右边就是一个固定值，简化后它就变成一个非常简单的微分方程，大一学生基本都会解这个微分方程。其解令人惊讶的是出现了指数形式。因为a代表空间的大小，t代表时间，这就意味着宇宙空间的大小随时间呈指数变化。所以，只要假设真空爆胀场的能量密度是一个固定值，宇宙空间的大小就能随时间指数增加。

接着看看爆炸前后宇宙的总能量变化。根据定义，能量密度等于能量除以体积，而体积等于长度的三次方。由于爆炸使宇宙的长度增加了10的26次方倍，可知宇宙的体积增加了10的78次方倍。又因为宇宙爆胀场的能量密度是一个固定值，所以爆炸前后宇宙的能量增加了10的78次方倍。假如爆炸前宇宙只有几百个氢原子的能量，那么爆胀后宇宙的总能量就会变成10的55次方千克，而10的55次方千克就是现在可观测宇宙的总质量。这个结论相当震撼，以往我们一直认为宇宙大爆炸起始点密度无限大、物质无限多，现在依据爆胀场理论，大爆炸的起点只需有几百个氢原子的能量即可，宇宙几乎所有的能量都是在10的负36次方秒到10的负32次方秒之间通过空间爆胀增加的。

一、宇宙大爆炸能量来源

那宇宙增加的这么多能量是从哪里来的呢？天文学的主流观点认为是从真空获取的能量，真空蕴含着大量能量，它存在高能量状态和低能量状态，就好比水库一样，大爆炸之前的真空处于高能量状态，大爆炸之后变为低能量状态。

因为存在类似大坝高度固定的某种条件限制，所以真空能量的变化也是相对固定的，这就相当于真空暴胀场的能量密度是固定值。根据前面讲过的弗里德曼公式，暴胀场的能量密度固定会引发空间指数膨胀。

另外，真空能量发生变化后，如同水库上游的水倾泻到下游，在下游积攒了大量能量。按照之前所讲，能量与真空相互作用能产生各种粒子，这些能量在下游的真空里形成了一团包含夸克、胶子、电子、光子等的粒子云，之后粒子云逐步合并形成质子、中子、原子核、原子、恒星和星系等。

总之，真空从高能量状态转变为低能量状态，其能量数值变化相对固定，这导致了空间指数膨胀、能量损耗，同时在真空里激发出粒子云，正好对应暴胀场理论和大爆炸理论这两个互补的理论。在宇宙学领域，目前只有这两个理论有较多观测证据，暴胀场理论有部分观测证据，大爆炸理论至少有6个观测证据，其他理论基本缺乏观测证据。所以，宇宙大爆炸的能量很可能来源于真空势能的变化，这一点很重要，我再强调一下，宇宙大爆炸的能量很可能来源于真空势能的变化。

二、关于真空能量的思考及不同理论观点

那真空的能量又是从哪里来的呢？有以下两种思路：

1.霍金等人的观点：霍金认为物质的能量与真空的能量之和为0，如果物质的能量是正的，那么真空的能量就是负的。（此处“伊拉克”表述有误，推测可能想说“狄拉克”，狄拉克是20世纪除爱因斯坦之外非常重要的物理学家，他认为真空是充满负能量态的粒子海，其对真空的理解可供我们参考。）

2.能量守恒相关探讨：在现代物理学中，能量守恒等价于时间的平移不变性，假如自然法则不遵循时间的平移不变性，那么能量可能不守恒。事实上，现在不少天文学家认为宇宙物质部分的能量是不守恒的，至于物质与真空的总能量是否守恒还存在争议，我个人认为物质加真空的总能量应该是守恒的。

那真空为什么有能量呢？真空里面到底有什么东西？人类对真空的认知还处于类似盲人摸象的阶段，用不同的理论去观察真空，会得到不同的结论。例如：

1948年，卡西米尔通过实验证明真空并非空无一物，里面存在能量涨落；1960年，量子场论认为真空里充满了虚粒子；1990年，量子信息领域认为真空是具有大量量子纠缠的量子比特海；2000年，宇宙学研究发现真空里存在暗能量，暗能量促使宇宙加速膨胀。

人类至今还无法完整描绘出真空的真实面貌。

三、多重宇宙相关探讨及与其他宇宙观对比

真空为什么存在能量高的状态和能量低的状态呢？真空在一个点会发生宇宙大爆炸，在其他点有没有可能也会发生宇宙大爆炸呢？对于这两个问题，目前科学暂时无法给出确切答案，只能借助科幻的多重宇宙模型来探讨。

多重宇宙观点认为存在一个有限或者无限的真空，里面有很多“泡泡”，每一个“泡泡”就是一个宇宙，“泡泡”里面有时间、空间、粒子，而“泡泡”外面没有时间、空间、粒子，只有真空。

由于存在量子涨落，真空的能量并非完全均匀，有高有低，一些真空区域能量高，另一些真空区域能量低。霍金曾打过比方，真空就像临近沸腾的水，一旦某个区域温度超过100°c，就会瞬间形成一个气泡，也就是发生一次宇宙大爆炸，释放该区域真空的能量。因为气泡形成过程是吸收热量的，就像宇宙大爆炸吸收了真空里局部过高的能量，从而在真空里“吹”起一个宇宙泡泡。

那宇宙泡泡未来的宿命是什么呢？既然泡泡起源于向真空借能量，那么泡泡最终的归宿必然是把能量还回真空，有借有还嘛。具体来说，物质通过质子衰变、黑洞霍金辐射、大撕裂、真空衰变等方式变成光子，而光子的波长会随着空间膨胀被拉长，即光子的能量被空间膨胀降低，那光子减少的能量去哪儿了呢？当然是回归引力场或者回归真空了。所以，从多重宇宙角度来看，回归真空有可能是我们这个宇宙泡泡的最终归宿，这一点很重要，我再强调一遍，从多重宇宙的角度来说，回归真空有可能是我们这个宇宙泡泡的最终归宿。

四、宇宙观的发展

既然宇宙起源于真空，那真空又是怎么来的呢？假如真空是由真真空创造的，那真真空又是谁创造的呢？这样追问本源是无穷无尽的。真空也只是人类现阶段对宇宙的了解，肯定不是终极答案。若要寻找终极答案，可能只能借助于信仰，比如上帝、道、佛、自然法则、物自体、绝地精神、飞天意面等等。大家更倾向于道或者自然法则。

基本逻辑：自然法则创造了真空，真空将基本的能量传递给暴胀场，暴胀场衰变后激发出一团粒子云，最后从物质、能量、信息三方面开启了宇宙大爆炸，这就是整个宇宙大爆炸的宏观逻辑结构。

大约138亿年前，整个宇宙从一个极小、极热、极致密的起点状态瞬间膨胀开来，就像一个巨大的火球在瞬间爆裂，释放出无尽的能量和物质。这一瞬间，时间与空间一同诞生，宇宙的舞台由此拉开帷幕。在大爆炸的那一刻，宇宙从这个起点开始急剧膨胀，释放出巨大的能量和物质，温度高达数十亿度。随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低，物质开始凝结，形成了氢、氦等轻元素，之后这些轻元素在引力作用下聚集，形成了第一代恒星和星体，宇宙的结构逐渐显现并不断演化。

主角:我是谁？我在那？放我出去！放我出去！！！