《一路走来的宇宙 04》

《边走边想 037》

1978年秋天，古斯在康奈尔大学做粒子物理学的博士后。他正患上支气管炎，但还是参加了宇宙学和天体物理学家迪奇的一个讲座。迪奇阐述了宇宙学里的平坦性问题。广义相对论认为物质会使空间弯曲。而在宇宙大尺度上的观测说明宇宙是非常平坦的，意谓宇宙整体上类似一个欧几里德空间，曲率接近于零。这几乎是一个不可能的巧合。宇宙的空间曲率会随着宇宙的膨胀发散性地变化。只要原初宇宙空间曲率不是绝对的零，现在宇宙就会非常不平坦。但是原始宇宙在高能量高物质密度的状态下，空间不可能平坦。为解决这个问题，古斯在大统一理论的框架里着手构建出宇宙的暴胀理论。几乎在同一时间，前苏联的林德也提出相同的理论。林德于1990年辗转移居美国。

宇宙从十亿亿亿亿亿亿之一秒开始膨胀，迅速降温十万倍。万有引力作用力与其它三种统一在一起的作用力分离开来。到了一万亿亿亿亿分之一秒，宇宙温度降到一百万亿亿度，进入一个临界的赝真空相变状态。古斯假想出一个矢量场，赋予宇宙的空间能量。结果，宇宙以指数形式快速膨胀。在短短的一亿亿亿亿分之一秒的时间内，宇宙已经从一百万亿亿亿分之一米膨胀到大约一千分之一米（一毫米）。这时的宇宙只有圆珠笔笔尖的大小。宇宙暴胀又会因为空间能量密度的降低和新产生出来的粒子物质而消退。其间，宇宙温度因为暴胀子场产生的能量抵消宇宙的膨胀而保持相对恒定。在这里，宇宙的成长不是依靠物质的运动和传播，靠的是空间尺度的增长。我们还不清楚古斯暴胀理论里的暴胀子场的根源。有人指出它其实就是希格斯场。但现在还无法验证。

确实，我们现在无法观测到暴胀时期的宇宙。但是暴胀理论很好地处理了一些理论问题。首先是宇宙的平坦性问题。无论暴胀前宇宙的空间曲率如何，暴胀让宇宙的物质密度尽量地降低，以至于以后的宇宙空间尽量的平坦。在早期宇宙的高温情况下，完全有可能有磁单极子的存在。但是，暴胀使得磁单极子足够的稀释，完全排除在我们现有宇宙的视界范围之内。这也就解决了让狄拉克耿耿于怀的磁单极子问题。此外，我们的宇宙遵循所谓的宇宙学原理。宇宙的任何观测者观察到的宇宙是一致的。这要求宇宙是均匀和各向同性的。暴胀理论预言，无论初始宇宙是否均为，是否各向异性，剧烈的暴胀将会抹平所有这些非均称性。这些在以后的宇宙背景辐射的实验观测中被证实。在宇宙暴胀期间，强相互作用和弱电相互作用在暴胀子的驱使下分离开来。

暴胀时期过后，宇宙以较慢的速度膨胀。这时的宇宙中充满了各种粒子。温度仍然很高，夸克，反夸克，和胶子都处于自由状态。高温也激发出弱电矢量玻色子和希格斯标量玻色子。希格斯场的真空期望值为零。所有的费米子和玻色子都为零质量。这种热平衡状态持续到一万亿分之一秒。宇宙温度下降到一千万亿度。又一次相变发生。作用粒子的对称性降低，弱相互作用和电磁作用分离。同时，通过希格斯场的对称破缺机制，弱相互作用的交换玻色子获得质量。弱相互作用变成短程力。而无质量的光子产生出来，主导电磁相互作用。另外，费米子通过和希格斯场的耦合获得质量。从此往后，宇宙中物质粒子的行为可以用粒子物理学家熟悉的标准模型描述。此时的宇宙膨胀到方圆一亿公里的大小，相当于金星到太阳的距离。

--写于2022年8月15日（图片来自网络）