暴胀宇宙学问世

在众多宇宙模型中，大爆炸宇宙模型取得了相当大的成功，得到了普遍的公认。尽管如此，它却仍对许多宇宙特征做不出解释，例如宇宙在大爆炸奇点之前又是什么？为什么在宇宙中各时空点毫无因果联系的情况下，却能在同一时刻爆炸，并能按同一速率向外膨胀？在宇宙的平直性上也使人感到疑惑。目前的观测结果表明，宇宙在可观测的范围内，即1028cm尺度内，几乎是平直的，几何性质几乎属于欧几里德式的，这对大爆炸模型而言，几乎是一个灾难。因为在这个模型之中，随着时间的推移，宇宙应该变得十分弯曲，只有假设宇宙初始就十分平坦（偏差小于10-60），才能说明现今宇宙的平直程度。对初始条件需要做出调整，这本身就说明了这一模型存在缺陷。
      在解释星系的形成上，这一模型也不尽人意。按大爆炸模型，大爆炸发生之后，辐射和粒子就达到了热平衡，如果没有特殊事件发生，辐射场应将一直保持黑体谱，并随宇宙的膨胀，温度不断下降。当宇宙温度降到4000K时，以等离子状态存在的物质开始结合成稳定的中性原子，主要是氢和氦等轻元素原子，这一过程称为复合。复合后，宇宙变得透明，辐射场和物质粒子沿各自经历演化，互不影响。按这一理论，现今观测到的微波背景辐射就应是由4000K逐渐冷却下来的辐射场，它应携带着复合时期物质分布的信息。目前，人们所观测到的星系、星系团等超大尺度结构应该是早期等离子体的不均匀性增长演化而成，而这种早期等离子体的不均匀性，应该在微波背景辐射的小角度（1″～1°）各向异性上有所反映，而宇宙整体的不均匀性应表现在微波背景大角度上的各向异性。
     多年来，不少观测宇宙学家和天文学家都在致力于探测这种各向异性，迄今为止，还没有得到所期望的结果。对大角度各向异性的测量是由麻省理工学院的宇宙背景探索者卫星（COBE）研究小组进行的，负责人是著名天文学家外斯（Weiss，Reiner）。截止到1995年，他们在大角度各向异性分辨率达到 7°的情况下，仍未测到微波背景辐射大角度各向异性。因此，各向同性的观测结果虽然支持了标准模型关于早期宇宙各向同性的结果，却又与现今观测到的星系等大尺度结构产生了矛盾。道尔哥夫和泽尔多维奇称这一尚未解决的问题为“现代宇宙学中的一朵乌云”①。磁单极子问题是大爆炸宇宙学所遇到的“另一朵乌云”。根据标准模型关于相变的讨论，宇宙在膨胀中不断降温的过程中，原来较高的物理对称性消失，代之以对称性较低的状态。从高温相向低温相的演变，会使几何结构带来一系列拓扑性的缺陷。这些缺陷结构有面结构畴壁、线性弦以及点状的单极子。根据标准模型理论，在每一个视界上，至少能产生一个具有磁性的单极子，由此，可以估算出磁单极子的丰度。根据大统一理论，此时磁单极子的质量应为宇宙当时的能量标度，因此不难估计出磁单极子的能量密度。
     然而，令人惊异的是，仅只磁单极的能量密度就是宇宙临界能量密度的 1012倍，这样一来，目前磁单极子应该具有与质子一样的丰度，宇宙的平均质量密度应比目前的估计值10-29g/cm3大十几个数量级，这一结果同样使大爆炸学说陷入了困境。为解决大爆炸宇宙学在均匀性、奇点等方面存在的问题，早在 60 年代，列宁格勒理工学院的天文学教授恩斯特·格林纳（Ernst Gliner）就曾提出极早期宇宙有一个暴胀阶段的设想。1980年，麻省理工学院的古斯（Guth，A.）和温伯格等人，在发展暴胀宇宙学上又迈出了关键的一步。他们明确提出，应把对真空态的讨论用于按指数膨胀的暴胀阶段，以解决原始的磁单极子问题、平直性问题及视界等问题。依这个方案，宇宙在暴胀后，将变得极不均匀。1981年，林德（Lende，Andei）又提出一个称之为混沌暴胀理论的新的暴胀方案，它解决了古斯等人原始表述中出现的一些困难。以后，在 1983年，林德又将这一方案发展，充分吸收了基本粒子理论，目的在于建立一个与粒子物理协调一致的宇宙学①。
     根据量子场论，真空充满着各种类型物理场的量子涨落，在按指数暴胀的宇宙中，真空的构造就更复杂得多。在 10-35秒以后，宇宙的演化过程与公认的热宇宙标准模型一致，但在10-35秒以前，情况却大不相同，在这一阶段的暴胀中，宇宙尺度的增长要比以前认为的大1056倍。根据弱电统一理论，在这一阶段占主导地位的是物质的标量场。宇宙所需的能量来自真空态。随着温度的下降，宇宙从最初的能量最低的真空态过渡到亚稳态，即假真空态，此时，原有的对称性遭到破坏。通过隧道效应，宇宙还可能从假真空态跃迁到一个新的真空态，此时伴随大量能量的释放，宇宙将像“泡”一样，由于从真空获得额外能量急剧膨胀，形成所谓的暴胀，这是一个原来极小的量子涨落扩大为密度的宏观涨落过程。根据这一理论，宇宙的比熵将比原来大爆炸学说的预言值增大一个因子 Z3，如果这一过程持续时间超过 6.5×10-33s，增大的熵将使宇宙视界的尺度超越可观察的尺度，这将使原来那些彼此毫无关联的区域具有了一致性的因果关系，从而解决了原有标准模型的视界问题。此外，宇宙尺度的剧暴胀，还使早期时空的任何弯曲之处一扫而光，成为近乎平直空间，平直性的困难也就迎刃而解了。深入研究发现，暴胀宇宙模型还有一系列更深层次的问题，例如根据隧道效应，宇宙能从假真空态跃迁到新的真空态，但这只是在一定的几率下进行的。
     这表明，宇宙只有一部分机会获得这样的跃迁，全部宇宙完成这种跃迁则需要一个相当长的时间，宇宙的各个部分，分别像“泡”一样相继胀大，这种机制是一个新的不均匀性代替原有的不均匀性，此外，暴胀后的空间平直性还以暴胀前的平直性作为前提，否则暴胀不可能发生。林德所提出的混沌暴胀理论对于构建克莱因超弦理论具有重要意义。近年来，有些学者提出，在暴胀瞬间，物质高能状态存在有统一场，并推测在大爆炸后10-35秒，统一场中的“冻结碎片”会形成纤细而重的（104kg/cm）的“宇宙弦”，由于其引力场，周围可能形成星系，较大的弦圈可能形成星系团，这一理论较好地解释了现今所观测到的空洞、星系链和星系的片状结构。暴胀宇宙学的建立与发展表明，现代宇宙学已涉及到基本粒子物理、理论物理、大统一理论等多方面学科，这一扩展使人们面临许多根据现有知识体系所不能预见的问题，现代宇宙学的发展还有待于观测宇宙学及相关理论的进展。