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尽管热大爆炸宇宙学取得了巨大的成功, 它所预言的轻元素丰度以及宇宙微波背景辐射等都得到了大量观测的支持, 但是热大爆炸宇宙学依然面临诸如平坦性和视界等无法克服的疑难问题。 《科学通报》2017年第36期特邀中科院理论物理研究所黄庆国研究员解读。 黄庆国，2000年于中国科学技术大学获学士学位, 2004年于中国科学院理论物理研究所获博士学位。 2010年入选中国科学院引进国外杰出人才(百人计划)到中国科学院理论物理研究所工作, 先后获中国科学院卢嘉锡青年人才奖, 国家自然科学基金优秀青年科学基金, 并入选国家万人计划青年拔尖人才。主要研究领域: 宇宙学、量子引力理论。 热大爆炸宇宙学的诸多预言, 比如哈勃定律、轻元素丰度以及宇宙微波背景辐射等, 都得到了众多宇宙学观测的证实。尽管热大爆炸宇宙学取得了巨大的成功, 但是这个理论本身存在一些不可克服的困难。比如, 基于标准的热大爆炸宇宙学, 几乎完全各向同性的宇宙微波背景辐射天图可以分割成数万个在宇宙早期没有因果联系的区域演化而来, 那么为什么这些没有因果联系的区域具有几乎完全相同的温度? 这个问题被称为“视界问题”。此外, 尽管现有的宇宙学观测表明宇宙空间是平坦的, 但是空间平坦的宇宙是非常特殊的, 它需要非常精细地调节宇宙中所有物质的总能量密度, 使其恰好等于临界密度。是什么样的物理机制自动地把宇宙几何调整成平坦的情形? 这个问题被称为“平坦性问题”。
到底是什么驱动了宇宙暴胀呢? 由于引力一般总是表现为吸引的, 因此引力应当让宇宙膨胀逐渐地减慢下来。宇宙加速膨胀需要一种特殊的能量推动, 这种能量就是真空能。真空能完全不同于人们所熟知的普通物质, 它的一个重要特性是它的能量密度随宇宙膨胀保持不变。为了对抗宇宙膨胀带来的能量密度变小的趋势, 真空能具有一个非常特别的性质, 即它具有负的压强。真空能负的压强产生等效的斥力, 从而推动宇宙在极早期的暴胀。
目前, 被广泛接受和采用的是所谓的“慢滚暴胀模型”。在慢滚暴胀中, 宇宙并不处于亚稳真空态中, 而是由一个标量场(也被成为暴胀子)的势能提供等效的真空能驱动宇宙暴胀。为了解决热大爆炸宇宙学的诸多问题, 暴胀需要持续足够长的时间, 因此要求暴胀子的势能有一段较为平缓的区间。当暴胀子在这段较为平缓的势能区间运动时, 暴涨子很缓慢地向势能更低的地方滚动, 期间它的动能相较于它的势能几乎可以忽略不计。这也正是“慢滚暴胀”名称的由来。在慢滚暴胀模型中, 暴胀的退出机制完全不同于Guth最早提出的老的暴胀模型。慢滚暴胀的退出发生在暴胀子滚动到它的势能很陡峭的地方, 这时暴胀子在很短时间内被加速到快速运动的状态, 暴胀子也就由势能为主转变为动能为主, 从而自然地结束暴胀。 暴胀发生在宇宙极早期, 人们不可能回到暴胀时期去直接观测暴胀的物理过程, 而只能通过在宇宙中搜寻暴胀遗留下来的痕迹来了解和检验暴胀模型。量子效应一般与一个系统的大小成反比, 这也就是为什么量子效应往往在微观系统变得很重要。暴胀时期宇宙尺度很小, 因而量子效应不可忽略。由于暴胀时期宇宙处于近指数的膨胀状态, 宇宙哈勃视界的大小几乎不随时间变化。哈勃视界是暴胀时期宇宙因果视界的大小, 暴胀子的量子涨落反比于哈勃视界的大小, 因此也近似为一个常数, 而与扰动模式的波长几乎无关, 这一特性被称为近标度不变性。由于暴胀时期宇宙的能量密度由暴胀子的势能主导, 因此暴胀子的量子涨落会带来宇宙能量密度的涨落。暴胀结束后, 起源于暴胀子量子涨落的宇宙原初密度涨落在引力的作用下最终演化出今天所观测到的宇宙的结构。由于暴胀子的量子涨落是近标度不变的, 因此暴胀预言导致宇宙结构形成的原初密度涨落也是近标度不变的。基于现有的宇宙学观测, 原初密度涨落的大小约为十万分之一, 而且暴胀所预言的原初密度涨落功率谱的近标度不变性也已经得到了观测强有力的支持。除此之外, 引力自身的基本自由度(即引力波)的量子涨落也会遗留下来, 产生原初引力波涨落。引力波是张量自由度, 它会在微波背景辐射中产生一种特殊的偏振模式, 即B-模式偏振。2014年3月BICEP2观测组测量到大角度微波背景辐射B-模式偏振。一开始BICEP2观测组宣称他们找到了原初引力波存在的证据, 然而遗憾的是在扣除银河系热尘埃物质造成的对微波背景辐射B-模式偏振的前景污染后并没有发现原初引力波存在的踪迹。尽管目前仍未探测到原初引力波, 但是当前对原初引力波涨落幅度的严格限制强烈暗示暴胀其实是由一个等效的宇宙学常数主导的宇宙极早期加速膨胀过程。
总之, 暴胀不仅简单经济地解决了热大爆炸宇宙学的诸多疑难问题, 而且它所预言的宇宙空间平坦性和近标度不变的原初密度涨落都已经得到了观测的强有力支持。对暴胀动力学过程的更多研究将最终帮助人们解开“是什么驱动暴胀”之谜。 |
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来自： 阿里山图书馆 > 《中科院理论物理所》
