写提纲的灵感

今天有写提纲的灵感，没有写内容的灵感。所以索性把计划写的内容提纲都写上来，今后慢慢补充。也希望大家对提纲多提意见。

（四）暴涨的宇宙

宇宙的热历史，讲述了宇宙年少时一个又一个第一次的故事，解答了一个又一个关于我们从哪里来的问题。然而，宇宙的热历史并没有回答宇宙本身从哪里来。不仅如此，我们将发现，宇宙的历史中隐藏着种种巧合，这些巧合将带领我们探索宇宙更早期的秘密。


大爆炸宇宙学的困惑：巧合还是另有隐情？

在一个典型的以寻找宝藏为情节的小说中，我们先察觉种种蛛丝马迹，而后发现，这些暗示不是巧合，它们后面隐藏着一个巨大的秘密。宇宙学正是这样一部小说。这里首先让我们来找出暗示秘密的各种蛛丝马迹。

一、微波背景辐射是一张藏宝图：

在前文中，我们已经多次从微波背景辐射图中提取信息了。但是，我们前面分析的都是背景辐射图的表面信息。其实，微波背景辐射是一张藏宝图，里面的种种内在关联，向我们指出宇宙早期的秘密所在。

打一个比方，一个花瓶摔碎了，我们得到满地碎片。观察一块碎片上有什么花纹固然有趣，但是，发现这些碎片的边缘是严丝合缝的，它们原来可以拼接起来，重现一个完整的花瓶，则是更有意思的一件事情。下面，我们来看一看宇宙学中，有没有什么被摔碎了，因而产生了我们现在的宇宙。

从微波背景辐射的图中我们已经看到，尽管宇宙大尺度上非常均匀，但是仍然存在着量级为10的-5次方的相对涨落。这些涨落随时间演化，形成了今天的星系等大尺度结构。

实验表明，虽然每个小区域的涨落看起来是随机的，但是如果把不同区域的涨落拿来比较，就会发现不同区域的涨落之间居然有关联。这种关联好比你我两个人在一红一黑的两张扑克牌中各抽一张，虽然对我们俩每个人来说，抽到红牌还是抽到黑牌都是随机的，但是，我们之间仍存在关联，如果你抽到了红，我一定抽到黑。宇宙的不同区域之间存在关联，说明这些区域在宇宙早期是有联系的。现在的碎片在宇宙早期是一个完整的花瓶。

读者可能对此并不奇怪：宇宙本来就是膨胀的，所以现在分布于空间各处的涨落碎片在宇宙早期有相互联系看起来并没有什么稀奇。但是，宇宙比花瓶更奇妙之处在于，如果宇宙的早期一直是辐射为主，没有新的物理出现，那么宇宙的各个大片的碎片之间从来不会有因果联系！没有因果联系的碎片们，怎么能严丝合缝地拼成一个花瓶呢？

说得更技术性一点，宇宙一直在膨胀，光也一直在宇宙中传播，在物质为主和辐射为主的时期，由于宇宙减速膨胀，光的传播速度比宇宙膨胀的速度快。换言之，我们能看到的东西一直是越来越多的。于是，随着时间向前追溯，有因果联系，也就是互相能“看到”的宇宙区域将越来越小。所以，我们今天看到的微波背景辐射图上的大部分区域（角度大于1度的区域），都是在物质为主和辐射为主时期不可能有因果联系的。它们真的没有因果联系吗？没有因果联系的区域怎么能出现相互关联的扰动呢？

二、消失了的遗迹：

我再举一个例子来类比另一件天大的怪事。我们都知道，考古学上，出土过很多古人类化石，从此我们能够看到从原始人到现代人一步一步的演化过程。我们可以想像，假如人类从来都没有发现过这些古人类化石，将是多么奇怪的一件事情：进化论表明，人应该是逐步进化出来的，可是他们的遗迹竟然消失了！我们是不是会想像，有什么秘密的力量，把这些遗迹藏起来了呢？

宇宙学中正是如此！按照热大爆炸宇宙学，早期极高温，极高密度的宇宙明明应该留下一些遗迹，这些遗迹明明应该现在还“在这里”的，但是它们现在居然消失得无影无踪。

这些遗迹叫做“孤立子”。想像有一条只能容纳一辆车通行的很长的小路，两辆车从相对的方向驶入。当两辆车开到了中间，如果谁都拒绝退让，就只能卡在路中间了。真空也是一样。真空是能量最低的状态。在宇宙冷却的过程中，宇宙从一个各种场普遍存在激发的状态向真空态演化。如果一个理论存在多于一种可能的真空态，那么，在宇宙冷却过程中，空间不同地方不一定冷却到同一个真空。这些不同的真空互不相让，在它们相邻的地方就形成了所谓的“孤立子”。不同的理论预言存在不同的孤立子。其中磁单极像一个点，宇宙弦像一条线，领域墙像一个面，甚至还有一种叫做瞬子的孤立子，只存在一个瞬间。

根据流行的大统一理论，宇宙冷却到大统一能标的时候会产生磁单极。磁单极的数密度约是当时的每个哈勃尺度有一个。这些磁单极应该充满了我们现在所观测到的宇宙。但是，目前我们连一个磁单极都没找到过。它们躲到了哪里呢？


三、热宇宙幕后的指使者

作为日常经验，新生事物往往最开始的时候是很弱小的。例如人，组成人的单位是细胞。而人最开始就是从一两个细胞经过很多次分裂分化形成的。让我们假想，有一种生物，从最初的受精卵就包括数以亿计的细胞，那么我们一定奇怪这个生物是怎样“一下子”产生出来的。

而宇宙正是这样令人奇怪。组成宇宙的长度单位是普朗克尺度。而如果热大爆炸宇宙学不增加新的内容，那么可以计算，宇宙从诞生开始，就至少有10的29次方个普朗克尺度这么大。组成宇宙熵的单位是“一”，但是如果热大爆炸宇宙学不增加新的内容，那么宇宙诞生开始，就具有10的87次方这么多单位的熵。这样奇怪的现象，如果不是巧合，那么一定暗示着新物理的出现。


四、平坦空间是精细调节了的跷跷板

随便抓来一只猫和一只狗放在一个灵敏的跷跷板的两端，等上一段时间，就会分出谁轻谁重。如果它们站在跷跷板上一整天，而跷跷板仍然没有偏向任何一边，那就很奇怪了。因为这说明我们随便抓来的两只不同的动物居然是精确地一样重的。

而宇宙正是如此。爱因斯坦方程告诉我们，物质等于时空弯曲。如果纯粹空间弯曲是跷跷板，辐射能量是猫，与时间相关的时空弯曲是狗，那么我们等上足够长的时间，应该能够看到纯粹的空间弯曲。但是我们等了足足137亿年，居然跷跷板还是平的，精度高达百分之二！


把三维空间曲率比作跷跷板是恰当的，因为辐射或物质为主的宇宙中的三维空间曲率，和跷跷板有一个共同的关键属性，就是平衡点是不稳定的。一旦偏离平衡，那么就会一直偏离下去。实验看到了宇宙诞生137亿年后的今天，宇宙在三维空间上仍然是很平坦的。这样，可以计算，在宇宙刚诞生一秒钟的时候，跷跷板两边的辐射能量和时间导致的时空弯曲之间的差别要小于10的-16次方。而如果宇宙更早期一直是辐射为主的，那么在宇宙量子诞生的时候，时间是10的-43次方秒，跷跷板两端的差异则要小于10的-60次方！物理上，并没有什么原理告诉我们辐射能量和时间导致的时空弯曲要非常接近，它们的差别应该和随便抓来的一只猫和一只狗没什么区别。那么，究竟是巧合还是有什么内在的道理，使得它们的重量如此接近呢？


贪婪的真空，暴涨的宇宙

有一个简单而疯狂的想法，能一举解决前面提出的所有问题。这个想法就是：在宇宙诞生之初，曾经历过一个加速膨胀的阶段。这种加速膨胀叫做暴涨。

正是由于暴涨，两个有因果联系的区域被迅速的膨胀拉开，变得在加速期间不再有因果联系。知道加速阶段结束后很久，这两个区域才重新能够建立联系。这就解决了仿佛花瓶碎片的微波背景辐射关联问题。

正是由于暴涨，先前产生的磁单极的密度被极其迅速地稀释，使得当今空间的磁单极密度小到不能被探测到。这就解决了消失的遗迹这一桩疑案。

正是由于暴涨，在能量密度下降很小的同时，宇宙膨胀如此之快，制造出了一个足够大的宇宙。加速膨胀的末期，推动宇宙加速膨胀的能量衰变成物质，又制造出了足够多的熵。正是加速膨胀的阶段，一手打造了宇宙当今如此巨大的规模。

正是由于暴涨，把三维空间曲率迅速拉得非常平坦，创造了精确一样重的辐射能量猫和时空弯曲狗，使得三维空间曲率的跷跷板直至今日还保持着平衡。

暴涨一个简单的假设，就解决了以上的诸多疑难，可以说是物理学中经济和有效地解决问题的范例。但是，物质和辐射为主的宇宙都是减速膨胀的。怎么才能使宇宙处于加速膨胀状态呢？

前面我们介绍过，宇宙膨胀加速还是减速取决于宇宙膨胀过程中，宇宙中物质成分的稀释速度。物质和辐射都不能使宇宙加速膨胀，原因是物质和辐射在宇宙膨胀过程中被稀释的速度都太快了。为了使宇宙能够加速膨胀，我们提出问题：有没有什么东西，在宇宙膨胀过程中稀释得足够慢，甚至不被稀释呢？

想像一个大小可变的密封盒子，里面装上什么东西，才能使得当我们让盒子变大的时候，这种东西的密度仍然保持不变呢？

答案是：真空。

读者可能反对说，这怎么算数呢？真空就是代表没有东西嘛，换句话说，真空这家伙不是东西的！但是，我们来仔细想想，真空真的不是东西吗？

从前面量子场论的介绍里面，我们已经看到，真空不是空的，真空里面充满着正反虚粒子的产生和湮灭。既然真空不是空的，真空就可能具有能量。于是真空也会令时空弯曲。同时，当空间体积被产生出来的时候，真空被原样地产生出来。于是，真空不仅是东西，还正是我们要找的宇宙膨胀的时候能量密度不变的东西。

于是，真空能起到了推动宇宙暴涨，从而解决宇宙学疑难的作用。但是，真空本身还有一个缺点，就是太难控制了。如果真空任性地暴涨起来没完没了，也产生不了我们现在观测到的宇宙。于是，我们退而求其次，找一个类似于真空的东西，来推动宇宙的加速膨胀。这个替代品就是标量场的势能。如果标量场的势能足够平坦，那么就好像一个非常平缓的山坡上，小球的滚动会很慢一样，标量场的能量随宇宙变化很慢，形成一个有效的真空能。这个有效的真空能，即可以驱动宇宙的加速膨胀，又可以听话地在需要的地方停住脚步，还可以在需要产生其他的时候通过自身的衰变把其他物质产生出来。于是，标量场是暴涨的再好不过的推动者。

暴涨中的扰动：创世者的呼吸

一、创始者的呼吸

即使再聪明的凶手，作案的时候都会留下痕迹。暴涨时期，宇宙膨胀如此之快，使得宇宙中几乎所有东西都被稀释掉了。可是，再强大的稀释作用，都不能破坏量子力学的测不准原理。测不准原理的刚强个性，使得稀释作用越强，量子涨落越大。暴涨中的量子涨落像创始者的呼吸，在当今的宇宙中留下了暴涨的几乎唯一的痕迹。

量子涨落无处不在，无时不有。为什么偏偏暴涨阶段量子涨落留了下来，而我们日常生活中，量子涨落却往往不见踪影呢？

原因是，日常生活中的量子涨落往往能够被平均掉。但是在暴涨期间，由于宇宙加速膨胀，在10的-40次方秒的宇宙特征时间内，宇宙的体积就会膨胀20倍。通过量子涨落产生的虚粒子对还没来得及湮灭掉，就被新生长出来的空间分隔开，彼此远离以至于不再能看见对方。具体的计算表明，这个粒子对被拉开的过程中，粒子数量也有所增加，于是，量子的涨落凝固下来，成为了经典的扰动。经典扰动以一个守恒量的形式存在，从宇宙诞生之初，经由38万年时背景辐射产生，直到137亿年后被我们看到。CMB中的温度涨落，就是这个凝固下来的经典扰动。

二、星系结构形成的种子

现在我们回到早先曾经提出的一个问题上来：当今的宇宙虽然大尺度上近似是均匀的，但又不是完全均匀的。宇宙中存在10的-5次方量级的密度涨落。这个密度涨落形成了超星系团、星系团、星系这样的大尺度结构。这样的密度涨落，以及大尺度结构，是怎么形成的呢？

通常的物质，比如一盆水，放在那里，它不会自发变得有的地方更蓬松有的地方更稠密。这是因为水分子之间既有引力又有斥力，使得分子不能自发结团。但是，设想一种物质，内部只有引力相互作用，而斥力则可以忽略，那么，这种物质内部只要有一点小的不均匀性，这个不均匀性就会增长，导致大范围的结团。宇宙就是这样的物质。这是因为在大尺度上，电磁、弱、强相互作用早已被中和掉了，只有引力起作用，而引力自然是互相吸引的。所以，引力会导致结构的形成。

但是，光有引力还不够，宇宙还要有初始的不均匀性才行。这初始的不均匀性，就是暴涨中凝固下来的扰动。计算表明，正是暴涨中凝固下来的扰动，形成了宇宙的大尺度结构。

三、永恒暴涨

宇宙“外面”有什么：多重宇宙的故事

宇宙“外面”有什么？

首先，这个问题有没有意义呢？它是不是和“北极的北边有什么”一样，是一个“伪问题”呢？这个问题是否有意义，取决于什么叫“宇宙”。

前面，我们一直在模糊地、感性地使用宇宙这一个概念。“宇宙”这个概念可以有两种理解：

历史上，宇宙最早指所有时间和所有空间组成的区域。这也正是宇宙一词的来历。最先创造宇宙一词的是墨子，他用“宇”来指东、西、南、北，四面八方的空间，用“宙”来指古往今来的时间，于是，宇宙包括了“整个”时空。

但是，采用这种宇宙的定义在物理上并不方便。


比暴涨更早？量子引力的求索

暴涨与暗能量：轮回还是宿命？

（三）宇宙的热历史

这小节谈一谈宇宙的热历史。关于宇宙的热历史，一个非常好的科普介绍是李淼老师为《新发现》写的《中国神话中的现代宇宙学》。如果还没读过的话，建议大家有空读读。


我们的宇宙是古老的。从诞生至今，宇宙已经有大约137亿岁了。宇宙并不是一成不变总是像现在一样。在宇宙的诞生之初，它有着非凡而辉煌的历史，我们把这个历史称作宇宙的热历史。

时间越早，宇宙越热

早期的宇宙是高温度，高密度的。这是因为宇 宙在膨胀。对于一个给定的宇宙区域，例如我们今天能够观测到的这部分宇宙来说，从前的这部分宇宙区域要比现在的小。在更小的一块地方里面要想装下现在 宇宙里面这么多物质和辐射，这些物质和辐射就会被挤压得更密集。也就是说，宇宙膨胀的自然推论是，随着时间向前追溯，宇宙的密度会越来越大。正 如压缩气体会使气体变热，一个宇宙区域在从前体积更小的时候不仅密度比现在大，温度也比现在高。早期的宇宙正如一锅热汤，各种粒子在热汤里面频繁地碰撞，达到混乱的平衡。随着温度降低，这种混乱的平衡才逐渐被有秩序的宁静所取代。

下文中，我们将讲述宇宙从诞生起，直到成长至今的经历。在讲述的开始，或许读者会进入一个完全陌生的世界。但是，随着宇宙的成长，我们会慢慢看到，今天我们熟悉的世界从何而来。

待续：

电弱相变：力变成了质量

量子色动力学相变：氢原子核的诞生

原初核合成：轻的化学元素的起源

物质为主：星系结构开始形成

光子退耦：宇宙从此变得透明

穿越黑暗：第一颗恒星开始发光

重返黑暗？来自黑暗的神秘能量

另一个尽头另一个迷：更早期的宇宙？