《一路走來的宇宙 04》

《邊走邊想 037》

1978年秋天，古斯在康奈爾大學做粒子物理學的博士後。他正患上支氣管炎，但還是參加了宇宙學和天體物理學家迪奇的一個講座。迪奇闡述了宇宙學裏的平坦性問題。廣義相對論認為物質會使空間彎曲。而在宇宙大尺度上的觀測說明宇宙是非常平坦的，意謂宇宙整體上類似一個歐幾裏德空間，曲率接近於零。這幾乎是一個不可能的巧合。宇宙的空間曲率會隨著宇宙的膨脹發散性地變化。隻要原初宇宙空間曲率不是絕對的零，現在宇宙就會非常不平坦。但是原始宇宙在高能量高物質密度的狀態下，空間不可能平坦。為解決這個問題，古斯在大統一理論的框架裏著手構建出宇宙的暴脹理論。幾乎在同一時間，前蘇聯的林德也提出相同的理論。林德於1990年輾轉移居美國。

宇宙從十億億億億億億之一秒開始膨脹，迅速降溫十萬倍。萬有引力作用力與其它三種統一在一起的作用力分離開來。到了一萬億億億億分之一秒，宇宙溫度降到一百萬億億度，進入一個臨界的贗真空相變狀態。古斯假想出一個矢量場，賦予宇宙的空間能量。結果，宇宙以指數形式快速膨脹。在短短的一億億億億分之一秒的時間內，宇宙已經從一百萬億億億分之一米膨脹到大約一千分之一米（一毫米）。這時的宇宙隻有圓珠筆筆尖的大小。宇宙暴脹又會因為空間能量密度的降低和新產生出來的粒子物質而消退。其間，宇宙溫度因為暴脹子場產生的能量抵消宇宙的膨脹而保持相對恒定。在這裏，宇宙的成長不是依靠物質的運動和傳播，靠的是空間尺度的增長。我們還不清楚古斯暴脹理論裏的暴脹子場的根源。有人指出它其實就是希格斯場。但現在還無法驗證。

確實，我們現在無法觀測到暴脹時期的宇宙。但是暴脹理論很好地處理了一些理論問題。首先是宇宙的平坦性問題。無論暴脹前宇宙的空間曲率如何，暴脹讓宇宙的物質密度盡量地降低，以至於以後的宇宙空間盡量的平坦。在早期宇宙的高溫情況下，完全有可能有磁單極子的存在。但是，暴脹使得磁單極子足夠的稀釋，完全排除在我們現有宇宙的視界範圍之內。這也就解決了讓狄拉克耿耿於懷的磁單極子問題。此外，我們的宇宙遵循所謂的宇宙學原理。宇宙的任何觀測者觀察到的宇宙是一致的。這要求宇宙是均勻和各向同性的。暴脹理論預言，無論初始宇宙是否均為，是否各向異性，劇烈的暴脹將會抹平所有這些非均稱性。這些在以後的宇宙背景輻射的實驗觀測中被證實。在宇宙暴脹期間，強相互作用和弱電相互作用在暴脹子的驅使下分離開來。

暴脹時期過後，宇宙以較慢的速度膨脹。這時的宇宙中充滿了各種粒子。溫度仍然很高，誇克，反誇克，和膠子都處於自由狀態。高溫也激發出弱電矢量玻色子和希格斯標量玻色子。希格斯場的真空期望值為零。所有的費米子和玻色子都為零質量。這種熱平衡狀態持續到一萬億分之一秒。宇宙溫度下降到一千萬億度。又一次相變發生。作用粒子的對稱性降低，弱相互作用和電磁作用分離。同時，通過希格斯場的對稱破缺機製，弱相互作用的交換玻色子獲得質量。弱相互作用變成短程力。而無質量的光子產生出來，主導電磁相互作用。另外，費米子通過和希格斯場的耦合獲得質量。從此往後，宇宙中物質粒子的行為可以用粒子物理學家熟悉的標準模型描述。此時的宇宙膨脹到方圓一億公裏的大小，相當於金星到太陽的距離。

--寫於2022年8月15日（圖片來自網絡）