早期的宇宙暴涨和暗能量之间有什么关联?

“暴涨过程发生在宇宙诞生后的10^-36 秒~10^-32秒之间。在暴涨结束后,宇宙继续膨胀,但是膨胀速度则小得多。”——1980年由麻省理工学院(MIT)的科学家阿兰·固斯(Alan Guth)

现在我们知道,宇宙在大爆炸之前还存在一个特殊的状态,正是这个状态创造了热大爆炸中的一切物质粒子和辐射粒子,也是我们宇宙的真正起源,这个状态就是宇宙暴涨。

宇宙暴涨发生在宇宙诞生后的10^-36 秒,这时的宇宙空间呈指数膨胀状态!在暴涨结束后,真空能量衰变到物质中,产生了我们目前标准模型中已知或未知的粒子,这时的宇宙开始呈现出了减速膨胀的状态,也就是宇宙的膨胀速度一直在下降。

直到45亿年前,暗能量重新接管宇宙以后,减速膨胀的宇宙又在暗能量的拉扯下开始加速膨胀,那么问题是:宇宙一开始的指数暴涨和现在的暗能量存在某种程度上的联系吗?这是两种不同的力量导致的宇宙膨胀吗?

首先,我们可以肯定地是宇宙目前正在加速膨胀,但它不需要任何形式或者类型的力来这样做。事实上,当你拥有一个跟我们一样的宇宙时,这个宇宙是:

受爱因斯坦广义相对论的支配,

充满了物质、辐射和任何我们未知的“东西”,

平均而言,在所有地点和所有方向上,物质分布是大致相同的,

这样一个宇宙就会得出一个有趣而又不舒服的结论。这个结论最早是爱因斯坦本人在相对论的最初几年里得出的:这样的宇宙根本不可能稳定,只要存在稍微的密度不均匀,就会在引力的作用下坍缩。

换句话说,受广义相对论支配的宇宙是不可能静止的,这样的宇宙要么静止,要么扩张,除非你虚构出一种新型的力,使得宇宙保持静止。

当然,这个时候埃德温·哈勃还没有发现宇宙正在膨胀。当时人们除了不知道宇宙膨胀以外,甚至还不知道天空中那些螺旋状星云是银河系中的天体,还是独立的星系本身。再加之,爱因斯坦和当时大多数人一样喜欢一个静态的宇宙,于是他就为自己的引力方程做了一个特别的修正:引入了宇宙常数的概念。

爱因斯坦相对论的核心思想有两个方面:物质和能量方面,以及时间和空间方面。它说,物质和能量的存在决定了时空的弯曲和演化,而时空弯曲和演化的方式决定了其中每个物质和能量的量子命运。

宇宙常数的增加意味着,有一种新的能量,是空间本身固有的,它使宇宙的结构以恒定的速度膨胀。所以,如果所有的物质和能量产生的引力作用使得宇宙坍缩,那么这个宇宙常数,就使宇宙膨胀,如果让这两个速率相互匹配,并准确的相互抵消,最终就会得到一个静态的宇宙。

事实证明,我们的宇宙正在膨胀,不需要宇宙常数来抵消引力。相反,宇宙一开始的初始条件就是一直在膨胀,抵消了所有物质和能量产生的引力。宇宙从诞生开始,非但没有收缩,反而一直在膨胀,只不过膨胀的速度一直以来在很长的一段时间内只是减慢了而已。

宇宙的膨胀是哈勃在20世纪20年代发现的,这个现象发现以后,人们不禁会问这样两个问题:

是什么导致了宇宙在早期开始以如此快的速度膨胀的?

宇宙未来的命运将会如何?它会永远扩张下去吗?它最终会逆转并重新坍缩吗?还是会处在膨胀与收缩的临界点上?

宇宙一开始为什么会膨胀,这个问题自从提出后半个多世纪都无人能答,不过当时威廉·德西特(Willem de Sitter)一开始就提出了一个观点,他认为正是宇宙常数导致了宇宙一开始的膨胀。

最后,在20世纪80年代早期,产生了宇宙膨胀理论,提出了指数膨胀的早期阶段,在这个阶段,宇宙被某种非常类似于宇宙常数的东西所主宰。

但它不可能是一个真正的宇宙常数(也被称为真空能量)因为宇宙并没有永远保持在这种状态中。相反,宇宙一开始可能处于一种虚假的真空状态,在这种状态中,宇宙自身固有的一些能量随后衰变为一种低能量状态,导致物质和辐射的出现,也就是热大爆炸!

然而,第二个问题关于宇宙的命运,我们发现了一件非常奇怪的事情。我们原以为在宇宙中所有的物质和能量所产生的引力会和初始膨胀率之间有一种简单的竞赛,但我们却发现了宇宙中还有一种新形式的能量,它导致了现在的宇宙加速膨胀。这相当出乎人们的意料:一种被称为暗能量的能量。

据我们目前所知,这种暗能量似乎与宇宙常数具有相同的形式和性质。

这两种指数膨胀,早期的和晚期的,在细节上非常不同:早期宇宙的膨胀期持续了一个不确定的时间(可能短至10^-33秒,也可能长至接近无限)而今天的暗能量主导了宇宙加速膨胀大约60亿年。

早期的暴涨状态非常快,宇宙膨胀率大约是今天的10^50倍。与之形成对比的是,今天的暗能量约占今天膨胀率的70%。

早期的暴涨状态一定与物质和辐射有某种联系。如果量子场论是正确的,那么在足够高的能量下,一定存在某种“膨胀”粒子(膨胀子)。晚期的暗能量根本没有已知的耦合粒子。

尽管如此,它们也有一些相似之处。

它们都有相同的(或无法区分的)状态方程,这意味着宇宙的尺度和时间之间的关系是相同的。

它们在能量密度和在广义相对论中引起的压强之间有相同的关系。

它们都导致了宇宙中同样的指数膨胀。

但是它们之间有联系吗?这个问题很难说。原因是我们对其中任何一个都不是很了解!我们现在只知道有暗能量的存在,它为宇宙提供了负压导致目前的宇宙加速碰上,而在暴涨时期,我们认为宇宙受高能量状态的量子场掌控。

当我们想到宇宙暴涨的时候,可以想象一个2升的汽水瓶。这种高能量状态就像宇宙暴涨时的状态。然后发生了一些特别的事情,导致汽水喷出了瓶子,创造了宇宙的低能量状态。

如果宇宙空间本身保留了一部分早期的能量,也就是说高能暴涨场并没有下降到零,而是处在某个有限的非零值,那么早期的暴涨场很可能就是暗能量的来源。

然而,即使我们已经有了很好的观测和实验设备(James Webb, WFIRST, LISA和ILC),但是暗能量的来源,以及它和早期宇宙的暴涨场之间的关系,我们也在短期内不会得到答案。