天體粒子物理與宇宙學

宇宙暴脹(cosmic inflation)

宇宙微波背景在每一個方向上看上去幾乎是完全相同的溫度,哪怕是兩片相隔極遠、在宇宙的尋常歷史裡根本無從接觸、無從交換熱量的天區也是如此。那它們為什麼會一致?這就好比世界兩端的兩壺水被發現溫度分毫不差,卻沒有任何途徑曾經接觸過。宇宙暴脹是目前最主流的答案:它認為,在最初那一瞬的幾分之一秒裡,宇宙經歷了一場短暫而快得驚人的膨脹爆發。

這個設想是:在開端之後遠不到萬億分之一萬億分之一秒的轉瞬之間,宇宙在一個特殊場的能量驅動下,體積一遍又一遍地翻倍,幾乎在瞬間膨大了一個巨大的倍數。這一下子解決了好幾個謎題。一塊在暴脹之前還很小、已經混勻的區域,被拉伸成了我們整個可見的宇宙——這正是遙遠天區共享同一溫度的原因:它們曾經是接觸著的。暴脹還把任何彎曲都抹平了,解釋了為什麼空間在幾何上看起來是平的。而最關鍵的是,那個初始微粒中存在的微小量子漲落,隨著一切被一同拉伸,變成了那些輕微的密度起伏,它們日後在重力作用下生長成了全部的星系。

暴脹是粒子物理與宇宙結構起源最戲劇性地交匯的地方。整套圖景仰仗一個場——在精神上很像希格斯場——它的能量在短時間內主宰了宇宙,而它烙印在宇宙微波背景上的圖案,如今已被精細地測量。然而必須直言:暴脹儘管成功得令人印象深刻,卻並非已確認的事實:那個負責的場究竟是什麼尚不可知,好幾個版本彼此競爭,而一道長久求索的直接指紋——CMB 偏振中一種特定的重力波圖案——至今仍未被找到。它依然是一個引人入勝、可供檢驗的框架,而非已成定論的物理。

暴脹預言,宇宙微波背景中那些微小的溫度漣漪應當呈現一種特定的統計圖案——在某些尺度上比另一些尺度上結構略多一點——而實測到的圖案與這一預言吻合得相當之好,這正是它如此受重視的原因。

剎那間一場失控的膨脹,也許塑造了一切。

暴脹是主流框架,而非已確立的事實:沒有人知道是哪個場驅動了它,相互競爭的版本給出不同的預言,而那個最直接、最被寄予厚望的特徵至今仍未被觀測到。它經濟地解釋了許多事情,但仍是一個受檢驗中的假說。

又稱
inflationary epoch暴胀暴脹