前沿:宇宙學及其他

宇宙暴脹(cosmic inflation)

大霹靂模型從第一秒起就運作得極為漂亮,卻對最起初留下令人不安的謎題。為什麼天空中相反兩個方向的宇宙微波背景溫度相同,明明那些區域彼此似乎太遠、從未能交換過熱量?為什麼空間如此精確地平坦?暴脹用一記大膽的手筆同時回答兩者:在最起始有一瞬駭人的高速膨脹,把一小塊在剎那間吹脹到巨大的尺寸。

宇宙暴脹主張,在起始之後約 10^-36 到 10^-32 秒之間,宇宙經歷了加速的、近乎指數的膨脹,a(t) 大致正比於 e^(Ht),在那轉瞬的區間裡增長了至少 e^60 倍(一兆兆倍)。一般認為它由一個純量場——暴脹子(inflaton)——所驅動,該場暫時被困在一個高而近乎不變的位能狀態,其行為像一個巨大的宇宙常數。這使空間變得平滑且平坦(解決了視界與平坦性問題),稀釋了如磁單極這類不受歡迎的殘留物,而且關鍵地,把微觀的量子漲落拉伸到宇宙尺度,播下了我們在宇宙微波背景中所見的密度漣漪。

暴脹的重大成功是定量的:它預測原初漲落的功率譜近乎、但不恰好,尺度不變,而宇宙微波背景恰好證實了所預測的那絲微傾斜。然而它是一個框架而非單一理論:暴脹子的身分未知,存在許多互相競爭的模型,而一項乾淨的預測——某種特定的原初重力波背景——至今尚未被偵測到。暴脹解釋了大霹靂不得不假設的初始條件,但它本身並不解釋最終的起源。

想像一顆皺褶的氣球被吹脹一兆兆倍:你起初所在的任何一塊都變得浩瀚而局部平滑,其曲率也被撫平消去。同理,暴脹使任何一小塊原初區域長大到囊括我們所能見的一切,這正是為什麼可觀測宇宙看起來均勻且平坦。

暴脹把一小塊平滑的區域拉伸到囊括整個可見宇宙。

暴脹是一個動機充分的框架,而非一套完成的理論:暴脹子場的身分尚未確認,其標誌性的原初重力波預測(宇宙微波背景中特定的 B 模偏振)仍未被偵測。它處理的是初始條件,而非最終的起源。

又称
inflationary epochinflationcosmic inflation theory暴漲