宇宙诞生的最初瞬间的发现者( 三 ) _发现者

可以说，上世纪60年代宇宙微波背景辐射的发现，是现代宇宙学开启的标志。它的发现证实了宇宙大爆炸理论，从此整个宇宙诞生以来的所有细节，变成了一门严肃的学科，被认真地研究和讨论。然而，也正是宇宙微波背景辐射，对大爆炸理论本身提出了一道难题。
我们知道，光速是宇宙中信息传递的极致，两个时空点之间如果连光都无法企及，那这两点发生的任何事情，都应该没有关联才对——因为双方都无法知道对方是什么状况。那么，在宇宙诞生38万年的时候，光一共能跑多远呢？直观一些讲，把这个距离投影在天空中，张角不过1°左右——只有两个满月并排起来那么宽。这样，问题就来了。从天空各个方向看到宇宙微波背景辐射，原则上可以千差万别，因为它们之间本该来不及传递任何信息才对。为什么我们实际观测的结果却是各个方向惊人地相同呢？这就是所谓的“视界困难” 。
暴胀假说
正是为了解决这一难题，前面提到的阿兰·古斯在1980年提出了这样一种可能性：在宇宙诞生最初的时刻，时空发生过一次急速膨胀的过程——这便是暴胀理论。更具体地说，现在人们普遍认为，宇宙大爆炸之后的一瞬间，时空在不到10-34秒的时间里迅速膨胀了1078倍（我就不用多少个亿来表达这两个数字有多极端了）。时空在这种暴胀发生之前是有信息交流的——即便后来被暴胀拉开很远。于是，看到一致的微波背景信号也就不足为奇了。

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1980年率先提出宇宙暴胀理论的阿兰·古斯。图片来源：Donna Coveney，麻省理工学院
有趣的是，暴胀理论还可以解释另一件一直让人们困惑的事情。多种不同的宇宙学测量告诉我们，今天我们身处的宇宙时空是平直的——换句话说，时空就像是拉平的一张床单。乍一看，这似乎没什么大不了。但稍微做一些不太复杂的计算，人们很快就认识到，要想保证今天宇宙时空大致平坦的话，宇宙诞生之初的时空就必须平坦到一个令人发指的地步才行。宇宙要么在诞生之初被“非常精细的微调”，不然非平坦性很容易在宇宙演化的过程中被不断放大。这被称之为“平直性困难” 。
当然，我们可以要求宇宙非常严格地做到了精确平坦，这跟任何基础物理学都不矛盾。但是物理学家不喜欢这种“不自然”的事情，总觉得应该有一些未知的规律促成了这些“奇怪”的要求。你或许已经猜到了——暴胀理论的出现正好解决了这个问题！不论暴胀之前宇宙时空是不是平坦的——哪怕它长得奇形怪状，在时空被瞬时拉大一亿亿亿亿亿亿亿亿亿倍的时候，原来的样子你是肯定看不出来了。暴胀理论预言：宇宙的时空不仅应该是平直的，而且应该是精确平直的！今天的天文学观测告诉我们，宇宙时空的形状与完全平直之间的偏差，不超过千分之几。
暴胀过程的副产品也极其有趣：人们之前一直想不明白，各向同性均匀的大爆炸，怎么就产生了宇宙中如此丰富的结构？暴胀理论的回答是，急速的暴胀把量子尺度的微观扰动迅速拉大到宏观尺度，变成不可逆的密度涨落。这些涨落成为宇宙结构形成的关键“种子” 。在引力的相互作用下，密度高的地方逐渐聚集了更多的物质，宇宙由此演化出星系、恒星、行星等结构，以及在一颗暗淡的行星上奔波的我们。