宇宙学——暴涨理论 (2-1)

宇宙学是一门研究宇宙起源、自然和演化的学科。它试图解释一下几个问题：

1. 宇宙是有限的还是无限的

2. 宇宙永远存在着吗

3. 假如不是，它是何时、如何形成的

4. 它的“生命”最终会结束吗

5. 人类是以何种存在生活在这个宇宙里的？我们又该如何解释我们的存在......

宇宙大爆炸假设了宇宙诞生的时间是在138亿年前，且最开始的宇宙是一团炽热，高密度，十分unifrom的一团粒子。它也对目前可观测宇宙内的一些事实做出了解释。

举个例子，越远的星系远离我们的速度就越快，也就是距离地球越远的星体，其远离地球的速度就越快。而哈勃根据这个现象得出了一个公式，V=Hr。当H不变，r和v成正比关系。根据这个公式也与波的红移蓝移相关。我会在下篇文章讲到多普勒效应，包括横向，纵向，圆周运动和非狭义相对论（通常为声波）和狭义相对论（洛伦兹变换）。

但大家可能时常把宇宙大爆炸和暴涨理论搞混，其实不然，因为暴涨理论只是修改了宇宙大爆炸，使其更加的充分。

宇宙大爆炸只解释了以下三点（可以参考Steven Weinberg的 The First Three Minutes）：

1. 早期宇宙是如何演化的

2. 质量较低的化学元素是如何产生的（如氢氦）

3. 物质是如何汇聚形成恒星、星系和星系团的

宇宙大爆炸的理论可以被以下三点所证明：

1. 哈勃定律

2. 宇宙微波背景辐射（CMB，指大爆炸”遗留下来的电磁波辐射）

3. 宇宙中大量存在的轻元素（符合宇宙大爆炸所做出的预测）

但它并没有解释：

1. 是什么导致了宇宙的膨胀（它只解释了宇宙膨胀的余波，意思是一开始宇宙就已经开始了膨胀）

2. 物质从哪来的（它假设所有物质在一开始就存在）

而暴涨理论则可以作为宇宙大暴涨的“prequel”,可以解释最初是什么导致了宇宙的膨胀且物质的来源。

在开始之前，我们先捋一捋时间线

这张来自来自BICEP2的图片有着一个很明显的错误——暴涨并非发生在宇宙大爆炸之后，而是自宇宙大爆炸之前就一直发生。

自宇宙大爆炸的那一瞬间，我们才有了时间的概念（在相对论的视角里时间不过是人为的造物）。而暴涨是一直发生的，我们并不知道它从何时开始，也不知道它何时结束。我们接下来从几个方面介绍暴涨理论。

Gravitational Repulsion

广义相对论和现代粒子理论的预测，在非常高的能量下，存在着可以产生引力排斥性的物质。由于我们目前并没有发现任何一种粒子符合这一特质，所以这里写的是“预测”。

暴涨理论说在早期宇宙里存在着一些可以产生引力排斥性的物质。能级达到约等于10^16次方Gev（1 Gev是一个质子质量所带来的能量），因此由于能量巨大，这个物质的体积只需要达到10^−28 cm即可让早期宇宙发生膨胀，而它使得宇宙以每10^-37秒的频率去指数倍的膨胀。

这个物质最终至少膨胀到了原本体积的10^28立方大小（约等于100次），且整个过程持续了可能约10^-35秒（100*10^-37）。

在最初膨胀的过程后，这个物质会发生类似衰变的行为，导致部分区域暴涨的结束。这个衰变的产物则是“正常的物质”，不会产生排斥性引力的物质。

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