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第1章 看看宇宙大爆炸(第3页)

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5.

模拟宇宙演化与观测结构相符:天文学家利用大爆炸模型模拟宇宙几亿年的演化过程,发现其能生成一种网状天体结构,这与目前天文望远镜观测到的超星系团、星系长城、空洞等大尺度纤维结构是一致的。

6.

中微子背景辐射预测准确:大爆炸模型预测存在温度为1.95k的中微子背景辐射。

2015年在宇宙微波背景辐射(cmb)上间接发现了温度为1.96k的中微子背景辐射,理论预测值1.95k与实测值1.96k较为接近,可见大爆炸模型的预测还是比较准确的。

二、宇宙大爆炸模型的缺陷及爆胀场理论

不过,大爆炸模型并非完美无缺,它存在至少三大缺陷,分别是视界问题、平坦性问题和磁单极子问题。

下面我们来具体看看。

1.

视界问题:这是宇宙大爆炸模型的一个突出缺陷。

宇宙大爆炸后诞生了a、b两朵粒子云,因量子力学的随机性,两朵云的温度不同,假设a云温度是3500°c,b云温度是2500°c,且两朵云距离较远,a云在银河系左边,b云在银河系右边。

思考一下,a云的热量能否传递给b云呢?答案是不能,因为热量传递速度不能超光速,而大爆炸后时间太短,a云没有足够时间把热量传递给b云,所以a、b两朵云会存在一定温度差。

天文学家依据大爆炸模型计算,微波背景辐射中至少应该有几万个像a、b云这样温度明显不同的区域。

但实际天文观测表明,微波背景辐射的温度差别极小,各个方向的温度仅有十万分之一的差别,即最冷的地方约2999.99°c,最热的地方约3000.01°c。

由此可见,理论和实际观测出现了矛盾。

而爆胀场理论可解决此问题,其思路是:假设a、b两朵云最初在一粒沙子大小的空间内,这样两朵云就能互相传递热量,通过热量交换,a、b两朵云在这粒沙子大小的空间里提前混合成3000°c,然后空间发生爆炸,致使这粒沙子瞬间膨胀到银河系大小,此时银河系左边的a云是3000°c,银河系右边的b云也是3000°c,最后因量子涨落,在微波背景辐射里呈现出2999.99

-

3000.01°c的温度范围,这样就完美解决了该问题。

简单来说,就是先在极小空间内提前混合好温度,空间爆炸后全空间的温度就都一样了,从而使微波背景辐射的温度也趋于一致。

2.

平坦性问题:根据广义相对论,宇宙可分为开空间、闭空间和平坦空间三种类型。

天文观测表明,宇宙目前是平坦空间。

但平坦空间极难形成,因为它要求宇宙的能量密度必须严格等于临界密度,就如同跷跷板一样,只要最初稍有偏离,就会随着空间的膨胀放大这种偏离。

由于量子力学的随机性,宇宙大爆炸初期,有些区域密度大,有些区域密度小,最终很可能导致形成一个不平坦的宇宙。

然而天文观测显示宇宙现在非常平坦,这就产生了矛盾。

爆胀场理论可解决此问题,其思路是:一粒沙子密度不均匀,有的地方密度大,有的地方密度小,若将这粒沙子瞬间膨胀到银河系那么大,就会抹平一切密度不均匀,宇宙的空间就会变得非常平坦,从而完美解决了该问题。

3.

磁单极子问题:大多数大统一理论认为,大爆炸后10的负36次方秒左右,因温度变化,强力和电弱力分离,这次从高温到低温的相变过程中会出现磁单极子。

磁单极子是指像磁铁虽有南北两极,但它只有南极或者只有北极的一种特殊粒子。

根据大爆炸模型计算,宇宙应该产生了很多磁单极子,可至今我们一个都未找到。

要是能找到磁单极子,肯定能荣获诺贝尔物理学奖。

对于爆胀场理论解决此问题的方式,假设在一粒沙子里面有1亿颗磁单极子,当沙子瞬间膨胀到银河系大小,整个太阳系都分不到一颗磁单极子,自然就找不到它了。

总之,传统的大爆炸模型存在这三大缺陷,于是天文学家提出了爆胀场理论来修复这些缺陷,相当于给大爆炸模型打了个大大的补丁。

三、爆胀场理论的观测证据及相关推导

爆胀场理论有三个核心预言:宇宙空间非常平坦、存在符合高斯分布的近尺度不变的密度涨落、原初引力波。

下面我们来简单推导一下空间为何会出现指数膨胀。

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