科学家发现宇宙环结构 跨度达50亿光年
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。
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”。