宇宙的钢丝绳-认识宇宙学

时间:2024-07-01 22:08:06

宇宙的钢丝绳

由于很难评估观测证据的可靠性和准确性(这些证据有时有冲突),这造成的意见分歧又在一定程度上引发了围绕Ω的大争论。倾向于较高Ω值(接近于1)的最有力证据是基于理论而不是观测结果。于是人们可能会认为这样的观点应被视为纯粹的偏见而不予考虑,但是它已经成为标准的大爆炸理论谜团不可分割的一部分,得到了宇宙学家们非常认真的对待。

宇宙的钢丝绳-认识宇宙学

为了理解谜团的本质,可以设想正站在一个密封的屋子外面。屋子里藏着什么东西你并不知道,只看到一扇小门下遮挡的一个小窗。你被告知可以随时打开这扇门,但只能是很短暂地打开一次。你同时被告知房间是空的,除了有一根悬挂在两米高空中的钢丝绳,一个人在过去不确定的某个时间开始在钢丝绳上走。你也知道如果他从钢丝绳上掉下来,他会呆在地板上直到你打开门。如果他掉不下来,就一直会在钢丝绳上走,直到你朝里望的那一刻。

打开门的时候你期望会看到什么?不管是期望看到那个人仍在钢丝绳上还是期望他站在地上,这都取决于你所不知道的信息。如果他是个马戏团的演员,他很可能能够在钢绳上来回连续走几个小时而不会跌落。反之,如果他(和我们大多数人一样)不是这个领域的行家,在钢丝绳上呆的时间就会相对很短。然而有一点很明显,如果他跌落下来,从钢丝绳掉到地面经历的时间会很短。我们很少能从窗口窥视到那个人从钢丝绳掉到地上的瞬间。在了解了这种情况后,当从窗口往屋里看时,期望看到那个人或者在绳上或者在地上是合理的,如果你看到他正在跌落的过程,就会认定怪异的事情正在发生。

这看上去似乎与Ω没有多大关系,但当意识到Ω不是一个不随时间变化的常数,它们的关系就明晰起来。在标准的弗里德曼模型中,Ω以一种非常特殊的方式变化着。在任意接近大爆炸的时刻,这些模型由Ω的值任意接近1来描述。换一种方式解释,我们来看图16。无论在以后的时间会怎样,三条曲线越在开始时越靠越近,特别是,它们都接近“平坦宇宙”的直线。随着时间推移,在早期Ω比1稍大的模型中,Ω的值越来越大,塌缩发生时Ω值已远远大于1。而初期Ω小于1的宇宙模型最终比平坦宇宙模型膨胀得快得多,Ω值逐渐接近于零。有更多证据表明Ω小于1,因此后一种情况更切题。在这种情况中,从Ω接近于1到Ω接近于零的变化是非常快的。

现在我们来看存在的问题。假设现在Ω的值等于0.3,在宇宙历史的早期,它是接近于1的,且仅比1稍小,事实上相差无几。例如在普朗克时间内(即大爆炸后10-43秒),Ω值仅比1小10-60数量级。随着时间的推移,Ω值一直处于临界状态附近,只是在不远的过去才开始快速远离临界值,在不久的将来将非常接近于零。这就好像我们捕捉到钢丝绳上的行者迅速跌落的瞬间是件非常令人吃惊的事。

这个矛盾就是众所周知的宇宙学平坦性问题,它是由标准大爆炸理论的不完整性引出的,如此大的问题使许多科学家相信需要一个大的解决方案。解决这个谜团的唯一方法似乎是,我们的宇宙必须是一个专业的杂技演员,这是最大可能地扩展这个比喻。很明显Ω不接近于零,因为有强有力的证据证明它的值的下限是在20%左右。这将人站在地上的选项排除了。这说明Ω值一定非常接近于1,且宇宙初期必定发生的某些事情才导致了这个值如此精确。