暴胀和平坦性
上文提到的宇宙初期发生的变化称作宇宙学暴胀,这最初是由阿兰·古斯(Alan Guth)1981年提出的,描述了大爆炸模型的最早期状态。暴胀包括物质性质在极高能态下的一种奇怪变化,这种变化被称为相变。
我们已经讲了关于相变的一个例子。它出现在大爆炸的百万分之一秒的标准模型中,包含了夸克之间的相互作用。在低温时,夸克被限制在强子中,而在高温时,它们形成了夸克-胶子等离子体。在这个过程中发生了一个相变。在许多统一理论中,在更高的温度下,可能会有很多不同的相变发生,标志着宇宙中物质和能量的性质和形式的变化。在特定的环境下,一个相变可能伴随着真空中能量的出现,这种能量叫真空能。如果出现了这个现象,宇宙的膨胀开始比标准弗里德曼模型中的膨胀更加迅速,这就是宇宙暴胀。
在过去的20年中,暴胀对宇宙学理论产生了巨大影响。关于暴胀需着重提出的是,过分膨胀的相(存在非常短)实际上逆转了Ω随时间变化的趋势。暴胀开始时,Ω被强烈地朝1拉动,而不是像上面描述的远离1。暴胀就像一个安全系带,将看上去要从钢丝绳上掉下来的行者拉回绳索上。利用Ω值和空间曲率之间已经建立的联系可以更容易理解这一切是怎么发生的。我们曾提到平坦的空间对应着临界密度,那么Ω值等于1。如果Ω不等于这个神奇的值,空间就可能弯曲了。如果某人拿一个曲度很大的气球,并将它吹到一个巨大的尺寸,大若地球的尺度,那么它的表面就显得很平坦。根据暴胀的宇宙学观点,气球最初远不足1厘米,最后可能膨胀到比整个可观测到的宇宙还大。如果暴胀理论正确,我们应该生活在一个非常平坦的宇宙中。另一方面,即使Ω非常接近于1,那也并不一定证明暴胀发生过。是与量子引力现象可能相关的一些其他机制将我们的宇宙训练得可在钢丝绳上行走。
这些理论思想是非常重要的,但是它们无法靠自身解决上述问题。最终,不管理论家愿意与否,我们不得不承认宇宙学是一门以实验为基础的科学,我们可以站在理论的角度去推测Ω是否应该非常接近于1,但是最终起决定作用的是实验结果。