宇宙平直问题
宇宙平直问题来源：新浪科技
宇宙平直问题可从临界密度和三角几何两方面来理解。
宇宙平直问题可从临界密度和三角几何两方面来理解。
简单说来，宇宙是时空四维的空间，包含在其中的物质和能量，会产生重力场，使四维空间变形。古老的光，尤其是大霹雳37.6万年后发出的微波，在经过137亿年传播到地球途中，应会被这变形的四维空间弯曲，而不应是我们目前测量到以直线传到我们无线电大耳朵中的微波。
我们目前的宇宙，其中所含物质加上能量的密度，很接近临界密度1。相对论指示，临界密度为1的宇宙，拥有坦荡平直，曲率为0的四维空间特性，微波在这个宇宙以直线传播。
科学家喜欢以临界密度为1来描叙我们宇宙平直的困惑，依据的是由相对论导引出来的一个简单公式：
(Ω0-1-1)ρa2=-3κc2/8πG
我们大可不必知道这个揭露宇宙终极奥秘的公式是怎么来的，但它的确是20世纪人类最聪明智慧的结晶。我们也无法知晓贝多芬如何能谱出命运交响曲，但依然能够如醉如痴地欣赏。就让我们一起也来欣赏这个公式吧！
在这个公式中，Ω0(念成欧米加零)为临界密度，κ(念成卡帕)为宇宙空间的曲率。现在测量到的数据显示，我们宇宙临界密度Ω0的数值很接近1，造成曲率κ数值很接近0。结论：我们的宇宙是平直的！
对外行人来说，临界密度太抽象，还是以平面几何来解释宇宙平直现象，更为直接易懂。
中学的平面几何说，一个在平面上三角形的三个内角加起来为180度。在球面上画个三角形，三个内角加起来大于180度。在马鞍上画个三角形，三个内角加起来小于180度。所以，如果能在宇宙中画个上百亿光年超大的三角形，量它的三个内角，就能判断我们的宇宙是否平直的(图1)。
球状宇宙，表示其内函相等总质量产生的重力场够大，临界密度大于1，宇宙最终会以大崩坠(big crunch)收场。马鞍型宇宙，表示其内函相等总质量产生的重力场不够大，临界密度小于1，宇宙最终会以大撕裂(big rip)收盘。平直型宇宙临界密度等于1，刚好使宇宙向最终不撕裂也不崩坠的境界前进。
可是，我们住在一个小小的地球上，哪能在宇宙中找到上百亿光年大小的三角形，并且还要精确量出它的三个内角总和呢？回答，有！这是宇宙对我们仁慈的赏赐。
再回到大霹雳37.6万年后的微波(图2)。这个微波虽然分布极为均匀，但仍有10万分之一上下的变化。这细微的变化是在微波出发前，宇宙的重力场和当时无所不在的电浆来回角力的结果。人类对这个声波振荡(acoustic oscillation)现象已完全掌握，并以理论计算出微波不均匀的直线大小为37.6万光年。37.6万光年就是我们远在宇宙边缘的一个标准尺标。137亿年后，从地球看这个尺标，如果张角等于约1度，就证实这个狭长的三角形内角总合为180度，我们的宇宙是平直的；如果张角大于1度，三角形内角总合则大于180度，我们的宇宙呈球状；如果张角小于1度，三角形内角总合则小于180度，我们的宇宙则呈马鞍型。
人类卯足了劲，投下大本钱，送上好几个昂贵的卫星，还有绕南极洲一圈的高空气球探测仪，全方位仔细测量这个标准尺标的张角。结果，没错，张角为约1度。我们的宇宙是平直的！
人类大概觉得太幸运了，就不停地问，为什么会怎么巧？我们的宇宙是特别为人类设计的吗？人类在宇宙的地位当然尊贵，但还是谦虚为佳，我想这话应该倒过来说：就是因为宇宙平直，临界密度接近1，宇宙环境不大起大落，对生命特别友善眷顾，人类才有机会起源，发展智慧文明，问出这么伟大的问题。在一个远离临界密度为1的宇宙，宇宙内的材料来回折腾，连凝聚的时间都没有，星星、星系的最佳情况是胎死腹中，生命自然永远无法起源，宇宙平直与否，是否有视界问题，则是毫无意义的概念了。
宇宙视界的问题如何解决呢？ 宇宙平直的特性，又是怎么来的呢？
暴胀理论
古思生于1947年，属二战后婴儿潮的先头部队。麻省理工学院博士毕业后，就业市场拥挤，他我行我素，只攻物理重大难题，论文发表量稀少。但雇主知道他聪明过人，就让他从一个博士后转到另一个博士后，八年后转进到斯坦福研究所，仍是博士后，前途茫茫。
在博士后后期，古思创造了暴胀理论，本来的动机是要解决磁单极历史悬案。粒子物理理论认为磁单极应到处存在，但人类苦寻不果。他以暴胀理论解释，在大霹雳最初期，宇宙暴胀，体积增大，冲淡磁单极密度，在我们能看到的宇宙范围内，只能分到寥寥无几的数个磁单极，能碰到一个的机率太低，无缘修得同船渡，人类极有可能和磁单极永远无机会相逢。
暴胀理论圆满解释了人类测量不到磁单极的原因后，古思灵光一闪，同样理论不是也可以用来解释宇宙的视界和平直两个现象吗？他急速在红色笔记本首页上方写下：“伟大发现”(spectacular realization)，并用笔把这句话框住。解决磁单极问题当然是物理界大事，但与视界和平直两个宇宙问题相比较，还是小巫见大巫。
暴胀理论在1981年发表后，各大学争聘古思，最后他的母校把他抢回去。他现任麻省理工学院讲座教授，获多项国际大奖，诺贝尔奖金有望。
他的“伟大发现”笔记本后来为芝加哥博物馆收藏并展出。
暴胀理论说，大霹雳起动后的10-35秒到10-32秒间，宇宙发神功，在10-33秒内以超光速暴胀了1050倍。神功能量来自古思也不知道的“伪真空”(false vacuum)产生的至高黑暗能量。他提出这类黑暗能量由他假设的“膨胀子”(inflatons)供应。
在超高伪真空能驱动下，速度不受光速限制。刚暴胀出来的宇宙临界密度可能仅在小数点62位数字后才和1有差别(|Ω0-1|~10-62)，已接近理想化1的数值。暴胀过后，伪真空能耗尽，衰减到我们目前宇宙熟悉的温和低真空能。在这个低真空能的宇宙中，临界密度可能会略偏离1，并且得按相对论规矩办事，光速恒定，不得超越。
大霹雳的10-35秒以前，整个宇宙所含物质量少，体积也在非常微小时期，光速轻易横渡，物质能量搅和均匀，在超光速暴胀过程，均匀性措手不及，没时间变成不均匀，暴胀后宇宙各部位超出彼此视界范围，形成了以后奇怪的宇宙微波视界现象。宇宙视界问题就如此轻易地迎刃而解。但暴胀理论中有量子起伏(quantum fluctuation)预测，21世纪初精确测量到的微波10万分之1的不均匀性，给暴胀理论提供了坚强的佐证。
至于宇宙的平直特性，以暴胀理论解释更是轻而易举。伪真空能在10-33秒内将宇宙暴胀了1050倍，整个暴胀宇宙后的体积，上冲到至少比我们能看得到的宇宙大出1023倍。因为体积超大，我们那一点小小的宇宙部分就显得异常平直了。正像人在地球表面，左看右量，都是平地，但在遥远宏观的卫星轨道上，地球弧度清晰显现。
其实暴胀理论把每个能观测到的有限宇宙，都暴胀成临界密度接近为1的平直宇宙。如果您是超人，能走出我们宇宙到别的宇宙旅游，看不到的宇宙不说，但您只要每看到一个宇宙，就肯定是个平直的宇宙，绝不忽悠。这是因为每个能观测到的有限宇宙，在宇宙的演化史上，都已经走过凝聚、核变、发光、中子星、黑洞等过程，历尽至少百亿年沧桑，只有临界密度接近1的宇宙，才能提供这类平实稳定的发展环境。
但暴胀理论中那个超级大宇宙的临界密度，就可能和1有别。在整个大宇宙中，日以继夜，随时随处，暴胀连连，此起彼落，互动不息，生死循环，有始有终但没完没了。在这个超大宇宙中，临界密度瞬息万变，量子力学挂帅，上帝踪影杳然。
蛛丝马迹
我们宇宙外的宇宙，看不见摸不着，本是哲学范畴的话题。暴胀理论以严谨的科学量子场论，漂亮地解决了视界和平直两大宇宙难题，同时，也在同一个坚实的科学基础上，营造出一个比我们宇宙至少大出1023倍的超级大宇宙。
这个天外还有天外天的科学宇宙，我们有希望能惊鸿一瞥，侦测到它的存在吗？
鲸鱼从海平面腾空跃起，再重重地扎回水面，激起千重浪。地壳板块释能错位，引发地震波甚或海啸。超音速飞机冲破音障，声震远播。核弹爆炸，震波环球绕行不止。
只要有能量释放，就有震波产生、散播，因果清晰。
宇宙暴胀，是超高能量释放的大动作，无可避免地在宇宙空间留下阵阵波动。波动以重力波(gravity waves)为主体，以光速向巨大宇宙散播出去(图3)。暴胀理论预测，像我们宇宙拥有微波背景辐射一样，这个重力波也扩散到整个巨大宇宙，形成巨大宇宙的重力波背景辐射(cosmic gravity waves background radiation，CGWBR，下称重力波)。它公平对待各个孤立存在的小宇宙，不论临界密度数值，曲直不分，一视同仁，直播到户。
其实爱氏相对论老早就预测了重力波存在。超新星爆炸、黑洞诞生和星系间碰撞等，都能引发重力波。但暴胀理论更上一层楼，以超高的伪真空能，激发出另一波段不同的重力波，在更巨大的宇宙格局中传播荡漾。
所以，侦测到这个和爱氏不同波段的重力波，就至少能说明暴胀理论可能是对的，同时，也不能否定那个巨大宇宙的存在。
测量到重力波不容易。人类再次集资，计划以15亿美金的经费，制造出一个和地球同在太阳轨道上飞行的太空激光干涉仪天线(Laser Interferometer Space Antenna，LISA)。这个天线呈三角型结构，每边5百万千米，距太阳为一个天文单位，但轨道以60度倾角跟随在地球20度后面运行。这是人类最灵敏的重力波测量仪，预计在2018-2020间发射。
LISA的灵敏度可能无法完全满足暴胀理论的需求，未来还需要更灵敏的重力波干涉仪。但即使重力波讯号微弱难测，暴胀理论还有另一个预测：暴胀后产生的重力波能对宇宙电磁背景微波有作用，使微波产生偏极化(polarization)现象。一般的光经过光栅就能偏极化，有些太阳眼镜就是以此原理设计。所以，精确测量图2中微波的偏极化数值，就成为和重力波侦测同等重要。人类在2009年第一季度，将发射普兰克卫星(Planck Satellite)，其重要任务之一，就是精确测量宇宙微波背景辐射的偏极化数值。
结语
古思以暴胀理论，成功解释了我们宇宙中视界和平直两大难题，但也拉出来一个天外还有天外天的巨大宇宙。暴胀理论预测，我们小小有限的930亿光年直径的宇宙，和那个1023倍的巨大宇宙，共享一个相同的重力波背景辐射，而这个重力波又能影响微波的偏极化数值。所以，天外天外天如果存在，人类一定要测量到这个重力波和偏极化现象。取得这两项物理数据，虽然无法完全证明天外还有天外天，但也肯定无法否认它的存在。
目前，暴胀理论衍生出50多种版本，宇宙外的宇宙摸不着看不见，想象空间巨大。重力波、偏极化，各村有各村的说法，百花齐放，百鸟争鸣，人气滚滚，营造出一片大好的科学盛况。 学习，向老师问好！
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