“暴胀”简说
我在上个月,也就是2017年10月,集中用了几个番茄,阅读了《Newton科学世界》2017年10月刊那篇长达30页的封面文章“宇宙第一缕光”。
封面:宇宙第一缕光说是宇宙第一缕“光”,但却不是“可见光”,而是宇宙背景所辐射的“无线电波”。也叫“宇宙3K背景辐射”☢️或“宇宙微波背景辐射”,前者根据的是温度,后者根据的是波长。
我在最近又加入了小能熊7天60秒费曼打卡行动,第1天费曼就想到了上个月读过的这篇科普文。然而60秒的时间太短,我只好选择就只费曼“暴胀”,然而60秒还是没能说完,我就补充了文字费曼。所谓费曼,简单粗暴就是说人话!让每个人都能听明白!
以下是我的60秒打卡费曼“暴胀”在简书上的配图改编:
暴胀模型的提出来源于“宇宙3K背景辐射”(K是“开尔文”,温度单位)。简单来说就是科学家发现宇宙各个角度背景辐射的温度惊人一致在3开尔文左右,如此一致的温度对于多姿多彩的宇宙来说是不符合常理的。只有平坦的宇宙、物质分布处处平均,才会有一致的温度。然而正是因为宇宙不平坦,才会诞生星体,才会有星系的聚集,才会有太阳系,这是由于引力-其实就是时空弯曲引起的,举太阳系为例:大质量恒星就像一块布中央的小球,促使时空(布)弯曲,由于时空(布)的弯曲,周围的小球-行星围绕着它运转(广义相对论)。
“暴胀”简说
越来越精确,微小的温度差异已被证实:
COBE WMAP Planck
那么问题就来了!不平坦的时空所辐射的温度也应该是不同的,然而探测器却发现各个角度的宇宙背景辐射温度相差极小,只有10万分之1K!如此一致的辐射温度实在让人匪夷所思这究竟是为什么?!难道是因为时间使温度慢慢变平均了吗?通过使用空调的体验我们知道,空调开了一会儿屋子里的温度就慢慢变平均了,慢慢地整个屋子都热起来了(当然,如果开的是热风)!由此我们得知,宇宙(类比屋子)要想热度都平均,也需要一定的时间。
然而,对于宇宙刚刚诞生37万年之后就发出的背景辐射来说,是不可能在半径高达4100万光年的广阔范围内使整个宇宙温度都变得如此平均的,这就像你刚刚打开空调,诺大的屋子不可能立即在每个角度都一样热!
也就是在这个前提下,科学家提出了“暴胀”模型,即宇宙在大爆炸之前可能经历过一个由极小的点瞬间膨胀成宇宙尺度大小的过程。那么,由于现在的宇宙实际是从这个极小的点瞬间膨胀而来的,而这个点的温度是一定的,那么现在的宇宙温度也是一致的就不足为奇了。
到这里,你可能觉得已经有了合理的解释,事情可以结束了。真的是这样吗?当然不是!理论是要实证的,提出的模型再合理,没有观测证据也不行!而这一过程所运用的科学思想和方法,就是首先对现象进行大胆而又合理的解释,再用仪器等手段进行观测来验证这一解释。具体来说就是找到证据就确认理论模型,找不到证据就要修正或者考虑新的理论模型。而对于“暴胀”来说,它的一个证据就是“原初引力波”(源于暴胀的宇宙空间的弯曲)所造成的B模(偏振漩涡)。
从量子涨落到弯曲的宇宙空间 偏振漩涡
现如今观测暴胀证据的项目有:BICEP,POLARBEAR以及LiteBiRD:
采访BICEP 采访POLARBEAR 采访LiteBird