宇宙结构的“种子”咋来的?如果密度波动发生变化,会怎么样?_量子科学论_知道日报_百度知道

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“在整个宇宙里只存在着一个实体,只是它的形式有各种变化。”——〔法〕拉美特利:《人是机器》

当我们说到宇宙的时候,我们经常会说:即使是现在的宇宙看起来也十分的平滑和均匀。你可能不理解这句话啥意思,因为你经常会看到在宇宙中充满了像地球这样的行星、像太阳这样的恒星、像银河系这样的星系,它们都是密度较大的物质团块,有些地方确实空无一物的宇宙空间,怎么可能是平滑、均匀的?

你其实说的也没有错,但是你考虑的尺度太小了,如果你考虑的是数十亿光年的宇宙尺度,在这样的大尺度上,宇宙中的物质形成了由物质团块和细丝组成的网状结构,各处的物质分布和密度看起来都是平滑、均匀的。而在早期的宇宙,即使在较小的尺度上也是平滑和均匀的,但在更小的尺度上也存在微小的密度涨落!

这些微小的密度涨落就是今天物质结构的种子,在后来的演化中形成了今天所看到的任何物质团块(包括恒星、星系、星系群和星系团),那么问题是:这些密度涨落是咋来了?从量子力学的角度来看,有没有可能存在一个完全均匀的宇宙?如果不可能,是否可以存在一个比我们的宇宙一开始更加均匀的宇宙,这个宇宙会在更长的时间尺度上才能形成一个与我们今天的宇宙相似的宇宙?

让我们从今天的宇宙开始说起

在我们银河系的尺度上,我们可以看到很多密集的物质团块,像恒星、行星、卫星、小行星甚至是人类。在这些物质团块间是广袤无垠的星际空间,但其中也充斥也大量的更加弥散的气体、尘埃和等离子体,这些物质要么是之前死亡恒星的残骸,要么就是还未形成恒星的原始物质。所有这些物质团块结合在一起就构成了我们的星系:银河系。

在更大的尺度上,单个星系可以独立的存在与宇宙中(这种星系叫场星系),也可以由少数的几个星系组成一个集群(如:我们的本星系群),也可以由更多的星系(数百到数千)组成一个星系团!如果我们再观察更大的尺度就会发现,这些星系群、星系团沿着巨大的丝状结构排列,延申数十亿光年。在这些细丝之间就是巨大的宇宙空洞,一个低密度区域,其中只存在少量的星系和恒星。

如果我们在更大的尺度上观察宇宙就会发现,我们看到的任何一个特定的区域与其他任何一个区域看起来都是一样的,它们有着相同的物质密度,有着相同的温度,有着相同数量和类型的恒星和星系等等,反正就是看起来一摸一样。

也就是说,在最大的尺度上,宇宙中的任何一块区域不会比其他区域看起来更特说。空间的不同区域在我们看来都具有相同的性质。这就是我们常说的各向同性问题。

但是早期的宇宙并不是由目前我们所看到的物质团块、细丝和空洞组成的。当我们观察宇宙微波背景辐射的时候,由于一开始测量精度的问题,无论我们怎么测量都发现早期的宇宙物质分布是完美均匀的,全天空温度都在2.725K,这就让人大惑不解!要知道一个完全均匀的宇宙是不会形成任何物质结构的。

直到在20世纪90年代,我们才微波辐射中有些区域的密度比平均密度高,有些区域的密度比平均密度低,这就是上文所说的微小的密度波动,大约相差80-90微开尔文。也就是说宇宙早期是非常非常均匀的,只跟完美均匀相差了0.003%左右。

上图就是普朗克卫星对微波辐射温度微小波动的详细测量,这些不动在各个位置和尺度上都是一致的,所以当今的宇宙分布在大尺度上也是一致的,简单的说,早期宇宙结构的种子是一致的,结出来的果实肯定也是一致的。

上图中红色的“热点”就是密度小的地方,蓝色的“冷点”就是密度大的地方,而密度大的地方在未来就会在引力的作用下形成恒星和星系,密度小的肯定就对应着宇宙空洞。宇宙结构的形成需要这些不完美的密度波动。

这一点很好理解,如果宇宙真的是那种完美均匀的分布,各处的引力都是相等的,那么就不会有任何一个区域会吸引到更多的物质,引力不增长恒星肯定就无法形成。如果存在密度的不均匀,随着时间的推移,引力吸积物质,宇宙在5000万到1亿年间就会发生第一批恒星,数亿年后星系就形成了,到5亿年得时候,宇宙就会形成更多的恒星和星系,高能辐射重新电离宇宙中的中性气体,可见光就可以在宇宙中自由的穿梭。数十亿年后,我们就看到今天宇宙的模样。

那么宇宙一开始的密度涨落是咋来的?

有没有可能创造出一个没有任何密度波动的宇宙?也就是一个完美均匀的宇宙?总的来说,要是以目前宇宙诞生的方式创造宇宙,就不会存在一个没有密度波动的宇宙。我们知道宇宙诞生于炽热的大爆炸,在这个时期,宇宙中充满了高温、高密度的物质、反物质和辐射。

而热大爆炸的状态自于宇宙暴涨结束后,真空能量转化为物质和辐射,但是真空能量本身就存在量子波动,并在暴涨期间被拉伸到了整个宇宙中!而真空能量的波动就是最后物质密度波动的根源。

如果宇宙本身有一个暴涨的起源阶段,并且遵循我们所知的物理定律,就一定会存在波动,导致形成密度过高和密度过低的区域。

但是是什么决定了波动的大小呢?它可以再小一些吗?

答案是肯定的!

如果通货膨胀发生在较低的能量尺度上,或者暴涨的性质与我们宇宙诞生时的性质完全不同,那么这些密度波动可能会小得多。不仅可以小十倍,还可以小100倍、1000倍、100倍、10亿倍甚至更小!

但是宇宙最初的密度波动非常重要,因为宇宙结构的形成需要很长的时间。在我们的宇宙中,从最初的波动到微波背景辐射的发出需要几十万年的时间。从宇宙微波背景辐射到万有引力促成第一批恒星的形成,大约需要1亿年的时间。

从第一批恒星到一个暗能量主导的宇宙只需要78亿年,这个关键,因为暗能量主导宇宙以后,引力就在更大的尺度上失去了作用,而且在暗能量导致宇宙加速膨胀之前,还没有被引力束缚在一起形成的结构的物质,都是加速远离对方。

这就意味着如果最初的密度波动更小,那么形成第一批恒星的时间就会推迟,星系的形成也会推迟,宇宙的结构就会发生很大的变化。更甚者,如果密度波动非常小,有可能还没等来得及形成第一批恒星,暗能量都导致所有物质加速远离彼此,那么宇宙中就真的什么也没有了。

那么无法形成任何结构的最初密度波动需要多小?实际上答案很令人震惊,仅比我们宇宙拥有的波动小几百倍。也就是下图中曲线的波动值在十几,而不是几千。

如果是这样的宇宙发展到今天,不会形成任何恒星、星系,当然我们也不会存在,其与我们实际所看到的宇宙毫无相似之处。

所以对宇宙最初密度波动的限制其实是因为暗能量的存在,如果没有暗能量,不管最初的波动有多小,只要时间足够长,物质在引力的作用下都会形成结构。但是一个会在某个时期加速膨胀的宇宙就给宇宙物质结构的形成带来了一种紧迫感,如果在暗能量掌控宇宙之前还没有形成所有的结构,就再也没有机会了。

所以,要想形成一个我们今天看到的宇宙,平均涨落的幅度至少超过平均密度的0.00001%,这样才会形成一个有明显束缚结构的宇宙。

我们的宇宙之所以会成为今天看到的宇宙,是因为它有特定的膨胀率和物质密度不动,如果这两个因素出现差错,要么就会导致一个物质结构更小,甚至是没有结构的宇宙,要么宇宙就会在早期快速、疯狂的形成更多大型结构,导致一个充满黑洞的灾难性宇宙。

要创造出我们今天所处的宇宙,就需要一系列极其偶然的组合,而幸运的是,我们宇宙看起来刚刚好!


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