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主譯：畢逸飛

校對：清水明澄

審核：牧夫天文校對組

美編：蘇奕月

后臺：王啟儒

https://cutting-edge-research.toyaku.ac.jp/series/3700/

大爆炸之前

現(xiàn)在的宇宙是一個不斷膨脹的宇宙，如果回溯過去，宇宙曾是一個火球，自這個火球開始的膨脹被稱作“宇宙大爆炸”。

但宇宙大爆炸理論還是存在一些不足之處，第一個是極為根本性的問題，即宇宙為何會以火球的形式誕生。第二個是宇宙為何均勻的問題。宇宙要變得均勻，其各個區(qū)域之間必須發(fā)生相互作用，而相互作用的速度無法超過光速。但觀測結(jié)果顯示，宇宙的溫度與密度不隨方向變化，呈現(xiàn)出高度均勻的狀態(tài)。宇宙各區(qū)域在此之前本應(yīng)無法發(fā)生相互作用，卻依然保持均勻，這就是宇宙均勻性問題。

暴脹理論的提出：真空中的能量

宇宙暴脹理論，是為解決宇宙大爆炸理論存在的問題、解釋宇宙誕生時以及大爆炸之前發(fā)生了什么而提出的理論。1980年左右，佐藤勝彥與艾倫·古斯（A.H. Guth）分別獨立提出：真空本身存在能量，在真空能量產(chǎn)生的斥力作用下，宇宙會發(fā)生指數(shù)級急劇膨脹。這一理論便是如今所說的宇宙暴脹理論。

真空一般指空無一物的空間，但暴脹理論認為，宇宙初期的真空是攜帶能量的。

宇宙萬物生于“無”

據(jù)亞歷山大.維連金(A.Vilenkin)所述，宇宙誕生于“虛無”狀態(tài)。所謂“虛無”狀態(tài)，指的是宇宙尺度為零的時刻。真空具備能量，但其能量密度是與體積無關(guān)的有限值（并非無窮大）。因此，在“虛無”狀態(tài)下，宇宙體積為零，宇宙的總能量也為零。

這種“虛無”狀態(tài)，是時空體積為零、能量也隨之歸零的狀態(tài)。極小的粒子遵循量子力學(xué)規(guī)律運動，并存在量子漲落；而體積為零的時空（誕生前的宇宙）同樣極其微小，因此也遵循量子力學(xué)規(guī)律，存在量子漲落。當(dāng)量子漲落超過某一臨界值時，時空便開始膨脹（宇宙誕生后約5×10???秒）。這便是宇宙從“虛無”中誕生的過程。

宇宙的急速膨脹

新生的微觀宇宙（約10?33厘米）遠比原子核（約10?13～10?12厘米）微小，宇宙由此開始膨脹。宇宙初期，真空蘊含能量，而這種真空能量會以斥力形式發(fā)揮作用。隨著宇宙膨脹、體積增大，真空能量隨之增加，新增真空能量產(chǎn)生的斥力會讓宇宙膨脹加速。最終，宇宙以指數(shù)形式膨脹了數(shù)百個數(shù)量級，形成宏觀宇宙。這一過程便是宇宙暴脹。

宇宙經(jīng)歷過相變

這種指數(shù)級膨脹（暴脹）并沒有一直持續(xù)下去，因為膨脹的宇宙經(jīng)歷了相變。物理學(xué)中的相變，指的是穩(wěn)定狀態(tài)的改變；例如溫度下降時，蒸汽（氣體）會發(fā)生相變，變成低溫下穩(wěn)定的液態(tài)水。而宇宙的相變就是宇宙穩(wěn)定狀態(tài)的改變。

在物理學(xué)中，已知有四種基本力（引力、電磁力、強力和弱力：后兩種力作用于基本粒子）。宇宙誕生之初，這些力是統(tǒng)一的，只存在一種統(tǒng)一的力。有假設(shè)認為，宇宙在膨脹過程中經(jīng)歷了相變，四種基本力依次演化并最終從單一的統(tǒng)一力中產(chǎn)生。

由于蒸汽具有潛熱，當(dāng)蒸汽發(fā)生相變變成水時，這些潛熱會以凝結(jié)熱的形式釋放出來。同理，隨著宇宙的相變，此前數(shù)量級增加了數(shù)百倍的真空能量（潛熱）也以熱能的形式釋放出來。這種熱能將宇宙轉(zhuǎn)化為一個火球，宇宙大爆炸由此開始。

暴脹理論的解釋

暴脹理論可以解釋宇宙的膨脹和宇宙大爆炸的起因。首先，宇宙的膨脹是由一個排斥力作用于零體積“虛無”宇宙的真空能量而觸發(fā)的。這種真空能量轉(zhuǎn)化為熱能，宇宙大爆炸由此開始。換句話說，宇宙大爆炸的熱能來源于膨脹宇宙的真空能量。

宇宙的均勻性也可以用暴脹理論來解釋。雖然信息傳播（例如光）的速度不能超過光速，但宇宙的膨脹是空間本身的膨脹，因此可以超過光速。宇宙的均勻性可以解釋為：宇宙在以超光速快速膨脹之前，能夠與其他空間相互作用，從而在那時變得均勻。

然而直到現(xiàn)在，關(guān)于宇宙的起源仍然存在疑問，相關(guān)研究正通過實驗、觀測和理論研究不斷推進。

參考文獻：

佐藤勝彥，《宇宙的起源與物質(zhì)的起源》，載于：山岸昭彥編：《天體生物學(xué)》，科學(xué)同人出版社（2013）。

岡村貞典等編。 《人類居住的宇宙》（第二版），現(xiàn)代天文學(xué)系列，Kindle版（2017）

佐藤勝彥、二瀨俊文（編）?！队钪鎸W(xué)I：宇宙的起源》（第二版，修訂版），現(xiàn)代天文學(xué)系列，Kindle版（2021）

責(zé)任編輯：甘林

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