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宇宙是一个什么样子?

放草稿箱好久了,今天写了吧。看了几位的回答,怎么说呢,现在我们对宇宙并不是一头雾水全靠猜,人们其实已经对宇宙的很多方面拥有了深刻的理解。所以我发表一下自己的拙见,结合这一年在这个领域学到的东西谈谈现代宇宙学对宇宙的描绘。分成四个部分,篇幅所限只谈结论,详细推理过程请看各种宇宙学教科书

一、基本的观测事实

  1. 宇宙学原理:观测表明从各个角度上观察天空中星系的分布几乎都是相同的,这表明宇宙在大尺度上是均匀各向同性的。
  2. 哈勃定律:观测表明绝大多数星系正在离我们远去,这意味着宇宙不是静态的,而是在膨胀的,其尺度正在随时间增大。
  3. 加速膨胀:观测表明大多数遥远星系离我们远去的速度正在加快,这表明宇宙的膨胀并没有在引力的作用下减慢,反而膨胀正在加速进行。这意味着宇宙中有类似真空能的东西在抵抗物质间的引力作用,称这些东西为暗能量
  4. 暗物质:观测表明宇宙中存在大量不发光(不参与电磁作用)但参与引力作用的物质,这些物质是粒子物理标准模型所不能解释的,称它们为暗物质[1]
  5. 微波背景辐射(CMB):观测表明宇宙空间中充满着处于微波波段的电磁波,它们在天空中各个角度的分布几乎是均匀各向同性的(这印证了第一条宇宙学原理),光谱呈现为黑体谱。结合哈勃定律与 CMB 的观测结果,我们可以得出宇宙拥有一个尺度非常小温度非常高的早期(大爆炸模型)。

二、宇宙的几何形状

在数学上,我们用一个叫度规的东西去描述时空几何。根据宇宙学原理和哈勃定律,我们可以确定描述宇宙几何的度规应当具有以下的形式:

equation?tex=ds%5E2%3D dt%5E2%2Ba%5E2%28t%29%28%5Cfrac%7Bdr%5E2%7D%7B1 Kr%5E2%7D%2Br%5E2%28d%5Ctheta%5E2%2Bsin%5E2%5Ctheta+d%5Cphi%5E2%29%29

这被称为FLRW 度规,它描述了均匀各向同性且尺度随时间演化的宇宙。其中,a(t)是一个描述宇宙的尺度 a 随时间 t 演化的函数,先放一放,下一小节再讨论它。另外,K 是描述宇宙曲率的参数,宇宙的几何形状取决于这个参数。

K>0 时,上式反映出的宇宙几何为一个四维球的三维球面,这个宇宙有限无界,称为闭合宇宙。K<0 时,上式反映出的宇宙几何为一个三维超曲面,这个宇宙无限无界,称为开放宇宙。临界的情况是 K=0,几何为三维超平面,称为平坦宇宙,也是一个无限无界的宇宙。那么能不能直观地画出这个度规对应的图像呢?很遗憾,人类没法画出或想象三维弯曲空间的样子。但是,我们可以去掉 FLRW 度规中的一个维度,画出这个三维弯曲空间投影的一个二维弯曲空间,即二维曲面。经典教材《今日天文》给出了这些降维得到的二维曲面图像,如下图所示。右上角的三维球的二维球面就是 K>0 的情况,左上角的平面就是 k=0 的情况,底下的双曲面就是 K<0 的情况。

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图 1 二维化的宇宙的几何,左上为曲率 K=0 的宇宙,右上为 K>0 的宇宙,底下为 K<0 的宇宙。(引用自《今日天文》)

我们可以由这些图像来近似地理解宇宙的几何:

  • 首先,如果宇宙是 K>0 的,那么宇宙就像是一个正在充气胀大的气球一样,只不过气球是三维球的二维球面,宇宙是四维球的三维球面。这种情况下的宇宙的空间是有限的,但它没有边界,朝着一个方向一直走最终会回到原点(如果你走的速度比宇宙膨胀速度快的话)。就好比地球的表面积是有限的,但被束缚在地球上的小虫子永远找不到地球的边界。
  • 如果宇宙是 K=0 的,那就可以理解为是一个体积无限大的四维球的三维球面,那其实就是我们熟悉的三维平直空间,只不过这个空间仍在膨胀,空间中一切都在相互远离。这种情况下的宇宙是无限无界的。
  • K<0 的宇宙就是那个双曲面的三维版本,这个实在难以直观理解,不好形容,大家意会即可。
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图 2 二维的 K>0 的宇宙作为一个正在充气胀大的气球。(引用自《今日天文》)

那么目前我们这个宇宙是以上的哪种情况呢?答:观测表明是 K≈0 的临界情况。至于为什么恰好是临界情况,可以参考这篇回答的第二部分:

为什么说宇宙的极早期经历过一次暴胀?

另外有几点需要注意。①虽然前面说宇宙可以是无限的,但我们的可观测宇宙是有限的(半径大约 460 亿光年),这是因为宇宙的年龄有限且光速(宇宙中的最高速度)有限。至于可观测宇宙外面究竟是什么样子,我们不知道。②虽然我们使用了“四维球的三维球面”这种词,但这并不意味着宇宙一定有第四个空间维度,因为空间维度就是运动的自由度,四维球的三维球面上的物体只有三个自由度,不需要引入第四个自由度。

三、宇宙的历史

宇宙的历史可以分为宇宙尺度的演化历史和物质组分的演化历史,这两个历史是密切相关的。根据第一部分提到的那些观测事实以及许多其他的观测事实以及理论(元素丰度、CMB 各向异性谱、粒子物理标准模型等),我们基本上可以还原出宇宙绝大部分的演化历史。接下来我按时间顺序梳理一下目前人们对宇宙演化历史的认识。为避免误导大家,我用“**”来标记宇宙学家们猜测发生过的事件,用“*”来标记有一定依据但没有实锤的事件,没有标记的是观测证据充分基本实锤的事件

事件 发生时刻 / 对应的宇宙温度
** 普朗克时代:宇宙诞生,一开始被某个未知的量子引力理论统治。 <10^-43 秒 / >10^18GeV
** 大统一时代:引力与其他三种基本相互作用分道扬镳。 >10^-43 秒 / <10^18GeV
** 大统一对称性破缺:强相互作用与电弱相互作用分道扬镳。 ~10^-36 秒 / ~10^15GeV
* 暴胀:宇宙被某种标量场(暴胀子)的真空能主导,开始指数膨胀,宇宙中物质的总能量开始飞速增加(主要是暴胀子的总能量)。 ~10^-34 秒 / ~10^14GeV(此为暴胀的能标,暴胀期间温度远低于这个数值)
* 重加热:暴胀结束,宇宙由指数膨胀转变为减速膨胀,增加的能量从暴胀子转移到其他基本粒子,今天宇宙中的这些基本粒子开始逐渐产生。 ~10^-30 秒 / ~10^12GeV
* 重子合成:宇宙中正反物质根据某种未知的机制不等量产生,正物质略多于反物质,它们相互湮灭后反物质几乎全部消失,遗留下今天宇宙中的正物质——电子和夸克。 <10^-10 秒 / >10^3GeV
* 电弱对称性破缺:电磁相互作用与弱相互作用分道扬镳,希格斯机制开始起作用,赋予基本粒子质量。 ~10^-10 秒 / ~250GeV
夸克强子化:宇宙中的夸克从夸克 - 胶子等离子体的形态中脱离,开始形成质子、中子等强子。 ~10^-4 秒 / ~0.1GeV
中微子退耦:中微子与其他粒子的相互作用变得足够微弱。 ~1 秒 / ~10^-3GeV
原初核合成:质子和中子开始结合为原子核。 ~3 分钟 / ~10^-4GeV(10^9K)
物质 - 辐射相等:宇宙中的物质开始由相对论性运动为主转变为非相对论性运动为主。 ~5 万年 / ~10^-9GeV(10^4K)
重结合:大多数电子与质子结合为氢原子 ~24 万年 / ~3700K
CMB 形成:光子与其他基本粒子退耦,形成充满宇宙的背景辐射。 ~38 万年 / ~3000K
第一颗恒星形成。 ~3000 万年 / ~100K
第一个星系形成。 ~6 亿年 / ~25K
太阳系形成。 ~80 亿年 / ~4K
暗能量时代:暗能量开始主导宇宙演化,宇宙由减速膨胀转变为加速膨胀。 ~90 亿年 / ~3.9K
今天 ~138 亿年 / ~2.726K

下面这张图给出了宇宙尺度 a 关于时间 t 的演化历史,也就是第二部分 FLRW 度规表达式里面的函数 a(t),它可以由物质组分的演化情况推算出来。前面表格中提及的一些重要事件也被标记在图中。

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图 3 宇宙的演化历史

四、宇宙的物质组分

现在的标准宇宙学模型给出的宇宙物质组分的演化历史是这样的:

在暴胀发生之前,宇宙中的物质总量是极少的。在暴胀开始后,宇宙的尺度在暴胀子势能的推动下指数膨胀(注:暴胀子是人们假设在极早期宇宙中存在的一种标量粒子),而此时的暴胀子具有几乎不变的能量密度,使得暴胀期间暴胀子的总能量增加了近 10^80 倍[2]。在暴胀结束时,全宇宙充满了暴胀子。之后暴胀子开始衰变,能量从暴胀子转移到其他基本粒子,暴胀子数量快速下降,其他基本粒子快速产生。经过层层衰变,最终产生了今天宇宙中的各种基本粒子(包括暗物质)。

到了 CMB 形成的时候(宇宙诞生 38 万年),宇宙中的物质组分是下图左边那个样子。14.4%的光子,9.8%的中微子,11.7%的原子物质(电子、质子、中子),还有 64.1%的暗物质。然而这个比例在之后的演化中并不是恒定的,因为像光子、中微子这样的相对论性运动的粒子会随着宇宙的膨胀发生红移,即它们的能量会随着宇宙的膨胀越来越少。因此,演化到今天,宇宙中的光子和中微子的总量已经是微乎其微,在物质组分中的占比不足 0.1%了,所以下图右边的组分图已没有它们的一席之地。而原子物质与暗物质的运动是非相对论性的,它们不会随着宇宙膨胀损失能量,因此宇宙中原子物质与暗物质的总量几乎是不随膨胀改变的。也许你会问,右图原子物质与暗物质的占比明明比左图要少啊,为什么还说它们的总量是不变的呢?答:因为宇宙中还有一种特殊的物质的总量在增加,原子物质和暗物质的总量不变,占比自然就少了。大家也从图上看到了,这种特殊的物质就是暗能量。暗能量拥有几乎是常数的能量密度(这一点和暴胀子类似),这样一来暗能量的总量就会随着宇宙的尺度增大而逐渐增加。因此在早期宇宙中几乎没有暗能量,而随着时间演化宇宙膨胀,到今天暗能量已经成为了宇宙中占比最多的物质,占 68.3%。剩下的几乎都是原子物质和暗物质,分别占 4.9%和 26.8%。

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图 4 宇宙的物质组分,左图为 CMB 形成时的早期宇宙的物质组分,右图为今天宇宙的物质组分。其中黄色为光子,灰色为中微子,红色为原子物质(电子、质子、中子),褐色为暗物质,蓝色为暗能量。(引用自《暗物质及相关宇宙学》)

以上就是现代宇宙学对宇宙的描绘,希望可以帮助大家理解宇宙是一个什么样子。

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