《宇宙暴涨的困难与大爆炸宇宙论》

从上面内容我们已看到，大爆炸学说取得了很大成功，但仍有许多的疑难尚未解决。这些疑难目前已引起现代宇宙学家的巨大兴趣和研究热情。为了对这方面的问题有所了解，我们举几个基本例子。

首先，大爆炸宇宙论遇到的最大困难是宇宙奇点问题。宇宙膨胀有一个开端，在开端处，宇宙时间和空间缩为一点，物质密度为无限大，温度为无限高，这一点在数学上称为奇点。关于宇宙奇点，爱因斯坦曾说过：“人们不可能假定这些（引力场）方程对于很高的场密度和物质密度仍然有效，也不可下结论说‘膨胀的起始’就必定意味着数学上的奇点。总之，我们必须明白，这些方程不可能推广到那样的一些区域中去。”也就是说，广义相对论的引力场方程不适用于大爆炸最初的极高温高密度状态，那时方程中的各项成为无穷大。所以，现有的理论无法揭开宇宙创生之际的神秘面纱，人们必须与那个宇宙创生时刻保持一个明显的智力上的距离。

大爆炸理论潜含着一个宇宙时空半径为零的奇点状态。对此多数科学家都表示怀疑，许多人认为这可能是人为地强加于宇宙模型的，或许是坐标选取不当带来的假象。但是，1965年到1970年，英国科学家霍金和彭罗斯经过严格证明而得出结论：在广义相对论的引力场理论内，奇点是不可避免的，这被称为奇点定理。只要宇宙中物质足够多，由于引力的作用，就会产生奇点，奇点是不可避免的。因此有的学者把奇点问题称为现代物理学的危机。如何解决这一问题，是当代物理学和宇宙学的重大任务。在奇点处，时间和空间趋近于零，由于测不准关系，这时量子效应将十分明显，因此科学家们寄希望于描述微观现象的量子力学，试图将量子力学与广义相对论结合起来，以解决这方面的问题。

霍金的奇点定理表明，如果广义相对论的经典理论是正确的，则宇宙的开端是具有无限密度和无限时空曲率的一点，在这一点上，经典理论不再能很好地描述宇宙。由于量子力学适用于描述微观现象，不存在奇点问题，所以霍金试图将量子力学引入宇宙学，建立一种量子引力理论，用以说明宇宙的极早期或宇宙的开端情况。在这种理论中，他一方面采用了量子力学的描述方法和基本原理，另一方面仍然采用了爱因斯坦引力场是由弯曲时空表示的思想，并且以虚数表示时间，由三维空间和一维虚数时间构成了四维弯曲时空，这种理论可避免宇宙奇点的存在。从逻辑上说，量子引力理论有其合理之处，许多思想都富有启发性，但这种理论也存在不少问题。首先，虽然人们对能将广义相对论和量子力学结合在一起的理论所应具有的特征，已经知道得相当多，但人们还不能准确地给出这样一个理论。其次，任何详尽描述整个宇宙的理论模型在数学上都是极为复杂的，以至于人们很难通过计算作出准确的预言，量子引力理论的情况更是如此，它目前尚不能作出任何可检测的预言，因而人们很难判定这类理论的正确性。

大爆炸宇宙论遇到的另一个困难是视界问题。一切大爆炸宇宙起源理论都存在着粒子视界。所谓粒子视界是指两个事件能保持因果联系的最大距离。我们知道，世界上最大的速度是光在真空中传播的速度（简称光速），它也是联络信号的最大速度。光速是一个有限量，如果两个物质粒子之间的距离大于它们的存在寿命与两倍光速的乘积，则它们之间就不可能有任何联系。光速的有限性和物质粒子寿命的有限性，决定了两个粒子能发生相互作用的距离是有限的，这个距离就称为视界。因此，任何两件事都可算出其视界，当它们相距的距离大于视界时，这两个事件就是没有因果联系的事件，也就是说，它们之间不会产生相互影响。根据大爆炸理论计算，在宇宙的极早期，宇宙中至少存在10 83个无因果联系的区域，它们将影响着宇宙的演化过程，造成宇宙的不均匀性。然而宇宙学原理告诉我们宇宙在大尺度上是均匀各向同性的，3K微波背景辐射的精确观测也证实了这点。宇宙极早期互无因果联系的区域如何造成大尺度的均匀和各向同性呢？这就是一个严重问题。大爆炸宇宙论无法直接回答，大尺度上宇宙为什么是如此一致？空间的所有地方和所有方向上为什么应该是一样的？尤其是，当我们朝不同方向看时，为何微波背景辐射的温度是如此相同？(www.xing528.com)

为了解决视界问题等困难，80年代初，美国麻省理工学院的固斯和苏联年轻科学家林德等人提出了“暴涨宇宙模型”。这种理论假设宇宙在极早期曾经历一个以指数形式增加得非常快速的膨胀阶段，称为暴涨阶段。它发生在随着温度下降，强作用、弱作用及电磁作用的统一性被破坏之后，宇宙处于以真空能量为主的对称的假真空状态。宇宙转入暴涨阶段，此时宇宙温度急剧下降，最后出现了一级相变，宇宙从所谓假真空通过量子涨落过渡到不对称的真的真空。宇宙早期的不均匀性、不规则性等都会在这种快速膨胀过程中被抹平。就像当你吹胀气球时，它上面的皱纹就被抹平了一样。暴涨理论是把现代物理学的量子场理论与宇宙学相结合的结果，它解决了原有大爆炸理论的一些困难，但其本身仍有许多有待完善之处，同样存在着一些需要克服的问题。

此外，大爆炸宇宙论是以宇宙学原理为基础的模型，它要求宇宙在大尺度上应是均匀各向同性的。但宇宙在小尺度上显然是不均匀的，而是具有恒星、星系、星系团乃至超星系团等各种层次的不均匀结构。如何合理地解释宇宙天体的形成和分布，也是大爆炸宇宙论尚未解决的困难。

事实上，大爆炸宇宙论虽然取得了辉煌的成就，但它所提出或存在的问题远比它所解决的问题要多得多。大爆炸宇宙论认为宇宙极早期应处于超高温和超高密状态。这是目前知道的唯一可能存在过的超高能“实验室”，正是与这个“实验室”有关的一系列极其重要的基本理论引起了许多理论物理学家和天体物理学家的巨大兴趣。诸如宇宙极早期的宇称不对称问题、视界问题、平直性问题、磁单极问题、宇宙早期粒子的产生机制、元素的起源和宇宙中物质的成团与分布等问题，已不仅是大爆炸宇宙论的研究热点，而且也是现代物理学亟待解决的重大理论问题。所以，大爆炸宇宙论的科学认识价值在于，它立论简单、思路清楚，仅应用已知的物理原理，就不仅成功地预言和解决了宇宙起源和演化方面的一些根本问题，而且引出了一系列重要的新的科学问题。虽然它自己不可能完全解决这些问题，但它却激发了一大批科学家在为解决这些问题而努力奋斗。这本身就是对科学认识活动的有力促进。