理论教育 星系及微波背景辐射的起源与量子涨落

星系及微波背景辐射的起源与量子涨落

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:你有没有想过,银河系以及宇宙中其他的星系,都从哪里来?然而,好奇的你也会继续追问,那么,微波背景辐射上的微小密度涨落又是从哪里来的呢?真空中存在微小的量子涨落。这些量子涨落好比无风时,海面上也依旧兴起的波涛。量子涨落中,带正能量的粒子和带负能量的粒子产生出来,并且在极短的时间内互相湮灭回归虚空。在暴胀的宇宙中,这些量子涨落有机会被空间的膨胀拉开。

星系及微波背景辐射的起源与量子涨落

在远离万家灯火的郊外,晴朗的夜晚,你仰望星空,银河宛转。正如我们开头说过,银河系是我们的家园。而银河系却是宇宙中无数星系中的一个。你有没有想过,银河系以及宇宙中其他的星系,都从哪里来?

细心的你可能已经找到了答案:前面我们提到过,微波背景辐射的温度有微小的涨落。这些小小的温度不均匀性,也就是密度不均匀性,随着引力的不稳定性,不断放大。最后,这些微小的涨落坍缩成星系团和星系。

然而,好奇的你也会继续追问,那么,微波背景辐射上的微小密度涨落又是从哪里来的呢?

为了了解其起源,我们必须向宇宙更久远的过去追溯。我们遇到了暴胀的宇宙。

暴胀是宇宙指数膨胀的时期。在膨胀的宇宙中,物质密度下降。在指数膨胀的宇宙中,物质密度指数级下降。所以,暴胀的宇宙会将宇宙中原本存在的几乎一切事物稀释殆尽。

可是,就算宇宙暴胀的稀释力量再巨大,也抵抗不了量子力学的基本规律。(www.daowen.com)

量子力学告诉我们,真空并不是空的。真空中存在微小的量子涨落。这些量子涨落好比无风时,海面上也依旧兴起的波涛。量子涨落中,带正能量的粒子和带负能量的粒子产生出来,并且在极短的时间内互相湮灭回归虚空。这样的粒子叫作虚粒子。

在暴胀的宇宙中,这些量子涨落有机会被空间的膨胀拉开。这样,带正能量和负能量的虚粒子不再有机会湮灭回归虚空,因为它们相隔太远。此外,空间膨胀对虚粒子做功,使得无论原本正能量还是负能量的虚粒子都携带正能量,有资格变为真正的粒子,并且随着宇宙膨胀能量越来越大。这样,暴胀期间的量子涨落就变成了实实在在的密度扰动。

在宇宙中近乎所有尺度上,都曾经存在这样的密度扰动。而其中大尺度的密度扰动(尺度和星系、星系团乃至整个可观测宇宙可以相比拟的那些),最终存留下来,成为微波背景辐射中温度涨落的起源,以及宇宙中结构形成的种子。

心理学研究认为,人成年后的很多性格特征,都可以追溯到婴儿时代。现在我们看到,宇宙更是如此。当你仰望银河,想象千亿与银河类似的星系。它们隐约地印证着宇宙暴胀时期的物理过程。现在宇宙已有140亿年之老。而暴胀时,宇宙或许才只诞生了10-30秒。

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