暴脹理論（待補充）

02-11

最近在B站看了斯坦福大學Susskind關於宇宙學的公開課，很有啟發，就想把他講的暴脹理論進行一下梳理。（沒有字幕看的實在痛苦，希望有大神能夠翻譯）

暴脹理論

說到宇宙大爆炸理論，大家肯定會很熟悉，大爆炸是很早時候提出的一個概念了，是物理學家用來解釋宇宙形成的理論。

那麼暴脹理論又是什麼，和大爆炸理論有什麼關係？

我們首先來了解一下大爆炸理論。

大爆炸最初提出來的時候，是一個非常粗糙的理論，在隨後幾十年里才不斷被完善。

物理學家在研究銀河系以外的星系的時候，發現它們都是在互相遠離的，唯一的解釋就是我們這個宇宙是在不斷膨脹當中的，這說明在更早的時候，我們這個宇宙比現在要小的多，甚至小到成為一個點，而這個點膨脹到現在這麼大，不就像是發生了一場爆炸一樣？

銀河系以外的星系遠離銀河系的速度，物理學家發現是與它距離銀河系的距離成正比的，這個比值就是著名的哈勃常數H，表示我們這個宇宙膨脹速度的。

根據這個哈勃常數，我們就可以反推，大概算出宇宙的年齡。

大爆炸理論很好的符合了我們對宇宙的觀察，但它還有很多東西不能解釋，比如為什麼宇宙會膨脹？我們這個宇宙中的物質是如何產生的？在大爆炸前，我們這個宇宙產生前這個宇宙又是什麼？

而暴脹理論就講了更多一些的故事。

首先，我們要先理解宇宙的膨脹意味著什麼？

根據哈勃定律，離我們越遠的星系遠離我們的速度就越大，這樣推導下去，我們會發現，當一個星系離我們足夠遠，大約500億光年遠的時候，它遠離我們的速度大於光速了c了，那豈不是違反了狹義相對論？

實際上並沒有，宇宙中兩個星系之間的距離在不斷變大，但是兩個星系之間其實可以看做是沒有相對速度的，只是因為兩個星系之間的空間本身在變大，導致了之間的距離在變大。

還有一個奇怪的現象是，兩個星系之間的光在傳遞過程中會發生紅移，就是光的波長變大了。

這是因為光在空間中傳播的時候，空間在不斷膨脹，而光波的波長也隨之被拉長了。

但問題是，光波的能量與波長成反比的，那麼光的紅移中是會損失能量的，而能量守恆算是這個宇宙中比較牢靠的理論了，那麼這些損失的能量去了哪裡？

這就涉及了暴脹理論提出關於宇宙膨脹原因的解釋了。在暴脹理論里，光波損失的能量化作了宇宙膨脹的動力。

我們都知道，在一個場中，系統總是會趨向於勢能更小的方向發展。這也是為什麼物體會下落，正負電荷會互相吸引。

在一個密閉盒子內，我們放入一定數量的原子，它們所擁有的總能量我們可以看做是某種場的能量，假如這個盒子的一邊是可以自由活動的，那麼由於內部的壓強會導致這一邊會朝外運動使整個內部空間變大。在這個過程中。

盒子內部原子構成的那個場的總能量下降，轉化成了盒子壁的動能，動能越大盒子內部空間膨脹越快。類似的道理，當空間中分布有物質的時候，這些物質會傾向於使所處的空間變大，表現出現就是宇宙的膨脹。

宇宙中的其他東西：光子，暗物質，暗能量。也會產生同樣的效果。

暴脹理論認為，我們這個宇宙中的帶能量的物質包括：原子，光子，暗物質，暗能量。原子和光子是我們已知的。

而暗物質和暗能量是物理學家通過間接的方式去了解的。

首先是暗物質。

我們知道，萬有引力的大小與距離的平方成反比，所以物理學家通過計算認為星系內恆星圍繞星系中心旋轉，離星系中心的距離和恆星旋轉速度應該有如圖的關係。

可是進行實際觀察的時候，物理學家發現，離星系中心的距離和恆星旋轉速度卻是有如圖的關係。

為了解釋這一現象，物理學家提出了暗物質的概念，認為暗物質均勻的分布在我們星系的空間中。而且暗物質比我們星系裡的可見物質還要多，占星系總能量的80%以上。

而暗能量和暗物質是完全不同的東西，兩者除了名字相似，沒有任何直接的關係。

暗能量的提出是為了解釋宇宙的膨脹的，雖然宇宙中已知的能量（原子，光子，暗物質）可以造成宇宙的膨脹，但是通過計算還遠遠達不到觀察到的宇宙膨脹的速度。

於是物理學家提出了暴脹場的概念，認為宇宙中分布著暴脹場，這個暴脹場攜帶的能量就是暗能量。而暗能量提供了這個宇宙膨脹的大部分動力。

各種物質在宇宙中能量佔比如圖。（光子能量佔比幾乎為零，但在宇宙早期，光子能量佔比很大）

暗物質和我們可見的物質其實擁有同樣的性質，這裡我們就把它們統稱為物質。它們攜帶的能量會隨宇宙膨脹小幅下降。

而光子的能量會隨宇宙膨脹大幅的下降，宇宙每膨脹一倍，光子的能量就縮小為原來的16分之一。

而暗能量的能量卻不會隨著宇宙膨脹而變化。

有了以上的知識，我們可以大概的去了解暴脹理論了。

在大爆炸前，宇宙中還沒有任何物質，只有暴脹場（暗能量）存在，而暴脹場的能量越大，宇宙膨脹的速度就越大，於是那時候宇宙以比現在要大的多的速度膨脹。就是所謂的暴脹了。

而一個系統會傾向於往場勢能較低的方向發展。於是宇宙就會像是滑滑板一樣滑到場勢能更低的這個位置。

這個過程中，暴脹場（暗能量）的能量急劇下降，於是宇宙膨脹的速度也就急劇下降，接近於現在的膨脹了。

而暴脹場失去的能量就組成了我們這個宇宙中的物質，這就是所謂的大爆炸的發生。

早期的宇宙，由於能量密度很大，導致光子不能自由傳播，直到大爆炸後38000年，宇宙膨脹使宇宙冷卻到光子可以自由傳播。

而宇宙微波輻射圖觀測到的就是那些宇宙中最早開始傳播的光子。可以看做是宇宙38000歲時候的照片。

那時候光子在宇宙中能量的佔比要比現在大的多，由於宇宙的膨脹，宇宙最早時候的光子能量不斷下降，到現在就變成了能量很低的微波。