大爆炸理論雖然是我們描述宇宙起源最好的理論，各種預(yù)言都得到了觀測(cè)的實(shí)證，但是依舊有一些無(wú)法解釋的問(wèn)題。
就像，我們前面說(shuō)的視界難題、為什么我們?cè)谔炜罩械母鱾€(gè)方向上，看到的溫度都是一樣的？還有平坦難題，為什么宇宙空間的曲率是0？平的不可思議？
最后一個(gè)單極難題，既然宇宙早期的溫度極高，為什么我們現(xiàn)在找不到一些高能遺跡，比如磁單極子。
這三個(gè)問(wèn)題都指向了宇宙早期的那個(gè)高溫、高密、極小的時(shí)刻，而大爆炸理論并不能對(duì)這個(gè)時(shí)刻做出任何描述，所以必須對(duì)大爆炸理論做出修正和補(bǔ)充。
從上世紀(jì)的70年代末開(kāi)始，人們就考慮這個(gè)問(wèn)題了，1979年理論物理學(xué)阿蘭·古斯，也對(duì)這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生了極大的興趣，1981年他就發(fā)表了第一個(gè)暴脹模型，在宇宙學(xué)界引起了巨大的轟動(dòng)。
暴脹理論認(rèn)為，在宇宙大爆炸之前還發(fā)生了一個(gè)階段，就是空間的暴脹，發(fā)生在10^-36秒到10^-32秒，這段極小的時(shí)間內(nèi)，雖然時(shí)間短，但是這個(gè)階段讓宇宙空間的半徑增大了至少10^50倍。這是個(gè)啥概念？這相當(dāng)于把一粒灰塵變成了10個(gè)銀河系的大小。
所以宇宙的暴脹階段空間呈指數(shù)級(jí)的瘋狂增長(zhǎng)，等暴漲結(jié)束以后，空間還會(huì)繼續(xù)膨脹，但是速度卻小了很多，緊接著宇宙就變成了一個(gè)高溫、致密、充滿(mǎn)物質(zhì)、反物質(zhì)和輻射的等離子體狀態(tài)。這就是我們所說(shuō)的大爆炸宇宙模型了。
可以看出是宇宙的暴脹階段創(chuàng)造了充滿(mǎn)物質(zhì)和輻射的宇宙，這個(gè)后面我們?cè)僬f(shuō)，這里先說(shuō)，空間的暴脹如何解決上文留下的三個(gè)難題。
先說(shuō)第一個(gè)視界問(wèn)題，圖中的實(shí)線(xiàn)代表了標(biāo)準(zhǔn)模型中，隨著時(shí)間的推移，物質(zhì)區(qū)域的大小，虛線(xiàn)代表了視界區(qū)域的大小，很明顯，視界區(qū)域一直小于物質(zhì)區(qū)域，這也說(shuō)明了宇宙的膨脹速度遠(yuǎn)超光速。
最主要的是，從一開(kāi)始，標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測(cè)的宇宙的大小，大于視界的大小，所以宇宙還來(lái)不及達(dá)到一個(gè)熱平衡的狀態(tài)，兩個(gè)地方的粒子都還處在互相的視界之外，宇宙就開(kāi)始膨脹了，導(dǎo)致出現(xiàn)了視界的問(wèn)題。
而暴漲模型解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是，宇宙從一開(kāi)始的尺度遠(yuǎn)小于視界的尺度，也就是圖中的紅線(xiàn)，這說(shuō)明宇宙從一開(kāi)始就是一個(gè)“親密無(wú)間”的熱平衡狀態(tài)，它們互相之間共享了信息，只是在10^-36秒的時(shí)候，空間經(jīng)歷了暴漲，半徑一下擴(kuò)大了10^50倍，所以才造成了看似今天分離的兩個(gè)區(qū)域，有相同的溫度。
再說(shuō)，平坦難題，我們相信整個(gè)宇宙的曲率它不是正就是負(fù)，如果沒(méi)有啥特別的原因，不可能是平坦的，因?yàn)槠教沟挠钪媸且环N物質(zhì)密度和宇宙膨脹率相平衡的亞穩(wěn)定狀態(tài)，這樣的宇宙非常的脆弱，多一個(gè)原子它就踏了，少一個(gè)原子就會(huì)繼續(xù)膨脹，所以我們覺(jué)得宇宙的不可能是平坦的，至少得有一些可觀測(cè)的曲率。
但是WMAP和普朗克衛(wèi)星的測(cè)量結(jié)果顯示，我們的宇宙沒(méi)有可觀測(cè)的曲率，完全是平的，這是咋回事？暴脹理論就能很好地解釋了這個(gè)問(wèn)題，他說(shuō)，不管你宇宙一開(kāi)始是啥形狀，也不管你的曲率一開(kāi)始是正的、負(fù)的、還是平的，暴漲結(jié)束以后，宇宙從10^-26米，一下擴(kuò)張到了10^24米，基本上奠定了可觀測(cè)宇宙的尺度，所以空間經(jīng)過(guò)急速的拉伸之后，就變得非常平坦了。
這就像是我們處在地球上一樣，感覺(jué)地球是平的，其實(shí)地球是一個(gè)正曲率的球面，因?yàn)榈厍虻某叨群艽螅瑯拥模麄€(gè)宇宙的尺度也很大，即使我們測(cè)量了可觀測(cè)宇宙的曲率，依然沒(méi)有發(fā)現(xiàn)整個(gè)宇宙的曲率。
但我們相信，整個(gè)宇宙肯定存在一個(gè)正曲率或者是負(fù)曲率，這你想一下，這整個(gè)宇宙得多大呀，我們測(cè)量可觀測(cè)宇宙，也沒(méi)有測(cè)出它的曲率。
最后一個(gè)單極問(wèn)題，以前我們說(shuō)，宇宙誕生于一個(gè)溫度極高、密度極高的狀態(tài)，這個(gè)極高預(yù)示著溫度沒(méi)有上限，但是我們現(xiàn)在又給大爆炸之前設(shè)定了一個(gè)階段，宇宙暴脹，這樣也就是為大爆炸設(shè)定了一個(gè)能量上限。
因?yàn)楸┟浗Y(jié)束以后，一部分空間能量才誕生了物質(zhì)和輻射，所以說(shuō)宇宙大爆炸的溫度并非沒(méi)有極限，它的溫度上限就不可能超過(guò)暴脹時(shí)期的能量密度。
所以說(shuō)，有些高能遺跡根本就誕生不了，可能就包括磁單極子，就算它誕生了，宇宙的暴脹也會(huì)將這些為數(shù)不多的粒子，稀釋到了我們找不到的地步。這就是為啥我們找不到磁單極子的原因。
你看，給大爆炸之前加一個(gè)暴脹階段，就能很好地解決以上的問(wèn)題，而且它也能夠告訴我們，大爆炸階段宇宙的熱狀態(tài)是怎么來(lái)的？
一句話(huà)，我們現(xiàn)在所能看到的一切都來(lái)自于真空，也可以理解為無(wú)中生有，是真空誕生了一切。好，下面我就解釋下，為什么我們的宇宙是一場(chǎng)免費(fèi)的午餐？
在我們看來(lái)空無(wú)一物的真空其實(shí)并不空，它包含了一個(gè)最基礎(chǔ)的能量，真空零點(diǎn)能，這是海森堡不確定性原理的推論。
他說(shuō)，在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)，真空具有的能量會(huì)存在巨大的不確定性，這種能量會(huì)創(chuàng)生出正反虛粒子對(duì)，它們會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)湮滅掉。
所以虛粒子對(duì)無(wú)法被直接地探測(cè)到，但我們可以間接地觀察到它們所產(chǎn)生的效應(yīng)，比如在卡西米效應(yīng)中，我們就觀察到了真空漲落使得兩個(gè)略微分開(kāi)金屬板產(chǎn)生了微弱的吸引力，這個(gè)力要比引力大得多，所以驗(yàn)證了真空中的量子漲落。
由于現(xiàn)在的真空已經(jīng)處在了基態(tài)，也就是能量最小的狀態(tài)了，所以我們不能在從真空中再移除任何能量了，因此要想讓這些虛粒子實(shí)在化，就需要向真空中注入能量，比如說(shuō)正反粒子對(duì)效應(yīng)，還有霍金的黑洞輻射，量子漲落如果發(fā)生在黑洞視界邊緣，如果一個(gè)虛粒子掉入黑洞，另外一個(gè)就會(huì)帶走黑洞的質(zhì)量，變?yōu)閷?shí)粒子。
所以說(shuō)，現(xiàn)在的真空不能創(chuàng)造任何物質(zhì)和輻射，但是宇宙暴漲時(shí)期的真空，跟現(xiàn)在的不一樣，當(dāng)時(shí)的真空稱(chēng)為“偽真空”，是一種真空的的激發(fā)態(tài)，里面包含的真空能量的密度更高，這種不穩(wěn)定的狀態(tài)會(huì)自發(fā)的落回到基態(tài)，我們稱(chēng)之為真空相變。
或者說(shuō)當(dāng)時(shí)真空的相擁有更高的對(duì)稱(chēng)性，但這種對(duì)稱(chēng)性不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)的破缺，導(dǎo)致這種真空會(huì)從一個(gè)相會(huì)轉(zhuǎn)成另外一個(gè)更加穩(wěn)定的、能量更低的、對(duì)稱(chēng)性破缺的相。
就好比一只用筆尖立在桌面上的鉛筆，雖然看起來(lái)是對(duì)稱(chēng)的，但這種狀態(tài)是鉛筆的不穩(wěn)定態(tài)，它會(huì)隨機(jī)選擇一個(gè)方向倒下去，倒在桌面上的鉛筆就會(huì)回到了穩(wěn)定的基態(tài)，并且對(duì)稱(chēng)性也自發(fā)破缺了，那么在這個(gè)過(guò)程中，就會(huì)釋放出能量。
還有水的物相的轉(zhuǎn)變，在零度的時(shí)候，冰水混合物會(huì)傾向于結(jié)冰，回到更低的能態(tài)，在這個(gè)過(guò)程中，它會(huì)釋放出自身的潛伏熱。
我們相信早期空無(wú)一物的空間，也發(fā)生了這種從高能量狀態(tài)到基態(tài)的相變過(guò)程。好，我們現(xiàn)在想一下，大爆炸之前都發(fā)生了啥。
上圖中小球開(kāi)始的位置代表了偽真空，此時(shí)空間中蘊(yùn)含的真空能量的密度非常高，所以就產(chǎn)生了巨大的斥力，導(dǎo)致空間暴漲。
但這樣的偽真空跟小球一樣，不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)的落回基態(tài)，所以說(shuō)暴脹只持續(xù)了很短的時(shí)間，對(duì)小球來(lái)說(shuō)就是它滾到了懸崖邊上，在往前走一點(diǎn)就會(huì)落入山谷，處在更加穩(wěn)定的基態(tài)。
所以在很短的時(shí)間內(nèi)偽真空就發(fā)生了相變，暴漲就結(jié)束了，此時(shí)的宇宙空間會(huì)釋放出大量的能量，這個(gè)階段稱(chēng)為“宇宙再加熱”，也就是我們所說(shuō)的大爆炸階段了。
所以說(shuō)，萬(wàn)物來(lái)自于空無(wú)一物的真空，是真空不同相的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造了我們所看到的一切。我們現(xiàn)在也認(rèn)為，真空中蘊(yùn)含的能量，也就是最初掌控宇宙暴漲的暴漲場(chǎng)，就是我們所說(shuō)的暗能量。
暴漲結(jié)束以后只有一小部分暗能量轉(zhuǎn)變成了物質(zhì)，但大部分依舊留在了真空當(dāng)中，也就是我們現(xiàn)在的基態(tài)真空。目前還主導(dǎo)著宇宙的膨脹。以上我所說(shuō)的叫慢滾暴脹模型，是比較好懂的一種說(shuō)法。
那么暴漲理論還給我們帶來(lái)了一種新的說(shuō)法，叫多元宇宙，這跟由薛定諤的貓得出來(lái)的平行世界不同。
你看，上面我們的推論都是把暴漲場(chǎng)當(dāng)作了經(jīng)典場(chǎng)來(lái)處理，認(rèn)為整個(gè)空間同時(shí)經(jīng)歷了暴漲，暴漲又同時(shí)結(jié)束，誕生大爆炸。但是我們知道暴漲場(chǎng)是量子場(chǎng)，量子場(chǎng)就意味著暴漲并不會(huì)結(jié)束，一直在發(fā)生。
因?yàn)橛闪孔訄?chǎng)創(chuàng)生出來(lái)的空間，所具有的勢(shì)能并不會(huì)降低，甚至比之前的還要高，那么這些創(chuàng)造出來(lái)的空間，也會(huì)在局部經(jīng)歷同樣的暴漲過(guò)程，又創(chuàng)造出空間，然后又暴漲。
在這期間有些區(qū)域的暴漲就結(jié)束了，真空能量產(chǎn)生了物質(zhì)，大爆炸開(kāi)始了。有些地方還在暴漲，進(jìn)而創(chuàng)生更多的空間，引發(fā)更多的暴漲區(qū)域，然后這些區(qū)域又會(huì)在不同的時(shí)間，誕生大爆炸的狀態(tài)。無(wú)休無(wú)止，這就是多元宇宙論，就跟熬稀飯的時(shí)候那個(gè)泡泡有點(diǎn)像，每一個(gè)泡泡就是一個(gè)宇宙，每一個(gè)宇宙都是彼此獨(dú)立，沒(méi)有聯(lián)系的區(qū)域。
上圖就是形象了說(shuō)明了這一點(diǎn)，即使我們的宇宙是從一個(gè)很小的區(qū)域開(kāi)始暴漲的，也會(huì)創(chuàng)造出大量的互相獨(dú)立的空間。
其中紅色部分就代表了這個(gè)區(qū)域的空間暴漲結(jié)束了，開(kāi)始了大爆炸，誕生了一個(gè)宇宙。其他的空間還會(huì)繼續(xù)暴漲，然后經(jīng)歷大爆炸，無(wú)休無(wú)止。
這是一個(gè)非常龐大的宇宙觀，我們的宇宙只不過(guò)是眾多宇宙中的一個(gè)，而且在那個(gè)更大的母宇宙當(dāng)中，現(xiàn)在依舊有空間在暴漲，依舊有大爆炸發(fā)生。如果真是這樣的話(huà)，那這也太奇怪了，沒(méi)辦法理解。
最后我們說(shuō)下暴漲理論所帶來(lái)的兩個(gè)預(yù)測(cè)，這是一個(gè)正確的理論所必須做到的，其中一個(gè)預(yù)測(cè)就是真空能量的波動(dòng)，被空間的暴漲拉伸到了大尺度上，形成了密度分布的不均勻，這就是恒星、星系這些結(jié)構(gòu)的種子，這個(gè)預(yù)測(cè)已經(jīng)得到了觀測(cè)的證實(shí)，也就是微波背景上的溫度波動(dòng)。
第二個(gè)預(yù)測(cè)就是暴漲時(shí)期的引力波信號(hào)，通過(guò)觀察微波背景輻射中光子的極化模式，未來(lái)我們有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)引力波的痕跡。
總的來(lái)說(shuō)，暴漲理論基本上符合了一個(gè)正確的理論所需要具備的要素，你看，他包含了大爆炸理論，解釋了大爆炸不能解釋的三個(gè)問(wèn)題，也做出了一些預(yù)言，并且得到了觀測(cè)的實(shí)證。
最主要的是，他告訴了我們，大爆炸之前發(fā)生了什么？
