香港買唔起樓係正常嘅?因為宇宙都會「通脹」(Universe “inflates” as well)

大家仲記唔記得十幾年前物價仲係平民價,食飯睇戲廿幾蚊可以埋單嘅日子?隨住「強國」壯大,地產霸權又主導社會,物價近年可謂好似火箭升空咁急遽飆升。好似當搞基建起條鐵路、大橋嘅成本比搞奧運、大型物理實驗仲貴,甚至連填海嘅估算成本價錢數目仲多過我哋銀河系入面恆星嘅數目,你就知道「通貨膨脹」發生𡁵喇(好似係)!

點解香港變成咁?咁係因為「通脹」其實係宇宙起源嘅真理(至少暫時宇宙學界公認係)呀!(誤)所以就好似潮文所講咁:「共慘黨殺到嚟,香港九龍新界無得避,要化身玉皇大帝打救蒼生;共慘黨殺到嚟,香港九龍新界無得避,要化身玉皇大帝打救蒼生……」,「通脹」其實係無得避㗎!今次等小弟講解吓乜嘢係宇宙「通脹」論啦!

宇宙大爆炸有問題 (Shortcomings of the Big Bang Theory)

就算未讀過物理、深研過宇宙學,一般人或者都知道宇宙一直膨脹𡁵,聽過大爆炸模型。不過大爆炸模型又係唔係宇宙演化同起源嘅最終答案呢?如果有追開小弟拙文嘅話,或者你已經知道哩個問題嘅答案。事實係雖然大爆炸模型成功解釋咗唔少同宇宙演化相關嘅問題,甚至宇宙中輕元素嘅起源等等,但作為一個物理理論﹐大爆炸其實係未完整同有唔少問題存在。小弟之前已經喺《宇宙大爆炸系列》寫過篇拙文詳細講解過[1],大家仲記唔記得呀?唔記得唔緊要,等小弟喺下面簡單重溫一下啦!

  1. 大爆炸奇點問題(The problem of Big Bang singularity):當將宇宙回溯到接近大爆炸奇點嘅時候,大爆炸模型背後建基於嘅廣義相對論就會失效,需要用未知嘅量子重力理論取代描述。所以大爆炸模型係唔可以無限回溯番最初「發生嗰一刻」。
  2. 視界問題(horizon problem):點解觀察結果顯示宇宙喺整體宏觀、比星系團更大嘅尺度上,例如 宇宙大尺度結構同宇宙微波背景(CMB),係咁均質(homogeneous)同各向同性(isotropic)。大爆炸模型需要異常微調,精準至小數點後好多好多個位嘅初始條件先有可能解釋得到。
  3. 宇宙結構起源問題:除咗額外附加異常精測、細微嘅能量微擾初始狀態外,大爆炸模型解釋唔到宇宙結構嘅起源。
  4. 平坦性問題(flatness  problem):點解宇宙(「世界」)係平嘅?換句話說即係點解而家宇宙嘅能量密度啱啱好,非常接近宇宙幾何結構係平所需要嘅臨界點。詳細有關宇宙係平嘅深度討論可以睇番小弟之前寫嘅拙文[2]。
  5. 奇異遺蹟問題(exotic-relics problem):又叫磁單極子問題(monopole problem),主要係指點解我哋而家喺宇宙觀察唔到根據大部分理論模型好似大統一理論(Grand Unified Theory)中,隨宇宙膨脹會因為自發對稱破缺(spontaneously symmetry breaking)觸發而形成,好似磁單極子、疇壁(domain walls)哩啲極為穩定嘅殘骸存在。

有興趣可以睇埋下面《Physics Girl》講解有關視界同平坦性問題嘅短片:

https://youtu.be/MTUsOWtxKKA (英文)

宇宙「通脹」論暴脹論 (The universe was “inflating”!)

雖然有上段提到嘅問題存在,但大爆炸模型的確成功解釋到唔少宇宙演化嘅問題,所以宇宙學家通常會從點樣可以拓展同完善大爆炸模型嘅角度出發去嘗試解答哩啲疑團。咁有咩附加理論模型可以解答到哩啲問題呢?答案就係靠「通脹」啦!係﹐你無睇錯﹐我哋既嘅宇宙其實喺未發明錢,甚至人類都仲未出現嘅時候﹐已經有「通脹」哩樣野。通脹其實先係世界嘅真理 XD 對於每日都面對加價嘅香港人﹐你而家明點解啦!唔好再怨、投訴啦﹐聽日記得繼續返工去抗衡通脹啦!

當然小弟上面純粹講笑,宇宙學講嘅「通脹」當然同經濟學嘅通脹冇關啦!為左區分、避免誤會﹐其實宇宙「通脹」論正式既中文譯名叫宇宙暴脹論(cosmic inflation)﹐雖然英文一樣都叫inflation [sosad] 哩個宇宙爆脹論就係用黎解釋、彌補上面講大爆炸嗰啲問題。

暴脹論係乜?簡單講套理論係指宇宙大爆炸早期,離大爆炸奇點10^-36秒後,宇宙空間曾經以接近瞬間,少過一毫秒嘅極短時間內以超光速*迅速膨脹咗超過至少10^28倍,過程大概持續至奇點後10^-33或10^-32秒,好似上面幅圖所表達咁。哩套理論最早由美國理論物理學家古斯(Alan Guth)喺1980提出,後嚟再經林德(Andrei Linde)阿爾布希特(Andreas Albrecht)斯坦赫特(Paul Steinhardt)等理論宇宙學家修改成今時今日學界公認接受嘅慢滾暴脹(slow-roll inflation)模型,即下面幅圖左面嘅模型。

* 咁冇違反相對論。相對論講冇嘢快過光速係指物件/訊息傳遞嘅速度上限,冇訊息傳遞嘅空間膨脹速度唔受哩個限制

暴脹論點樣解答到大爆炸問題?(How cosmic inflation solves the Big Bang problems?)

究竟接近瞬間嘅宇宙極速膨脹點樣解答到大爆炸嘅問題呢?等小弟喺下面解答一下啦!

首先係視界問題:假設有一對bb同時喺同一間醫院同一時間出世,但之後就分開咗喺完全唔同嘅地方、環境長大生活,然後幾十年後再觀察佢哋作比較,好自然你唔會預期佢哋有好多相似嘅地方。之但係如果嗰兩個bb其實係孖生嘅話,咁情況就會好唔同。由於佢哋出自同一個阿媽,喺阿媽肚入面已經有交接,基因組成接近完全一樣,所以即使係出生後分開各自生活,其間冇任何交接,幾十年再觀察番佢哋依然會好相似。暴脹模型就好似上面個例子咁,將時間線「延長」,通過將本身已經達至熱平衡嘅細小空間瞬間膨脹放大好多好多倍,甚至大過視界,去解答點解宇宙咁均質同各向同性。

PS: 不過其實暴脹論冇完全解答到宇宙初始條件問題,因為大部分暴脹模型都需要特定嘅初始條件先會觸發到暴脹

將宇宙膨脹好多好倍亦可以同時解答宇宙平坦性問題。就好似一個足球我哋會睇到佢唔平,係一個球體,但同樣係球體、大好多倍嘅地球,我哋企喺上面反而會覺得係平,唔會察覺到佢有曲率咁(所以先出現咁多地平膠?)。暴脹論原理一樣,好似下面幅圖所表達咁。另外如果宇宙淨係暴脹期之前先有足夠溫度形成奇異遺蹟嘅話,暴脹就會令佢哋嘅密度大幅下降,所以喺而家嘅可見宇宙範圍內實際上唔存在。

詳細有關暴脹點樣解答平坦性問題嘅講解可以睇下面《PBS Space Time》嘅短片:


你同我都係由「通脹」而嚟(Cosmic inflation provides the seeds of structure formation)

除左(某程度上)解答到同宇宙初始條件相關嘅平坦性同視界問題之外,暴脹論更成功嘅係佢解釋到宇宙結構嘅起源。喺宇宙暴脹嘅同一時間,暴脹場本身嘅微觀量子漲落(quantum fluctuations)會隨著宇宙急劇膨脹被放大至變成宏觀世界大尺度嘅細微能量起伏。哩啲太初能量密度微擾(primordial density fluctuations)就係宇宙結構成長嘅種子。隨著宇宙演化,哩啲能量起伏會因為重力坍縮形成宇宙宏觀結構,最終變成今時今日我哋觀察到嘅大尺度纖維狀結構、星系團甚至星系等等。

唔同好似基博爾(Tom Kibble)喺80年代提出嘅宇宙弦(cosmic strings)哩啲其他宇宙結構成長種子模型,絕大部分暴脹模型推算出源自量子漲落嘅宇宙太初能量密度微擾純量譜(power spectrum)非常獨特,淨係得兩個自由參數:振幅大細(amplitude)同譜指數(n_s, spectral index/spectral tilt)哩度譜指數係測量純量振幅偏離尺度不變性程度嘅參數,唔係同頻率有關嗰個天文學術語[sosad]n_s=1係指完全尺度不變(scale invariant),係理想化嘅德斯特宇宙(deSitter universe)模型會得出嘅結果。慢滾暴脹模型就預測純量譜應該係接近尺度上不變,即微擾嘅振幅大細接近同尺度冇關,n_s非常接近但略少於1。另外暴脹仲預測哩啲太初微擾係絕熱(adiabatic),即達至熱平衡狀態,同符合高斯統計,呈常態分布#。

# 某啲複雜啲嘅暴脹模型係會預測或容許某程度上偏離常態分佈嘅太初微擾。透過觀察太初微擾偏離高斯統計分佈嘅程度,宇宙學家可以進一步檢驗唔同嘅原初宇宙理論模型,甚至了解暴脹點發生同暴脹場嘅物理特性。哩個課題叫原初微擾非高斯性研究(primordial non-Gaussianity)[5],係宇宙學近年嘅熱門研究課題,小弟當年博士生時亦主力研究哩樣嘢

現時宇宙微波背景CMB 角功率譜 (angular power spectrum)嘅振盪同其他觀察大尺度觀察實驗好似史隆數位巡天(Sloan Digital Sky Survey, SDSS)觀察結果都同上面講暴脹模型所預測嘅太初微擾特徵好吻合,係物理學界普遍相信哩套理論嘅重要理據。


總結: 暴脹論好成功,但仲有好多謎團 (There are stills unresolved issues in cosmic inflation though)

雖然哩套暴脹理論好成功咁解釋咗大爆炸解釋唔到嘅問題,物理學界普遍公認係啱,不過現時仲未有確實真接嘅觀察證據支持。上面提到嘅觀察結果只係某程度間接證明咗暴脹論,嚴格上要喺CMB搵到張量微擾(tensor perturbations),即原初重力波證據先可以直接驗證暴脹的確曾經發生過。另外雖然有好多假說理論模型,但物理學家仲未完全搞清楚暴脹模型背後運作嘅機制,例如暴脹場係乜、點解一開始會發生同暴脹點結束等等。暴脹論仍然有好多謎團,同宇宙起源相關嘅問題依舊仲係「未解決!未解決!未解決!」喔!

今次講到哩度,下次再講。


延伸閱讀:

[1] 《宇宙大爆炸系列[三] 大爆炸有問題》

[2]  《醒覺吧!世界是平的!》

[3] 《暴脹和平行宇宙》,張天蓉著(殘體勿屌)

[4] 《Cosmic Inflation Explained》,by Piled Higher and Deeper, PhD comic (英文)

[5] 《宇宙大尺度結構的非高斯性研究》,盤軍著(殘體勿屌)

[6] 《宇宙是怎麼來的?我們又是怎麼知道?》,張兆林(史丹福大學物理系任副教授)著,刊於《數理人文》期刊第四期

[7] 《宇宙論與純量場》, 吳俊輝著,刊於《物理雙月刊》(廿四卷四期)2002年8月

[8]  《Inflation & the Universe in a Grapefruit》by 《Sixty Symbols》(英文)

[9] 《Cosmic Inflation》by Fermilab

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