大家可能知道，我们的宇宙中有各种大尺度的天体结构，比如星系、星系团、还有更大尺度上的纤维结构。现代宇宙学认为，宇宙在演化的过程中形成这些大尺度天体结构的前提是——在宇宙早期存在大尺度的密度涨落。

什么叫密度涨落呢？大家可以看下面这张宇宙微波背景辐射的图片，它反映了现在的整个可观测宇宙在138亿年前的物质分布。在138亿年前，宇宙中的各种天体都还没形成，物质以一堆高温粒子的形式存在。然后有的地方粒子密集，有的地方粒子稀疏，就像海面一样有的地方涨高有的地方低落，这就是所谓的密度涨落。

那么什么叫大尺度的密度涨落呢？你可以把密度涨落视为均匀背景上的一些波动的叠加，其中波长很长的分量就是大尺度涨落。就好比海洋中有波长几十米的小波浪，也有波长数百公里的大波浪。早期宇宙中的这些大尺度密度涨落作为最初的种子，使得粒子向密度大的区域聚集，最终演化形成了星系、星系团这样大尺度的天体结构。

大尺度的密度涨落究竟可以有多大尺度呢？让我们再回顾一下上面的宇宙微波背景辐射图。这张图绘制的是现在的可观测宇宙在138亿年前的物质分布，而可观测宇宙的尺度是在随时间增大的（你可以理解为由于光速有限，时间越长观察者就可以看到越远处的东西）。也就是说，138亿年前可观测宇宙的范围其实比这张图要小得多，大约只占这张图的几万分之一，几个像素点那么大。然而，我们从图中可以很明显地看到，有许多涨落（冷暖色块）的尺度都要远大于几个像素点。这意味在宇宙微波背景形成之时（宇宙诞生后38万年左右），那些大尺度涨落的波长甚至可以比当时的整个可观测宇宙的尺度还要大得多。

这就很匪夷所思了，因为某个时刻可观测宇宙的半径，其实就是此时物质之间能够发生关联的最远距离。如果两个粒子之间的距离超过了那一时刻可观测宇宙的半径，那它们之间是无法发生相互作用的。所以按理说，如果物质的密度涨落是粒子之间的相互作用导致的，那它的最大波长也不能超过当时可观测宇宙的半径。但我们在宇宙微波背景辐射中却实实在在地看到了，比那时的可观测宇宙尺度还要大的密度涨落。这是怎么回事呢？

其实，密度涨落的波长是会被宇宙膨胀“拉长”的。就像下面的图2所展示的，一开始一列波的尺度（两相邻波节之间的距离）小于当时可观测宇宙的边界（视界），如果宇宙膨胀导致这两个相邻波节之间相互远离的“退行”速度超过了可观测宇宙视界扩张的速度，那么这列波就可以随宇宙膨胀被拉长至远超可观测宇宙的尺度。请注意这里的前提：宇宙膨胀导致原本在视界内的两点之间的退行速度超过视界扩张的速度。必须在这个条件下，密度涨落的尺度才会被拉出视界，否则视界扩张比膨胀导致的退行快，就永远都出不了视界。

那么，在什么情形下才会导致退行速度超过视界扩张速度呢？答案是：如果宇宙曾经历过一段膨胀速率越来越快的剧烈膨胀过程，例如宇宙的尺度 作为时间 的指数函数 ，就可以实现这一点。证明如下：

1. 先给宇宙定义一个尺度函数a(t)，宇宙在膨胀意味着a随t增大。
2. 宇宙膨胀会导致空间两点之间有一个相互远离的退行速度v，这就是哈勃定律v=Hd，其中d是两点之间的距离，H是被称为哈勃系数的比例系数，它被定义为H(t)=a'(t)/a(t). 这意味着，同一时刻相距越远的两点之间的退行速度v越快。
3. 哈勃定律意味着，某时刻总会有一个距离上限，使得宇宙空间中两点的间距超过这个上限时，它们之间的退行速度超过光速。而退行速度超过光速意味着原则上不可观测，因此我们把这个距离上限定义为可观测宇宙的视界半径r. 这个半径会随着时间扩张，r~t（时间越久看得越远）。对于空间中某点P，以r为半径可以定义出一个作为球面的视界，某时刻刚好处于此视界处的物体，相对P的退行速度就是光速。
4. 对于均匀膨胀的宇宙，a~t，有H=a'(t)/a(t)~1/t，因此两点之间的退行速度v=Hd~(1/t)*t~常数。也就是说，均匀膨胀的宇宙中，两点之间的退行速度不随时间改变。因此，如果一开始两点互相处于对方的视界之内（退行速度小于光速），那么它们就会永远处于视界之内，不会因为退行超光速而退出视界。
5. 对于减速膨胀的宇宙，比如a~t^(1/2)，就有H=a'(t)/a(t)~t^(-3/2)，退行速度v=Hd~(t^(-3/2))*t~t^(-1/2). 这意味着两点之间的退行速度随时间减小。一个原本处于视界外的物体（退行速度超光速）就可以随着时间演化而进入视界之内（退行速度小于光速）。
6. 对于加速膨胀的宇宙，比如a~exp(Ht)，有H=a'(t)/a(t)~常数，退行速度v=Hd~t，是随时间增大的。一个原本处于视界内的物体（退行速度小于光速）就可以随着时间演化而退出视界（退行速度超过光速）。因此，对于一个涨落或波动，加速膨胀可以把它的波长从小于视界拉长至远超视界的尺度。证毕。

宇宙学家们将这种剧烈的指数膨胀过程称为“暴胀”。目前有许多天文观测证据支持这种剧烈的指数膨胀发生过。相关研究表明，暴胀发生在宇宙诞生后大约 秒内，在这么短的时间内，宇宙的尺度急剧膨胀了至少 倍（一亿亿亿倍）。这样骤然的指数膨胀使得一开始在宇宙视界之内产生的微小涨落，甚至是量子涨落，可以随着膨胀被拉长至远远超过那时的整个可观测宇宙的尺度。这就是宇宙中大尺度密度涨落的起源。这些尺度远超视界大小的涨落，后来随着宇宙膨胀的减慢，又慢慢回到视界之内，成为了形成星系、星系团的种子。

暴胀过程不仅为宇宙带来了大尺度的密度涨落，它还抹平了宇宙空间的一切不平坦之处，使得我们现在察觉不到宇宙在极大尺度上的空间曲率。此外，暴胀也为宇宙带来了巨量的物质，现在宇宙中几乎所有的物质都起源于这个过程。所以可以说暴胀是整个宇宙历史中最为壮观的一个事件，这也是当前的宇宙学理论能追溯到的宇宙中最早发生的一个事件。至于暴胀之前发生了什么，我们就不知道了。其实，对于暴胀本身我们也是知之甚少。我们只知道宇宙大概率经历过这样一个指数膨胀过程，但这个过程的细节、导致它的具体物理机制等等我们都是不确定的。这些问题还有待将来更精确的天文观测与更深入的理论计算来给出答案。

就写这些吧，如果大家喜欢这篇文章，可以点个关注点个赞。看的人多的话，我开一个暴胀理论的系列科普，详细聊一聊当前的宇宙学对极早期宇宙和物质起源的认识。

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：王清扬

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