在免费讲座的网站上，麻省理工学院开放式课件（OpenCourseWare）发布了
关于艾伦·古斯
（ Alan Gus）
宇宙学的一系列
课程，艾伦·古斯是宇宙通货膨胀模型的创造者之一。 这门课程对我来说似乎很有趣，可以开始翻译。
我们为您提供第一堂课的翻译：“通货膨胀宇宙学。 我们的宇宙是多元宇宙的一部分吗？ 第1部分”。
标题幻灯片显示了普朗克卫星的照片。 该卫星是几年前发射的，用于测量宇宙背景辐射。 宇宙背景辐射是了解宇宙历史的最重要的关键。 普朗克是第三颗完全设计用于测量宇宙背景辐射的卫星。 第一颗卫星叫做COBE，然后是WMAP，现在叫普朗克。
普朗克仍在轨道上。 实际上，尽管该数据的分析还远远没有完成，但他完成了数据收集。 我们还将讨论该卫星到底在观测什么。
我想首先讨论标准的“大爆炸”理论，这将是我们课程的主题。 我们将在课程的大约2/3上讨论“大爆炸”的标准理论，然后继续讨论诸如通胀之类的话题。 当我们开始研究通货膨胀时，如果您了解标准宇宙学中出现的基本方程式，事实证明通货膨胀是一件相当简单的事情。 在我看来，在继续进行通货膨胀之前，将课程的三分之二用于标准宇宙学是很合理的。 到这个时候，我们将处理稍后将使用的所有原理，研究诸如通货膨胀之类的高级主题。
标准的大爆炸模型是这样一种理论，即众所周知的宇宙出现在13-14亿年前。 今天，我们甚至可以更准确地命名宇宙的年龄。 计算基于普朗克卫星的数据以及其他一些信息。 年龄为13.82±5亿年。 因此，目前，自大爆炸以来的宇宙时代已经相当成熟。
但是，我指定“我们所知道的宇宙”并不是徒劳的。 因为我们不能完全确定宇宙是从我们所谓的“大爆炸”开始的。 我们对“大爆炸”有一个很好的描述，我们非常确定它确实存在，并且我们了解它的外观。 但是在他之前是否还有任何事情-这个问题仍然完全悬而未决。
在我看来，我们不应该假设宇宙始于大爆炸。 后来，在课程的最后，当我们研究通货膨胀和多重宇宙的某些后果时，我们将看到有充分的理由相信，大爆炸不是宇宙的开始，而仅仅是我们当地宇宙的开始，通常被称为口袋宇宙。
无论如何，大爆炸理论声称至少在138.2亿年前的宇宙部分是一种非常热，致密，均匀的颗粒物质，根据大爆炸的普遍接受的标准模型，其实际上充满了整个空间。 现在我们有足够的信心将它均匀地填充给我们可供观察的所有空间。 我想强调一点，这与大爆炸的广泛但不正确的视觉图相矛盾。 根据这张图片，“大爆炸”看起来像是一枚非常密集的物质的小炸弹，然后爆炸并散布在空旷的空间中。 这不是大爆炸的科学图画。
原因不是这样的图片不一致。 很难说什么是逻辑上的，什么是不逻辑的。 它只是与我们所看到的相矛盾。 如果它是在空旷空间引爆的小型炸弹，那么今天我们希望，如果朝炸弹所在的方向和相反的方向看，宇宙看起来会有所不同。 但是我们没有看到任何迹象。 当我们看着天空时，非常精确的宇宙在各个方向上看起来都完全一样。 我们在任何地方都看不到炸弹爆炸的迹象。 相反，大爆炸似乎在各地平均发生。
大爆炸描述了一些重要的事情，我们将在课程中进一步讨论。 他描述了早期宇宙是如何扩展和降温的，我们将花一些时间来理解这些词背后隐藏的细微差别。 实际上，Big Bang是基于非常简单的假设的非常准确的模型。 总的来说，我们假设早期宇宙充满了热气，处于热力学平衡状态，并且该气体由于重力而膨胀和收缩。
通过这些简单的想法，我们可以进行计算，并且将学习如何计算宇宙在每个时刻的膨胀速度，其温度和物质密度。 可以从这些简单的想法中计算出所有细微差别，对此进行探索真的很有趣。
大爆炸还解释了轻化学元素是如何形成的。 这是史蒂夫·温伯格的书《前三分钟》的主题。 大约在这个时期，化学元素形成了。 事实证明，宇宙中大多数化学元素并不是在大爆炸期间形成的，而是在恒星内部形成的。 这些元素在超新星爆炸期间被散布到太空中，并由此形成了后代恒星，其中之一就是我们的太阳。
因此，制造我们的物质实际上并不是在大爆炸期间创造的，而是在很久以前爆炸的一颗遥远的恒星内部合成的。 也许还有许多恒星聚集在一起形成我们的太阳系。 但是，宇宙中的大多数物质与大爆炸中形成的大多数不同的元素不同。 宇宙中的大多数物质只是氢和氦。
在大爆炸中主要形成了大约五种不同的氢，氦和锂同位素，由于我们已经有了大爆炸的详细图片，我们将对其进行进一步研究，因此我们可以计算和预测这些不同同位素的数量。 这些预测与观察结果非常吻合。 当然，这是我们对“大爆炸”形象正确的主要确认之一。 人们可以预测3氦的含量。 该量已被测量并且与预测一致。 太神奇了
最后，“大爆炸”解释了问题最终如何聚集成团，恒星，星系和形成的星系团。 我们将对此稍作讨论，但是我们不会深入探讨该主题，因为它不在我们的课程范围之内。 原则上，朝这个方向的工作仍在进行中。 人们对星系一无所知。 但是总的来说，这一切都是从几乎同质的宇宙开始的，然后是聚集在形成星系和其他结构的团块中的物质，这是正确的。 从这张非常简单的图片中，您可以了解很多关于宇宙的知识。
现在，我想谈一谈“大爆炸”的通常理论所不谈的话题，以及诸如通胀之类的新观念的出现。
首先，通常的大爆炸理论对导致宇宙膨胀的原因一无所知。 实际上，这只是爆炸后果的理论。 在新兴宇宙大爆炸的科学版本中，一切都在扩展，而没有说明这种扩展是如何开始的。 这种解释不是“大爆炸”理论的一部分。 因此，大爆炸理论的科学版并不是真正的爆炸理论。 这实际上是爆炸后果的理论。
此外，以类似的方式，通常的“大爆炸”理论并没有说明所有问题的来源。 该理论实际上假设，对于今天我们在宇宙中看到的每个粒子，从一开始，如果不是粒子本身，则至少存在某种前体粒子，而没有说明所有这些粒子的来源。 简而言之，我想说的是，“大爆炸”理论并未说明爆炸的原因，爆炸的原因或爆炸之前发生的事情。 在大爆炸理论中，确实没有爆炸。 尽管它的名字如此，这是一个不间断的理论。
事实证明，通货膨胀为许多这些问题提供了答案，非常合理的答案。 基本上，今天我们将在剩余时间中讨论这个问题。 正如我所说，从课程的角度来看，我们将在课程的最后三分之一左右讨论这个主题。
什么是空间膨胀？ 从本质上讲，这是对大爆炸的标准理论的总体修改。 最好的形容词是我认为是在好莱坞创造的。 通货膨胀是通常的“大爆炸”理论的前传。 这是对大爆炸之前发生的事情的简短描述。 因此，从某种意义上说，通货膨胀确实提供了大爆炸爆炸的解释，因为它确实提供了推动理论，使宇宙进入了这个巨大的膨胀过程，我们称之为大爆炸。
通货膨胀使我认为这是一个奇迹。 当我使用“奇迹”一词时，我以科学的意义使用它，尽管它是物理定律的一部分，但它是如此惊人，以至于它应该被称为奇迹。 物理定律中只有几个特征对通货膨胀至关重要。 我将谈论其中的两个，我认为这是一个奇迹，因为当我还是一个学生时，根本没人谈论他们。 它们根本不是人们注意到和谈论的物理学的一部分。
自爱因斯坦的相对论说引力并不总是吸引人以来，我所谈论的物理学奇迹就是众所周知的。 重力可以起到排斥作用。 爱因斯坦在1916年以他称之为宇宙常数的形式描述了这一点。 修改广义相对论方程的最初动机是爱因斯坦认为宇宙是静态的。 他意识到普通的重力会使静态宇宙收缩。 Universe无法保持静态。 因此，他引入了宇宙常数这个元素，以补偿普通引力的吸引并能够建立一个静态的宇宙模型。
您很快就会发现，这样的模型是完全错误的。 宇宙看起来很不一样。 但是，相对论的一般理论可能包括这种引力排斥，这一事实与广义相对论的所有原理都兼容，这是爱因斯坦本人发现的一个重要问题。 通货膨胀通过允许重力成为使宇宙进入扩张阶段的排斥力而利用了这一机会，我们称之为大爆炸。
实际上，如果我们将广义相对论与一些公认的基本粒子物理学思想相结合，就会有明显的迹象，而不是一个预言，而是很明显的迹象，即在非常高的能量密度下，某些物质状态确实使引力上下颠倒，吸引力变成排斥。 更具体地说，正如我们稍后所学习的，重力排斥是由负压产生的。
根据相对论的一般理论，事实证明压力和能量密度都可以产生引力场。 与牛顿物理学相反，在牛顿物理学中，只有质量的密度会产生引力场。
正压会产生引力场。 正压力是一种常压，引力是一种正常引力。 正常压力会产生正常重力。 但是可能会产生负压，并且负压会产生排斥重力。 这是导致通货膨胀的秘诀。
因此，通货膨胀表明在早期宇宙中至少存在一小块排斥性引力物质。 我们不知道确切的通货膨胀发生在宇宙的历史上，换句话说，我们不确切知道它发生在什么能量水平上。 但是，何时可能发生通货膨胀的最合理的可能性是，当宇宙中的能级与大统一理论中的能级相当时。
我们将在稍后讨论的“大统一”理论是将弱，强和电磁相互作用合并为单个相互作用的理论。 这种缔合发生在大约10
16 GeV的典型能量处，其中GeV大约等于质子的质量或能量。 我们所谈论的能量大约是质子的等效质量能的10
16倍。 有了这样的能量，很可能存在会产生排斥性重力的状态。
如果以这种能量顺序发生这种情况，则最初的场地可能会非常小（大约10
-28厘米），以便最终创造出我们能在远距离看到的所有事物。 今天我们看到的宇宙完全是这样一个场所的结果。
由这一小段排斥性引力物质产生的引力排斥力已成为大爆炸背后的驱动力，从而导致该引力指数增长。 随着指数的扩展，在一定的时间内图的大小会翻倍。 如果您等待相同的数量，它将再次翻倍。 如果您等待相同的数量，它将再次翻倍。
由于这些倍增迅速累积，因此无需花费很多时间即可创建整个宇宙。 在大约翻了一番之后，这个10
-28厘米的微小区域可能会变大到不能成为一个宇宙，而是变成一个小球的大小，在通货膨胀结束后继续扩大后，它最终将成为一个可观察的宇宙。
如果所有这些事情都按照伟大的统一理论进行，那么加倍时间会非常短，只有10
-37秒，这是非常快的。 该站点以指数形式扩展，至少是10
28倍，正如我提到的那样，仅需大约100倍就可以扩展，并且可以扩展得更多。 没有任何限制。 如果它的扩展超出了创建我们的宇宙所必需的范围，那仅意味着我们所生活的宇宙部分比我们看到的更大。 不用担心。 我们看到的所有内容看起来都是统一的，但是我们能到达多远却无法发现。 因此，高通胀率与我们所看到的完全一致。
它花费的时间仅为10
-35秒，等于10
-37秒的100倍。 这个站点注定要成为我们目前可以观察到的宇宙，在膨胀结束时就变成直径约一厘米的球的大小。
由于这种排斥性的重力不稳定，因此通货膨胀结束。 从与放射性物质相同的意义上讲，它会衰变。 这并不意味着它像腐烂的苹果一样腐烂，而是意味着它变成了其他类型的物质。 特别是，它变成了物质，它不再受到重力的排斥。 因此，引力斥力结束，由膨胀结束时释放的能量产生的粒子成为普通大爆炸的热物质。
这结束了前传，并且主要动作开始了-大爆炸的通常理论。 通货膨胀的作用只是为大爆炸的通常理论创造了初始条件。 有一点警告。 通货膨胀是由于物质不稳定而结束的，但几乎在所有地方都结束了，而不是在所有地方都没有结束。
这种排斥性引力物质会衰变，但会随着放射性物质而衰变，呈指数增长，具有半衰期。 但是，无论那里有半衰期过去了，总会有一个很小的小块，而这个问题会更多。 对于很多情况下通货膨胀永远不会完全结束的想法，这很重要。 我们将回到这一点。
现在，我想谈谈指数扩展阶段发生的情况。
膨胀有一个非常特殊的特征，即由排斥重力引起的指数膨胀，这意味着尽管发生了膨胀，但这种排斥引力物质的质量密度或能量密度并未降低。看起来，如果某物尺寸增加一倍，则体积应增加8倍，而能量密度应降低8倍。当然，这是普通粒子发生的。因此，当然，如果我们有气体，即普通气体，只需将其扩展两倍，密度就会降低八倍，因为体积等于一个立方体。但是，这种特殊的排斥引力实际上以恒定的密度膨胀。听起来好像违反了节能要求，因为这意味着该扩展空间内的总能量正在增加。每单位体积的能量保持恒定，并且体积变得越来越大。我申明，我并没有忘记自己实际上符合我们所知道的物理定律。并且这与节能是一致的。节约能源确实是物理学的神圣原则。我们自然界中不知道有任何违反能量守恒原理的事情。最终，能量是无法产生或破坏的，总能量是固定的。这里似乎有矛盾。我们如何摆脱它？这里需要第二个物理奇迹。真正节约能源。这里的窍门是能量不一定是正的。有些东西具有负能量。特别地，重力场具有负能量。顺便说一下，这种说法在牛顿物理学和相对论的一般理论中都是正确的。我们稍后会证明。如果您修了电磁学课程来计算静电场的能量密度，那么您就会知道静电场的能量密度与电场强度的平方成正比。可以证明，该能量恰好等于为了产生给定配置的电场而必须添加到系统中的能量。如果我们将牛顿的重力定律和库仑定律进行比较，很明显这实际上是相同的定律，只是它们使用不同的常数。它们都是平方反比定律，并且与两个电荷成比例，在重力的情况下，这些是起电荷作用的质量。但是它们有相反的迹象。已知有两个正电荷相互排斥，两个正质量彼此吸引。使用相同的参数可以计算库仑场的能量密度，也可以计算仍在牛顿物理学框架内的牛顿引力场的能量密度，而力的符号仍然存在。这会在所有执行的计算中改变符号，并且获得负值，这是牛顿重力的正确值。牛顿引力场的能量密度为负。广义相对论也是如此。这意味着在节能的框架内，只要重力场产生的负能量补偿量很大，就有可能获得越来越多的物质，越来越多的以普通物质形式积累的能量，这些能量在膨胀期间会发生。占据了更大的空间。这正是通货膨胀期间发生的情况。这种排斥引力物质的正能量随着体积的增长而增长，正好被填充该区域的引力场的负能量所补偿。因此，总能量保持恒定，应该保持不变，并且很有可能总能量恰好为零。因为至少我们所知道的一切与这两种能量彼此完全相等或非常接近的可能性是一致的。从示意图上可以看出，宇宙的总能量由物质和辐射形式的巨大正能量组成，这些物质包括我们所看到的物质，我们通常用来识别能量的物质。但是，在充满宇宙的引力场中还存在巨大的负能量。而且，据我们判断，它们的和可以等于0。至少这并不矛盾。无论如何，在通货膨胀期间，黑条会上升，红条会下降。它们的起伏相等。因此，在通货膨胀期间发生的过程会保留能量，因为所有符合物理学定律的事物（我们知道的）都必须保存能量。我想谈谈通货膨胀的一些证据。到目前为止，我已经描述了什么是通货膨胀，并且对于今天的描述来说已经足够了。正如我所说，我们将在课程中返回并讨论所有这一切。现在，让我们继续讨论为什么我们认为我们的宇宙实际上已经经历了称为通货膨胀的过程的一些原因，我刚才谈到了这一点。我想谈三件事。首先是大规模的宇宙统一性。这是由于我在一开始就告诉您，如果您朝不同的方向看，那么宇宙在各个方向上都是一样的。可以最精确地测量对方向的依赖的对象是宇宙背景辐射，因为我们可以在任何方向上对其进行测量，并且它非常均匀。完成此操作后，发现宇宙本底辐射是均匀的，且准确性极高-约为1/100000。这是令人印象深刻的均匀度。这意味着宇宙确实是极其均匀的。我想在这里保留一个完全准确的信息。如果仅测量并测量宇宙辐射，就会发现存在一个不对称现象，它大于我刚才所说的。在一个方向比相反方向热的情况下，可以检测到大约1/1000的不对称性。但是，我们将这一千分之一效应解释为我们在宇宙背景辐射下的运动，这使其在一个方向上变热，而在相反方向上变冷。而且我们运动的这种影响具有非常确定的角度分布。我们没有其他方法可以知道我们在宇宙背景辐射方面的速度。我们只是根据这种不对称性进行计算。但是我们不能用这一运动来解释一切。我们可以计算出速度。一旦我们计算出它，它将确定我们可以减去的不对称之一。此后，我们无法解释的剩余不对称性，即地球相对于宇宙本底辐射具有一定速度的不对称性，达到了百分之一十。而这一千分之一，我们归因于宇宙，而不是地球的运动。为了理解这种不可思议的同质性的后果，需要一些关于宇宙背景辐射的历史的信息。当宇宙是等离子体时，宇宙早期的辐射基本上被束缚在物质中。光子以光速移动，但是等离子体具有很大的横截面，用于自由电子散射光子。这意味着光子随物质一起移动，因为光子只能自由移动很短的距离，然后散射并向另一个方向移动。因此，就物质而言，光子在宇宙历史的前40万年中并未飞走。但是，根据我们的计算，大约40万年后，宇宙冷却下来，足以使等离子体中和。当等离子体被中和时，它变成了中性气体，就像这个房间里的空气一样。这个房间里的空气对我们来说似乎是完全透明的，事实证明，宇宙中发生了同样的事情。中和后充满宇宙的气体真正变得透明了。这意味着，我们今天在宇宙背景辐射中看到的典型光子从大爆炸之后约40万年开始沿直线传播。反过来，这意味着当我们观察宇宙背景辐射时，实际上我们看到的图像是宇宙在大爆炸之后40万年的样子。就像从我的脸到您的眼睛的光线使您对我的外表有所了解。因此，我们看到了40万年前的宇宙图像，它是均匀的，精确度为十分之一。问题是，我们能解释一下宇宙如何变得如此均匀吗？如果您准备简单地假设宇宙最初是完全均匀的，超过了十分之一，那么没人会为此而烦恼。但是，如果您想在不从一开始就假设这种均匀性的情况下尝试对其进行解释，那么使用常规的大爆炸理论根本不可能。原因是，在大爆炸的通常理论的演化方程的框架内，您可以进行计算，稍后我们将对其进行计算，以便随时间推移平滑所有事物，以使宇宙背景辐射看起来平滑，您需要能够将物质和能量的移动速度提高大约100倍光速。否则，它将无法解决。我们在物理学中不知道发生任何比光速快的事情。因此，在我们已知的物理学和大爆炸的通常理论中，没有办法解释这种同质性，只能简单地假设它从一开始就存在。由于某些原因，我们不知道。另一方面，通货膨胀很好地解决了这个问题。通货膨胀使宇宙的历史呈指数增长。由于这个指数膨胀如此之大，因此，如果您在发生膨胀之前查看我们的宇宙，它会比没有此指数膨胀的普通宇宙学小得多。因此，在通货膨胀模型中，有足够的时间让宇宙中被观测的部分在通货膨胀开始之前变得均匀，而当时这是非常小的。它变得像空气一样均匀，均匀地分布在整个房间中，而不是聚集在一个角落。在这个很小的区域实现统一之后，通货膨胀随后扩展了该区域，该区域变得足够大，可以容纳我们现在看到的所有事物，从而解释了为什么我们看到的所有事物看起来都如此统一。这是一个非常简单的解释，并且只有通过通货膨胀才有可能，而不是在大爆炸理论的公认框架内。在通货膨胀模型中，宇宙以很小的尺寸开始，因此很容易建立均匀性。演讲厅中的空气均匀地填充到演讲厅中。然后，通货膨胀扩大了该区域，该区域变得足够大，可以包括我们目前正在观察的所有事物。这是我的三个通货膨胀证明中的第一个。第二个是所谓的扁平宇宙问题。问题是为什么早期的宇宙如此平坦？这个问题可能马上出现-当我说早期的宇宙是平坦的时，我是什么意思？我有时会遇到的误解之一是，平面通常被认为是二维的。这不是我的意思。扁平并不意味着像二维煎饼。宇宙是三维的。在我们的情况下，平坦表示欧几里得遵循欧几里得几何学的公理，而相对论则是非欧几里得几何学的各种变体，后者是相对论所允许的。相对论的一般理论允许三维空间弯曲。我们仅考虑均匀曲率。在现实中，我们看不到任何曲率，但我们比宇宙平坦的事实更准确地知道宇宙是均匀的。因此，想象一下宇宙曲率的三种可能的选择，所有这些都将被视为同质的。三维弯曲空间不容易可视化，但它们三个都类似于更容易想象的二维弯曲空间。选项之一是球体表面的封闭几何形状。 类推是三维宇宙类似于球体的二维表面。 尺寸的数量发生变化，但是重要的事情仍然存在。 因此，例如，如果将一个三角形放置在球体的表面上，并且可以很容易地看到它，则其三个角度的总和将超过180度。 与欧几里得几何不同，总和始终为180度。
学生：三维空间是否会在第四维发生弯曲？ 就像二维模型暗示不同的维度一样吗？
老师：好问题。 问题是，三维曲率是否在第四维中发生，与二维曲率在第三维中发生一样？ 我认为答案是肯定的。 但是，我应该在这里澄清一下。 从纯粹的数学观点来看，第三维可以使我们轻松地可视化球体。 但是，从人们研究微分几何的角度来看，球的几何形状是定义明确的二维空间，不需要任何三维空间。
第三维只是我们可视化曲率的一种方式。 但是相同的方法适用于三维空间。 实际上，通过研究封闭宇宙的三维弯曲空间，我们可以做到这一点。 我们使用相同的方法，将其想象成四个维度，它将非常接近您正在查看的二维图片。
因此，可能性之一是封闭的几何形状，其中三角形的三个角度的总和始终大于180度。 另一种可能性是通常所说的鞍形或负曲率空间。 在这种情况下，三个角度之和随着变窄而变得小于180度。 而且仅对于平面情况，这三个角度之和正好是180度，这是欧几里得几何的情况。
这些对象表面的几何形状不是欧几里得，尽管如果考虑嵌入在三维空间中的对象的三维几何，它仍然是欧几里得。 但是二维表面上的几何形状在上两个表面上不是欧几里得，在下表面上不是欧几里得。
这就是相对论的一般原理。 存在具有正曲率和大于180度的角度之和的封闭宇宙。 在开放的宇宙中，三个角度的总和始终小于180度。 还有一个平面宇宙的情况，它位于两者的边界上，欧氏几何在其中起作用。 在我们的宇宙中，欧几里得几何非常有效。 这就是为什么我们所有人都在学校教她。 我们有很好的证据表明，早期的宇宙异常接近欧氏几何的平坦情况。 这就是我们试图理解和解释的。
根据相对论的一般理论，宇宙的几何形状由质量的密度决定。 质量密度有一个确定的值，称为临界密度，它取决于膨胀率，顺便说一句，这绝不是一个普遍常数。 但是对于给定的膨胀率，可以计算出临界密度，而该临界密度就是使宇宙平坦的密度。 宇宙学家定义了一个称为Ω（Ω）的数字。 Ω只是实际质量密度与临界质量密度之比。 因此，如果Ω等于1，则实际密度等于临界密度，这意味着宇宙是平坦的。 如果Ω大于1，则得到一个封闭的Universe；如果Ω小于1，则将存在一个开放的Universe。
Ω值的变化是特殊的，因为在普通宇宙学中宇宙发展期间，Ω等于1，其行为非常类似于笔尖的平衡。 这是一个不稳定的平衡点。 换句话说，如果在早期宇宙中Ω精确等于1，它将保持精确等于1。就像理想情况下将铅笔安装在其尖端一样，它也不知道掉到哪里，并且原则上将永远保持在该位置。 至少在古典力学中。 我们不会为铅笔考虑量子力学。 打个比方，我们使用古典力学的铅笔。
但是，如果铅笔向任何方向稍微倾斜，它将迅速开始朝该方向掉落。 同样，如果早期宇宙中的Ω刚好超过1，它将迅速增加到无穷大。 这是一个封闭的宇宙。 无限实际上意味着宇宙达到其最大大小，然后开始收缩和坍塌。 如果Ω略小于1，它将迅速减小到0，并且由于它会迅速扩展，因此宇宙将简单地变为空。
因此，今天要使Ω接近1，而我们今天可以说Ω为1，唯一的方法就是从一开始就令人难以置信地接近1，就像那支拥有140亿年历史并没有倒下的铅笔一样。 在数字上，对于Ω，今天处于非常接近1的允许范围内，这意味着在大爆炸之后一秒钟的Ω应该等于1，令人难以置信的15位小数位精度。 这使宇宙的质量密度（比大爆炸高一秒钟）可能是我们在物理学中知道的最准确的数字。 我们确实知道它，精确度为15位小数。 如果它不在此范围内，那么由于宇宙演化过程中的放大效应，它今天不会接近1。
问题是，这是怎么发生的？ 在通常的大爆炸理论中，理论上Ω的初始值可以是任意值。 为了与我们目前所观察到的一致，它应该在这个难以置信的狭窄范围内，但是从理论上讲，没有什么可以迫使它存在。 问题是，为什么Ω最初如此难以置信地接近1？ 就像前面提到的同质性问题一样，人们可以简单地假设它最初是应有的状态，即 等于1。您可以执行此操作。 但是，如果您想对发生这种现象的原因有任何解释，那么在普通宇宙学中，没有什么可以解释它的。 但是，通货膨胀使我们可以对此进行解释。
在膨胀模型中，Ω的变化发生了变化，因为重力变成了排斥力而不是有吸引力的力，这使Ω以不同的方式变化。 事实证明，在通货膨胀期间，Ω不会像整个宇宙历史上的其余部分一样从1移开，而是相反，迅速地以1的指数级移动。 以我们所说的通货膨胀率，通货膨胀率约为10到
28倍，因此通货膨胀之前的Ω值不受很大限制就足够了。 充气前的Ω可能不是1，而是2或10或1/10或100或1/100。
初始Ω离1越远，则需要更长的充气时间使其接近1。但是对于Ω与1显着不同的情况，充气所需的时间就不会更长，因为Ω使Ω指数地接近1。 这是一个非常强大的力量，使欧米茄更接近1。它为我们提供了一个简单的解释，说明为什么早期宇宙中的Ω似乎极其接近1。
实际上，据此可以进行预测。 由于通货膨胀非常接近使Ω接近1，因此我们预计今天Ω应该确实为1或在可测量的精度范围内。 您可以想象到通货膨胀模型，其中Ω等于0.2，这被认为是以前的水平，但是为此，通货膨胀必须在恰好接近1之前的正确时间结束，因为每次指数增长都使其成为一个数量级。接近1。这是非常快速的效果。 因此，如果没有非常彻底的调整，大多数通胀模型将使Ω如此接近1，今天我们将其视为1。
以前，似乎并非如此。 直到1998年，天文学家才确信Ω仅为0.2或0.3，而通货膨胀已经相当明确地预测Ω应该为1。个人而言，这给我带来了很多不便。 每当我与天文学家共进午餐时，他们都说通货膨胀是一个很美的理论，但它是不正确的，因为Ω为0.2，而通货膨胀预测Ω为1。这简直就是不匹配。
一切都在1998年发生了变化。 现在，我们从普朗克卫星获得的Ω的最准确数字以及其他一些测量结果是1.0010，±0.0065。 0.0065是重要的事情。 该数字非常非常接近1，并且误差大于该差。 因此，今天我们知道，以0.5％或1％的精度，Ω为1，这就是通货膨胀预测的值。
使这一切成为可能的新组件将欧米茄的测量值从0.2更改为1，这是宇宙能量平衡的新组件，即我们所谓的暗能量的发现。 在此课程中，我们学到了很多有关暗能量的知识。 1998年的发现基于这样一个事实，即宇宙的膨胀并没有像以前所预期的那样在重力的影响下减慢，而是宇宙的膨胀实际上在加速。
这种加速一定是由于某种原因。 导致这种加速的原因称为暗能量。 即使在暗能量知识方面存在很大差距，我们仍然可以计算出多少暗能量才能产生我们观察到的加速度。 当所有这些结合在一起时，我们得到的数字与通货膨胀相比要比前一个数字好得多。
学生：当时加速的宇宙是否是一个未知因素，是否由于错误地认为Ω为0.2或0.3？
老师：是的。 这完全是由于当时不知道加速的事实。 实际上，可见物质已被精确测量。 这仅给出了0.2或0.3。 而这个新的成分，我们仅因加速而了解的暗能量，产生了必要的差异。
学生：是使Ω等于0.2或0.3的数据吗，真的只是我们通过望远镜看到的宇宙的一部分吗？
老师：对。 包括暗物质。 实际上，我们什么都看不到。 现在无需详细讨论，我们将在本课程的稍后部分讨论它们，其中有一种叫做暗物质的东西与暗能量不同。 尽管物质和能量本质上是同一件事，但就我们而言，它们是不同的。 暗物质就是物质，因为它对其他物质的影响，我们得出了存在的结论。 例如，以星系的旋转速度为例，您可以计算出这些星系内部必须有多少物质才能使轨道稳定。 事实证明，物质的需求远远超过了我们实际看到的。 这种无形的物质称为暗物质，它的贡献为0.2或0.3。 可见物质仅约0.04。
我要谈的下一点是小范围的宇宙异质性。 在最大尺度上，宇宙是极其均匀的-精确到十分之一，但在较小尺度上，当今的宇宙却是极其异构的。 地球是宇宙质量密度分布中的一大堆。 地球的密度比宇宙中物质的平均密度高约10至
30度。 这是一个难以置信的密集凝块。 问题是这些血块是如何形成的？ 他们来自哪里？
我们相信，这些团块是由我们在早期宇宙中看到的很小的扰动演变而来的，通过宇宙背景辐射可以最清楚地看到它们。 我们认为，早期宇宙的质量密度是均匀的，精确度约为十分之一。 但是，在十万分之一的水平上，我们看到宇宙背景辐射中存在不均匀性。
之所以形成诸如地球之类的物体，是因为质量密度中的这些微小异质性在重力上不稳定。 在物质密度略有过量的地方，这种过量的密度会产生引力场，从而将更多的物质吸引到这些区域，进而产生更强的引力场，从而吸引更多的物质。 该系统是不稳定的，它形成了我们所看到的复杂星团，例如星系，恒星，行星等。
这是一个复杂的过程。 但这一切都始于这些非常弱的异质性，我们认为，这些异质性在大爆炸之后不久就存在。 我们在宇宙背景辐射中看到了这些不均匀性。 他们的测量告诉我们很多当时存在宇宙的条件，并允许我们建立理论来解释这种宇宙是如何产生的。 为了测量这些不均匀性，以很高的精度创建了诸如COBE，WMAP和Planck之类的卫星。
通货膨胀回答了异质性来自何处的问题。 通常的“大爆炸”理论没有解释。 只是假设存在异质性，并人为地添加了异质性，但是没有理论可以指出它们的来源。 在通货膨胀模型中，所有物质都是由通货膨胀创造的，异质性也受通货膨胀控制，并且由于量子效应而出现。
很难相信量子效应对于宇宙的大规模结构可能是重要的。 仙女座星系看起来并不像是量子振荡。 但是，如果您从数量上考虑这个理论，它的确非常有效。 从理论上讲，我们在宇宙本底辐射中看到的振动确实纯粹是量子理论的结果，主要是不确定性原理，该原理指出不可能具有完全均质的东西。 这与不确定性原理不一致。
当我们使用量子力学的基本思想时，我们可以计算出这些振动的性质。 要做到这一点，我们需要更多地了解非常高的能量物理学，这与通货膨胀时期有关，以便能够预测这些振荡的幅度。 我们无法预测振幅。 原则上，如果我们对底层的粒子物理知识了解得足够多，但对它知之甚少，通货膨胀将使我们能够做到这一点。 因此，实际上，我们无法预测振幅。
但是，通货膨胀模型可以非常清楚地预测此类波动的范围。 我的意思是根据波长改变振动强度。 这里的频谱与声音的含义相同，只不过需要考虑波长而不是频率，因为这些波实际上不会振荡。 但是它们的波长就像声波一样，如果我们谈论不同波长的强度，频谱的概念实际上与声音中的相同。
可以测量。 这些不是最后的测量，这些是我有一个图表的最后的测量。 红线是理论预测。 黑点是真实的测量值。 这是7年的WMAP数据。 当我看到这条曲线时，很难表达我的幸福。
我也有其他理论预测的图表。 例如，在一段时间内，人们非常认真地认为我们在宇宙中看到的不均匀性（这些振动）可能是由在宇宙早期相变中形成的所谓宇宙弦的随机形成引起的。 当然，这是一次可行的想法，但是一旦测量了这条曲线，事实证明宇宙弦的预测根本不是那样。 从那时起，它们就被排除为宇宙中密度波动的来源。 此处还显示了其他各种模型。 我不会在它们上面浪费时间，因为还有其他事情我想谈。
无论如何，这无疑是成功的。 这是最新数据。 这是普朗克卫星的数据，该卫星是去年3月发射的。 我在图表上没有相同的比例尺，但是您会再次看到基于通货膨胀的理论曲线和点，这些点显示的数据几乎没有一点点误差。 绝对清楚的对应。
学生：他们发现暗能量之后，通货膨胀理论发生了什么？ 她有明显改变吗？
老师：理论改变了吗？
学生：上图中有另一条曲线。
老师：关于没有暗能量的通货膨胀。 我认为通货膨胀理论在这两条曲线上并没有太大不同，但是您今天看到的曲线是通货膨胀和此后发生的演变的结果。 从那以后发生的演变在这些曲线之间产生了很大的差异。
因此，通货膨胀理论应该不会有太大变化。 她真的没有改变。 但是，当然，在发现暗能量之后，该曲线看起来要好得多，因为知道了正确的质量密度，并且逐渐地，我们获得了关于这些波动的越来越多的数据，这些数据完全符合通货膨胀的预测。
现在，我想谈谈多元宇宙的概念。我将尝试快速浏览它，以便我们完成。现在我们仍然不会尝试了解所有详细信息，因此在剩下的10分钟内，我将讨论其中的一些细节。我想谈谈通货膨胀如何导致多元宇宙的想法。我们将在课程结束时再次谈到这一点，这当然是通货膨胀令人兴奋的方面。正如我们所说，产生通货膨胀的重力排斥材料是亚稳态的。分手了这意味着，如果您处在发生通货膨胀的地方，并且想知道稍后发生通货膨胀的概率是多少，则该概率呈指数下降-每增加一半，每个半衰期下降一半。但与此同时，由于通货膨胀，任何膨胀区域的体积也呈指数增长。实际上，在任何合理的通货膨胀模型中，增长都快于衰退。如果您看着膨胀的区域，则等待半衰期，根据半衰期的定义，该区域的一半体积将不再膨胀。但是剩余的一半将大大大于体积从此开始。这就是重点。这是一个非常不寻常的情况，因为它似乎没有止境。即使膨胀，膨胀的区域也会越来越大，因为膨胀比衰减快。这导致了永久性的通货膨胀现象。尽管事实上溶胀物质会衰减，但溶胀区域的大小会随时间增加。这导致了我们所说的永久性通货膨胀。根据我们的判断，这里的永恒意味着未来的永恒，而不是过去的永恒。通货膨胀在某个有限的时间开始，但是一旦开始，它将永远持续下去。每当该膨胀区域的一部分经历相变并变得正常时，它在局部看起来就像是大爆炸。我们的大爆炸就是这些局部事件之一，由这些局部事件中的任何一个所形成的宇宙（会在一个不断扩大的区域衰减）会被称为口袋宇宙。装袋只是因为这个多重宇宙的规模上有许多这样的宇宙。尽管它们与我们生活的宇宙大小相同，但它们却很小。我们的宇宙就是这样一个口袋宇宙。因此，通货膨胀产生了无数个而不是单个宇宙。这就是我们所说的多元宇宙。值得注意的是，在其他背景和其他理论中也使用“多元宇宙”一词，但我认为通货膨胀是构建多元宇宙的最合理的方式。这就是大多数宇宙学家谈论多元宇宙时的意思。这里暗能量的位置在哪里？她扮演着非常重要的角色。 1998年，两组天文学家独立发现宇宙现在正以加速的速度膨胀。我们现在知道，在宇宙历史的140亿年中，宇宙在过去50亿年中迅速发展。曾经有一段时间，扩张速度放缓到了50亿年前。其结果是通货膨胀实际上正在发生。我们看到的宇宙加速膨胀与膨胀非常相似，我们确实将其解释为一种类似的物理学。我们认为，这是由某种负压引起的，就像通货膨胀是由负压引起的一样。这个物质显然充满了空间并具有负压，我们称之为暗能量。顾名思义，暗能量就是导致加速的任何事物。有人会问，暗能量到底是什么？对此最可靠的答案是没人知道。但是，最有可能的候选人。最有可能的候选人与其他候选人与他没有太大不同，只是暗能量是真空能量。虚无的能量。空虚会产生能量可能令人惊讶。但是，我会告诉您的，这并不奇怪。但是，如果暗能量仅仅是真空能量，那么它与我们所知道的关于我们可以测量的宇宙膨胀性质的一切都完全一致。学生：为什么仅在最近50亿年中，宇宙才开始迅速膨胀？老师：我现在可以解释一下。既然我已经说过可能存在真空能量，那么我可以给你一个答案。答案是真空的能量不会随时间变化，因为它仅仅是真空的能量。这与我所说的有关通货膨胀期间的能量密度相同。这只是一个常数。同时，随着宇宙的膨胀，普通物质变得更加释放，其密度与宇宙大小的立方成比例地降低。碰巧的是，在过去的五十亿年前，普通物质主导了宇宙，这产生了引力，并使宇宙减速。但是，大约在五十亿年前，宇宙中的物质变得如此释放，以至于普通物质不再占主导地位，而真空能开始引起加速。真空的能量一直存在，引起排斥，但是直到最近五十亿年，真空才被普通物质的引力所控制。现在我想谈一谈，为什么在虚空中有些东西？为什么空虚有能量？对于今天的物理学家来说，答案实际上是很清楚的。与经典真空相反，量子真空是一个非常复杂的状态。它根本不是空的。这实际上是一组复杂的真空振动。我们认为甚至有一个您可能听说过的名为希格斯（Higgs）字段，它在真空中平均具有非零值。由于不确定性原理，诸如电磁场之类的事物在真空中不断波动，这导致这些波动中存在能量密度。因此，据我们所知，没有理由将真空能设为零。但这并不意味着我们了解其含义是什么。如今，从基本物理学的角度来看，真正的问题不是找出真空为何具有非零能量密度的原因。问题是要了解为什么它这么小。为什么这是一个问题？我们将不做详细研究的量子场论说，例如，电磁场一直在振荡。这是由于不确定性原理。这些振动可以具有任何波长。并且每个波长都有助于真空波动的能量密度。但是，没有最短的波长。在任何大小的盒子中，都有最长的波长，但没有最短的波长。事实证明，当我们尝试在量子场论中计算真空能密度时，它从短波长侧发散。从形式上看，它变得无穷无尽，因为正式的计算表明所有波长都起作用，而最短的波长不存在。这在实际物理学中意味着什么？我们相信这对我们对量子场论的理解并不一定是问题。实际上，我们认为这只是对我们假设的真实范围的限制。当然，在实验室中进行测试时，量子理论非常有效。我们认为，在非常短的波长下，应该限制无限远。限制短波无限远的一个很好的选择是量子引力的作用，我们不了解。因此，一种估计由量子场论预测的真实能量密度的方法是将波长限制在普朗克标度，能量标度和与量子引力相关的长度标度上，大约为10 -33厘米。如果这样做，则可以计算真空的电磁场的能量密度，并得到一个有限的数。但是它太大了。它的差异不是很小，而是很大。它超过120个数量级。因此，我们不明白为什么真空能是真正的能量，因为我们的简单估计说它应该再高120个数量级。我必须说，仍有出路。我们在此处计算出的能量只是对真空总能量的贡献之一。也有负面贡献。如果我们计算电子场的波动，那么它对能量的贡献将为负。原则上，这些贡献有可能彼此完全或几乎完全相互补偿，但我们不知道为什么要这样做。因此，关于真空能密度的理论预测存在很大的问题。现在，我想谈一谈弦理论的概况，这可以解释真空能量的微小性。这仅是一种可能的解释，此处的一切都是推测性的。但是，对于我们正在观察的这种非常小的真空能量，一种可能的解释是将永久膨胀和弦理论结合在一起。它基于字符串理论没有唯一真空的想法。多年来，理论家一直未能成功地找到弦理论中的真空。他们根本无法理解弦理论应该看起来像是真空。然后，大约在10年前，许多弦理论家开始团结起来，也许他们找不到真空，因为弦理论没有独特的真空。取而代之的是，他们现在声称存在着巨大的数字，他们考虑的数字为10,500，其中存在大量的亚稳态，它们的寿命很长，即使最终会衰变或衰变，它们中的任何一个都可能长时间处于真空状态。转到其他亚稳态之一。这就是所谓的弦论领域。这种巨大的真空状态集，其中任何一个都可以是真空，例如，它填充了某种口袋空间。如果我们将此与永续通货膨胀的概念结合起来，可以得出结论，在永续通货膨胀期间，最有可能出现所有这10,500或更多类型的真空。也就是说，它们内部不同的口袋宇宙将随机产生不同类型的真空。然后，我们将得到一个多元宇宙，它将由不同的口袋宇宙中的多达10,500度或更多不同类型的真空组成。在这种假设下，弦论是控制一切的假定物理定律。但是，如果您生活在这些口袋宇宙中的一个中，您实际上会看到物理学定律与其他口袋宇宙中的定律非常不同。事实是，与弦论的能级相比，我们实际看到和测量的物理学是低能物理学。我们只看到我们所生活的真空结构的微小波动。因此，我们看到的那些粒子-电子和夸克，它们结合成质子和中子，可能是我们特定口袋宇宙的特征。在其他口袋宇宙中，可能存在完全不同类型的粒子，这是其他类型真空的振动。因此，即使物理定律在各处都是一样的-弦论定律，实际上观察到的物理定律在一个袖珍宇宙到另一个袖珍宇宙中也可以有很大差异。特别地，由于在不同的宇宙中存在不同的真空的事实，真空的能量密度在不同的宇宙中可以不同。这为为什么观察到的真空能量如此之小提供了可能的答案。我们下次再谈。