第1章 看看宇宙大爆炸(6/18)

密度小，最终很可能导致形成一个不平坦的宇宙。然而天文观测显示宇宙现在非常平坦，这就产生了矛盾。

    爆胀场理论可解决此问题，其思路是：一粒沙子密度不均匀，有的地方密度大，有的地方密度小，若将这粒沙子瞬间膨胀到银河系那么大，就会抹平一切密度不均匀，宇宙的空间就会变得非常平坦，从而完美解决了该问题。

    3 磁单极子问题：大多数大统一理论认为，大爆炸后10的负36次方秒左右，因温度变化，强力和电弱力分离，这次从高温到低温的相变过程中会出现磁单极子。磁单极子是指像磁铁虽有南北两极，但它只有南极或者只有北极的一种特殊粒子。

    根据大爆炸模型计算，宇宙应该产生了很多磁单极子，可至今我们一个都未找到。要是能找到磁单极子，肯定能荣获诺贝尔物理学奖。

    对于爆胀场理论解决此问题的方式，假设在一粒沙子里面有1亿颗磁单极子，当沙子瞬间膨胀到银河系大小，整个太阳系都分不到一颗磁单极子，自然就找不到它了。

    总之，传统的大爆炸模型存在这三大缺陷，于是天文学家提出了爆胀场理论来修复这些缺陷，相当于给大爆炸模型打了个大大的补丁。

    三、爆胀场理论的观测证据及相关推导

    爆胀场理论有三个核心预言：宇宙空间非常平坦、存在符合高斯分布的近尺度不变的密度涨落、原初引力波。

    下面我们来简单推导一下空间为何会出现指数膨胀。根据广义相对论和宇宙学原理，可得到宇宙的演化方程——弗里德曼方程，这是宇宙学极为重要的一个方程。对于宇宙大爆炸前期来说，方程后面两项可忽略不计，从而可简化为：

    这里p代表物质的能量密度，g是引力常数，a(t)代表空间的大小，a(t)上面一个点代表宇宙空间的大小随时间的变化率，也就是微积分里的da\/dt。

    如果爆胀场的能量密度是一个固定数值，那么p就是一个固定数值，整个方程的右边就是一个固定值，简化后它就变成一个非常简单的微分方程，大一学生基本都会解这个微分方程。其解令人惊讶的是出现了指数形式。因为a代表空间的大小，t代表时间，这就意味着宇宙空间的大小随时间呈指数变化。所
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