宇宙演化与暴胀模型

    宇宙学正处在一个充满机遇和挑战的黄金时期。有关宇宙的物质成分、几何结构与宇宙命运的关系、爱因斯坦的“最大错误”(greatest blunder)等问题的新观念正在取代旧的思想。越来越多、越来越精确的天文观测数据结合高能粒子物理、量子场论、引力理论等基本物理理论的发展，将使人们能破解许多宇宙之谜，了解宇宙的诞生和演化历史，并弄清其最终命运。

   宇宙学成为一门学科始于爱因斯坦在1917年用他刚建立的广义相对论来考察宇宙结构。 直到1980年代，根植于人们头脑中的宇宙演化模型是热大爆炸（Hot Big Bang）模型，特别是微波背景辐射的发现及宇宙中轻元素丰度的测定极大地支持了热大爆炸模型。可这一模型存在一些明显的缺陷，如：宇宙演化起源于一个奇点，在那里，所有物理学定律都失效；此模型无法解释宇宙大尺度的均匀性和小尺度的非均匀性；无法解释宇宙空间平坦性；无法解释所谓的视界问题，即现在观测到的均匀宇宙是由早期许多非因果关联区域演化而来，这违背基本物理学定律；无法解释超重质量粒子稀少等问题。

   1980年古思(A. Guth)提出，宇宙在极早期曾经历过一个极短的（约10-32秒）加速膨胀时期。这一所谓的暴胀模型一举解决了大爆炸模型中许多无法克服的困难。这一模型还特别提供了关于宇宙大尺度结构形成的物理机制。自1991年美国COBE (Cosmic Background Explorer) 卫星首次观测到源于宇宙早期密度扰动的各向异性后，越来越多、越来越精确的天文观测支持了暴胀模型。可是正像著名宇宙学家特纳(M. Turner)所言：“给暴胀模型戴上皇冠还为时尚早。”

  自热大爆炸宇宙模型之后，宇宙学的重大发展之一就是暴胀模型的提出。可是暴胀模型与其说是一个模型，毋宁说是一种解决问题的方法。暴胀模型通常在爱因斯坦引力框架中假定一个标量场的势驱动宇宙的加速膨胀。然而基本粒子的标准模型中并没有这样一个标量场，超对称和超引力中也没有这样一个合适的标量场。另一方面，自古思提出老暴胀模型20多年以来，人们构造了许许多多暴胀模型，可这些模型都存在这样或那样的问题。因此可以公平地说，到目前为止还没有一个完全成功的暴胀模型。

   宇宙微波背景辐射的观测强有力地支持了暴胀模型，可是在粒子物理的标准模型里，还未找到能充当暴胀场的标量场，这使理论物理学家不得不打开更广的思路，产生更“疯狂的”(crazy)新思想(著名宇宙学家特纳语)。近十年来，膜世界绘景、外维度、超弦理论中的稳定和非稳定延展物体(膜)等新思维为构造一个成功的暴胀模型提供了理论基础，这也是近些年构造暴胀模型的主要领域。
　

  与暴胀模型紧密相关的是原初密度谱的计算。现在观测到的微波背景辐射的涨落来源于宇宙暴胀时期的量子涨落，而宇宙暴胀时期是一个极高能物理过程 (1019～1014吉电子伏)。在此高能标下，新物理可能会进入高能物理过程。因此，在计算原初密度谱时，应考虑时空非对易性、反常色散关系、违反洛伦兹不变性、超普朗克物理等效应。此外，暴胀期间时空是准德西特相。德西特空间是最大对称空间，没有空间无穷远，非常不同于AdS空间和平坦的闵科夫斯基空间。因此到目前为止，还没有好的方法定义德西特时空中的守恒量。在德西特时空中的量子场论方面，不同真空的选择会严重影响原初密度谱的计算。如何选择与自然相应的真空仍然是待解难题。在这方面，首先研究德西特时空的全息性质可能是有希望的方向。总之，从基本理论出发构造成功的暴胀模型并理解与此相关的物理是摆在人们面前的最大挑战之一。

   天文观测对现代物理学提出的挑战可能是21世纪物理学天空上的几片乌云。物理学新的革命也可能由此爆发，新物理(新思想，新理论)由此产生。