宇宙结构的“种子”咋来的？如果密度波动发生变化，会怎么样？

“在整个宇宙里只存在着一个实体,只是它的形式有各类转变。”——〔法〕拉美特利:《人是机械》

当我们说到宇宙的时辰，我们经常会说：即使是此刻的宇宙看起来也十分的光滑和平均。您可能不睬解这句话啥意思，因为您经常会看到在宇宙中布满了像地球这样的行星、像太阳这样的恒星、像银河系这样的星系，它们都是密度较大的物质团块，有些处所确实空无一物的宇宙空间，怎么可能是光滑、平均的？

您其实说的也没有错，可是您考虑的标准太小了，若是您考虑的是数十亿光年的宇宙标准，在这样的大标准上，宇宙中的物质形当作了由物质团块和细丝构成的网状布局，遍地的物质分布和密度看起来都是光滑、平均的。而在早期的宇宙，即使在较小的标准上也是光滑和平均的，但在更小的标准上也存在细小的密度涨落！

这些细小的密度涨落就是今天物质布局的种子，在后来的演化中形当作了今天所看到的任何物质团块（包罗恒星、星系、星系群和星系团），那么问题是：这些密度涨落是咋来了？从量子力学的角度来看，有没有可能存在一个完全平均的宇宙？若是不成能，是否可以存在一个比我们的宇宙一起头加倍平均的宇宙，这个宇宙会在更长的时候标准上才能形当作一个与我们今天的宇宙相似的宇宙？

让我们从今天的宇宙起头说起

在我们银河系的标准上，我们可以看到良多密集的物质团块，像恒星、行星、卫星、小行星甚至是人类。在这些物质团块间是广袤无垠的星际空间，但此中也充溢也大量的加倍弥散的气体、尘埃和等离子体，这些物质要么是之前灭亡恒星的残骸，要么就是还未形当作恒星的原始物质。所有这些物质团块连系在一路就组成了我们的星系：银河系。

在更大的标准上，单个星系可以自力的存在与宇宙中（这种星系叫场星系），也可以由少数的几个星系构成一个集群（如：我们的本星系群），也可以由更多的星系（数百到数千）构成一个星系团！若是我们再不雅察更大的标准就会发现，这些星系群、星系团沿着庞大的丝状布局摆列，延申数十亿光年。在这些细丝之间就是庞大的宇宙浮泛，一个低密度区域，此中只存在少量的星系和恒星。

若是我们在更大的标准上不雅察宇宙就会发现，我们看到的任何一个特定的区域与其他任何一个区域看起来都是一样的，它们有着不异的物质密度，有着不异的温度，有着不异数目和类型的恒星和星系等等，归正就是看起来一摸一样。

也就是说，在最大的标准上，宇宙中的任何一块区域不会比其他区域看起来更特说。空间的分歧区域在我们看来都具有不异的性质。这就是我们常说的各标的目的同性问题。

可是早期的宇宙并不是由今朝我们所看到的物质团块、细丝和浮泛构成的。当我们不雅察宇宙微波布景辐射的时辰，因为一起头测量精度的问题，无论我们怎么测量都发现早期的宇宙物质分布是完美平均的，全天空温度都在2.725K，这就让人百思不解！要知道一个完全平均的宇宙是不会形当作任何物质布局的。

直到在20宿世纪90年月，我们才微波辐射中有些区域的密度比平均密度高，有些区域的密度比平均密度低，这就是上文所说的细小的密度波动，大约相差80-90微开尔文。也就是说宇宙早期长短常很是平均的，只跟完美平均相差了0.003%摆布。

上图就是普朗克卫星对微波辐射温度细小波动的具体测量，这些不动在各个位置和标准上都是一致的，所以当今的宇宙分布在大标准上也是一致的，简单的说，早期宇宙布局的种子是一致的，结出来的果实必定也是一致的。

上图中红色的“热点”就是密度小的处所，蓝色的“冷点”就是密度大的处所，而密度大的处所在将来就会在引力的感化下形当作恒星和星系，密度小的必定就对应着宇宙浮泛。宇宙布局的形当作需要这些不完美的密度波动。

这一点很好理解，若是宇宙真的是那种完美平均的分布，遍地的引力都是相等的，那么就不会有任何一个区域会吸引到更多的物质，引力不增加恒星必定就无法形当作。若是存在密度的不平均，跟着时候的推移，引力吸积物质，宇宙在5000万到1亿年间就会发生第一批恒星，数亿年后星系就形当作了，到5亿年得时辰，宇宙就会形当作更多的恒星和星系，高能辐射从头电离宇宙中的中性气体，可见光就可以在宇宙中自由的穿梭。数十亿年后，我们就看到今天宇宙的模样。

那么宇宙一起头的密度涨落是咋来的？

有没有可能缔造出一个没有任何密度波动的宇宙？也就是一个完美平均的宇宙？总的来说，如果以今朝宇宙降生的体例缔造宇宙，就不会存在一个没有密度波动的宇宙。我们知道宇宙降生于炽热的大爆炸，在这个期间，宇宙中布满了高温、高密度的物质、反物质和辐射。

而热大爆炸的状况自于宇宙暴涨竣事后，真空能量转化为物质和辐射，可是真空能量自己就存在量子波动，并在暴涨时代被拉伸到了整个宇宙中！而真空能量的波动就是最后物质密度波动的根源。

若是宇宙自己有一个暴涨的发源阶段，而且遵循我们所知的物理定律，就必然会存在波动，导致形当作密渡过高和密渡过低的区域。

可是是什么决议了波动的巨细呢？它可以再小一些吗？

谜底是必定的！

若是通货膨胀发生在较低的能量标准上，或者暴涨的性质与我们宇宙降生时的性质完全分歧，那么这些密度波动可能会小得多。不仅可以小十倍，还可以小100倍、1000倍、100倍、10亿倍甚至更小！

可是宇宙最初的密度波动很是主要，因为宇宙布局的形当作需要很长的时候。在我们的宇宙中，从最初的波动到微波布景辐射的发出需要几十万年的时候。从宇宙微波布景辐射到万有引力促当作第一批恒星的形当作，大约需要1亿年的时候。

从第一批恒星到一个暗能量本家儿导的宇宙只需要78亿年，这个关头，因为暗能量本家儿导宇宙今后，引力就在更大的标准上掉去了感化，并且在暗能量导致宇宙加快膨胀之前，还没有被引力束厄局促在一路形当作的布局的物质，都是加快远离对方。

这就意味着若是最初的密度波动更小，那么形当作第一批恒星的时候就会推迟，星系的形当作也会推迟，宇宙的布局就会发生很大的转变。更甚者，若是密度波动很是小，有可能还没等来得及形当作第一批恒星，暗能量都导致所有物质加快远离彼此，那么宇宙中就真的什么也没有了。

那么无法形当作任何布局的最初密度波动需要多小？现实上谜底很令人震动，仅比我们宇宙拥有的波动小几百倍。也就是下图中曲线的波动值在十几，而不是几千。

若是是这样的宇宙成长到今天，不会形当作任何恒星、星系，当然我们也不会存在，其与我们现实所看到的宇宙毫无相似之处。

所以对宇宙最初密度波动的限制其实是因为暗能量的存在，若是没有暗能量，不管最初的波动有多小，只要时候足够长，物质在引力的感化下城市形当作布局。可是一个会在某个期间加快膨胀的宇宙就给宇宙物质布局的形当作带来了一种紧迫感，若是在暗能量掌控宇宙之前还没有形当作所有的布局，就再也没有机遇了。

所以，要想形当作一个我们今天看到的宇宙，平均涨落的幅度至少跨越平均密度的0.00001%，这样才会形当作一个有较着束厄局促布局的宇宙。

我们的宇宙之所以会当作为今天看到的宇宙，是因为它有特定的膨胀率和物质密度不动，若是这两个身分呈现差错，要么就会导致一个物质布局更小，甚至是没有布局的宇宙，要么宇宙就会在早期快速、疯狂的形当作更多大型布局，导致一个布满黑洞的灾难性宇宙。

要缔造出我们今天所处的宇宙，就需要一系列极其偶尔的组合，而幸运的是，我们宇宙看起来方才好！

发表于 2020-04-25 02:00
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