宇宙暴胀的新机制
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你们可能都知道，宇宙暴胀是指宇宙在最初的一瞬间，以超过光速的速度指数级地膨胀了很多很多倍。这个过程可以解释一些宇宙观测的奇怪现象，比如为什么宇宙看起来是均匀的，为什么宇宙的几何形状是平坦的，以及宇宙中的物质和辐射是怎么产生的。 但是，宇宙暴胀是怎么发生的呢？我们需要什么样的物理理论来描述它呢？这是一个很难回答的问题，因为我们没有直接观测到宇宙暴胀的时期，也没有能够复现宇宙暴胀的实验。我们只能依靠理论推测和间接的证据来猜测宇宙暴胀的原因。 目前，最流行的理论是引入一个叫做暴胀子场的标量场，它是一种类似于电磁场或引力场的物理量，可以在空间和时间上变化。暴胀子场有一个特殊的性质，就是它有一个潜在的能量，这个能量不随着暴胀子场的变化而变化，而是保持一个恒定的值。这个恒定的能量就相当于一个宇宙常数，它可以产生一个反向的引力，使得宇宙加速膨胀。当暴胀子场从一个高能量的状态滚落到一个低能量的状态时，宇宙暴胀就结束了，而暴胀子场的能量就转化为了宇宙中的物质和辐射。
这个理论听起来很漂亮，但是它有一个很大的问题，就是它需要对暴胀子场的潜能函数做一些非常精细的调节，才能使得宇宙暴胀的结果符合我们的观测。这个调节是很不自然的，因为我们没有任何理由认为暴胀子场的潜能函数就是这个特定的形式。而且，这个理论也没有告诉我们暴胀子场是从哪里来的，它是什么东西，它和其他的物理场有什么关系。 所以，有些人就想，有没有可能找到一个更简单，更自然，更基本的机制来解释宇宙暴胀呢？最近，有一篇论文提出了一个这样的机制，它不需要引入任何新的物理场，而是利用了我们已经知道的电子和正电子的性质。这个机制叫做电子玻恩自能模型，或者简称为eBse模型。 电子和正电子是我们熟悉的基本粒子，它们有一个质量，一个电荷，一个自旋，还有一个半径。这个半径是什么意思呢？它不是指电子和正电子的物理大小，而是指它们的电磁相互作用的范围。当两个电子或者正电子靠得很近时，它们会感受到对方的电磁场，这个电磁场的强度和距离有关，而这个距离就是电子或者正电子的半径。这个半径的值是多少呢？根据量子电动力学的计算，它大约是10^-15米，也就是一个飞米的量级。 在宇宙的早期，当温度非常高的时候，光子会不断地转化为电子和正电子，反之亦然。这个过程叫做电子-正电子对的产生和湮灭。在这个过程中，电子和正电子的数目是不固定的，而是随着温度的变化而变化。当温度越高，电子和正电子的数目越多，反之亦然。这个数目和温度之间的关系可以用一个化学平衡的方程来描述，这个方程叫做萨哈方程。 萨哈方程告诉我们，当温度达到一个临界值的时候，电子和正电子的数目会达到一个最大值，这个最大值是由电子或者正电子的半径决定的。当温度超过这个临界值的时候，电子和正电子的数目就不再增加了，而是保持在这个最大值。这个临界值就是玻恩温度，它大约是10^17开尔文，也就是一个亿亿度。 当温度高于玻恩温度的时候，电子和正电子的数目就不再和温度保持平衡了，而是变成了一个非平衡的状态。这个状态就像一个玻璃一样，它是一个亚稳的状态，它没有达到最低的能量，但是也没有足够的能量来跳出这个状态。这个状态的能量密度是一个恒定的值，它不随着温度的变化而变化，而是保持在一个很高的值。这个值就是玻恩能量密度，它大约是10^50焦耳每立方米。 这个玻恩能量密度就是导致宇宙暴胀的原因。它相当于一个宇宙常数，它可以产生一个反向的引力，使得宇宙加速膨胀。当温度高于玻恩温度的时候，宇宙就处于一个玻璃相，它以指数级的速度暴胀。当温度低于玻恩温度的时候，宇宙就恢复了电子-正电子对的平衡，玻恩能量密度就消失了，宇宙暴胀就结束了，而玻恩能量密度就转化为了宇宙中的物质和辐射。 这个模型的优点是它非常简单，它不需要引入任何新的物理场，也不需要对任何参数做精细的调节，它只用了我们已经知道的电子和正电子的性质。这个模型还可以解释一些宇宙观测的结果，比如宇宙的平坦性，宇宙的密度扰动，宇宙的重子丰度，宇宙的暗物质和暗能量等等。这个模型还可以和其他的物理理论相一致，比如广义相对论、量子力学、量子场论等等。 这个模型的缺点是它还没有得到实验的验证，它还需要更多的理论和观测的支持，才能成为一个可靠的宇宙暴胀的机制。这个模型还有一些没有解决的问题，比如它是如何和标准模型的相变相联系的，它是如何和其他的暴胀子场相协调的，它是如何和引力波的产生和探测相关联的等等。 |
