你可能知道,宇宙膨胀是指宇宙在第一瞬间以比光速快很多倍的速度呈指数级膨胀。 这个过程可以解释宇宙中观察到的一些奇怪现象,例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如何产生的。
但是宇宙膨胀是如何发生的呢?我们需要什么样的物理理论来描述它?这是一个很难回答的问题,因为我们没有直接观察到宇宙膨胀的时期,也没有实验能够再现宇宙膨胀。 我们只能依靠理论推测和间接证据来猜测宇宙膨胀的原因。
目前,最流行的理论是引入一种称为暴胀子场的标量场,这是一个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,即它有一个潜能,它不随暴胀子场的变化而变化,而是保持一个恒定的值。 这个恒定的能量相当于一个宇宙学常数,它可以产生反向引力,导致宇宙以加速的速度膨胀。 当暴胀子场从高能态下降到低能态时,宇宙暴胀就结束了,暴胀子场的能量在宇宙中转化为物质和辐射。
这个理论听起来很美,但它有一个很大的问题,那就是它需要对暴胀子场的潜在函数进行一些非常精细的调整,以使宇宙暴胀的结果符合我们的观测。 这种调制是不自然的,因为我们没有理由认为膨胀子场的效价函数就是这种特殊形式。 此外,这个理论并没有告诉我们暴胀子场从何而来,它是什么,以及它与其他物理学有什么关系。
所以,有人想知道,有没有可能找到一个更简单、更自然、更根本的机制来解释宇宙的膨胀?最近,提出了一种这样的机制,它不需要引入任何新的物理学,而是利用我们已经知道的电子和正电子的性质。 这种机制被称为电子自能模型,简称EBSE模型。
电子和正电子是我们熟悉的基本粒子,它们具有质量、电荷、自旋和半径。 这个半径是什么意思?它不是指电子和正电子的物理尺寸,而是指它们电磁相互作用的程度。 当两个电子或正电子靠得很近时,它们会感觉到对方的电磁场,而这个电磁场的强弱与距离有关,这个距离就是电子或正电子的半径。 这个半径的值是多少?根据量子电动力学计算,它大约是10-15米,大约是一个飞米。
在宇宙的早期,当温度非常高时,光子不断转化为电子和正电子,反之亦然。 这个过程称为电子-正电子对的产生和湮灭。 在这个过程中,电子和正电子的数量不是固定的,而是随着温度的变化而变化的。 当温度较高时,电子和正电子的数量增加,反之亦然。 这个数字和温度之间的关系可以用化学平衡方程来描述,称为萨哈方程。
萨哈方程告诉我们,当温度达到临界值时,电子和正电子的数量达到最大值,这是由电子或正电子的半径决定的。 当温度超过这个临界值时,电子和正电子的数量不再增加,而是保持在这个最大值。 这个临界值是出生温度,大约是 10 17 开尔文,也就是 1 亿摄氏度。
当温度高于Born时,电子和正电子的数量不再与温度处于平衡状态,而是成为非平衡状态。 这种状态就像玻璃一样,它是一种亚稳态,它没有达到最低的能量,但它也没有足够的能量跳出这种状态。 这种状态的能量密度是一个恒定值,不随温度变化,但保持在一个非常高的值。 该值是 Born 能量密度,约为每立方米 10 50 焦耳。
这种天生的能量密度是导致宇宙膨胀的原因。 它相当于一个宇宙学常数,可以产生反向引力,使宇宙加速膨胀。 当温度高于出生时,宇宙处于玻璃相,以指数速度膨胀。 当温度低于Born温度时,宇宙恢复电子-正电子对的平衡,Born能量密度消失,宇宙膨胀结束,Born能量密度在宇宙中转化为物质和辐射。
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学,也不需要对任何参数进行微调,它只使用我们已经知道的电子和正电子的性质。 该模型还可以解释一些宇宙观测的结果,如宇宙的平坦度、宇宙的密度扰动、宇宙中重子的丰度、宇宙的暗物质和暗能量等。 该模型也可以与其他物理理论保持一致,例如广义相对论、量子力学、量子场论等。
该模型的缺点是尚未经过实验验证,需要更多的理论和观测支持才能成为可靠的宇宙膨胀机制。 该模型还存在一些未解决的问题,例如它与标准模型的相变的关系,与其他暴胀子场的关系,与引力波的产生和探测的关系,等等。