宇宙的模样——宇宙大爆炸

宇宙的模样——宇宙大爆炸

探索·发现

狄基没有能够与彭齐亚斯和威尔逊一起获得诺贝尔奖，这让很多人感到遗憾，但他却并没有停留(图1)。

（1）提出了有关宇宙形状问题的狄基

在康奈尔大学的演讲中，他提出了一个关于宇宙学的问题，这个问题跟宇宙空间的几何形状有关。

根据广义相对论，充满物质的四维时空是弯曲的，但其中三维空间的几何形状，则有几种不同的可能性。爱因斯坦曾认为宇宙空间是球形的；弗里德曼则提出过双曲形的宇宙；介于两者之间的是平直空间。我们生活的宇宙究竟是哪一种几何形状呢？

密度与形状

宇宙的几何形状与宇宙空间里面物质的多少有关。宇宙里不同地方的密度是不一样的，比如地球的密度是每立方米5.5吨，但是宇宙总体的平均密度比这小得多。

根据爱因斯坦的广义相对论方程，定义出了临界密度的概念。如果宇宙空间中物质的平均密度等于临界密度，那么宇宙空间就是我们所熟悉的平直空间;如果大于临界密度，宇宙空间就是封闭的球形；如果小于临界密度，宇宙空间就应该是开放的双曲形（图2）。临界密度的数值，究竟是多少呢？

（2）临界密度（ 0）与宇宙空间形状示意图

当时人们还不能精确测量宇宙的密度，但是知道它与临界密度属于同一个数量级，也就是说相差不会超过几倍。狄基认为，这里有个奇怪之处：

如果宇宙的物质密度不是正好等于临界密度的话，随着宇宙的膨胀，它会离临界密度越来越远，或者远远大于临界密度，或者远远小于临界密度。可是实际上，即使以当时的观测精度，人们也知道物质密度与临界密度相差不会太远，最多只差几倍。

狄基指出，这意味着在大爆炸后的一秒钟，宇宙物质密度与临界密度相差不超过一百万亿分之一，否则今天的宇宙密度就会远远偏离临界密度。

这个奇怪的现象怎样解释呢？狄基提出了问题，但他自己也无法回答。这个问题像一颗种子，埋进了古思的心里。

暴胀与密度

20世纪的70年代，粒子物理学的发展如日中天。许多粒子物理学家对宇宙学产生了浓厚的兴趣。在听了狄基的报告后不久，古思开始和华裔物理学家戴自海合作，研究宇宙大爆炸中磁单极产生的问题（图3）。

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