25、弦气体宇宙学：早期宇宙研究的新视角

弦气体宇宙学：早期宇宙研究的新视角

1. 暴胀宇宙学概述

在宇宙学中，哈勃参数 (H(t)) 用于描述宇宙的膨胀，其定义为 (H(t) = \frac{\dot{a}}{a})，其中 (\dot{a}) 表示尺度因子 (a) 对时间的导数。

暴胀宇宙学的时空示意图展示了其关键特征。垂直轴代表时间，暴胀阶段从时间 (t_i) 开始，持续到 (t_R)（“再加热”时间）。在 (t_R) 时刻，驱动暴胀的能量会转化为常规物质。哈勃半径 (H^{-1}(t)) 将尺度划分为两类：亚哈勃尺度，微观物理在此起主导作用，局部物理可产生涨落；超哈勃尺度，引力占主导，微观物理效应可忽略不计。在暴胀期间，固定的共动尺度（图中标记为 (k)）从微观尺度膨胀到宇宙学尺度。同时，在暴胀阶段，视界（前向光锥）会比哈勃半径呈指数级增大。

2. 弦宇宙学面临的挑战

在广义相对论的框架下，暴胀宇宙学需要一种具有足够负压力 (p)（(p < -\frac{2}{3}\rho)，其中 (\rho) 为能量密度）的新型物质。通常需要假设存在标量场物质，并且标量场的势能要在足够长的时间内主导其空间梯度和动能。然而，粒子物理学中用于自发破缺规范对称性的希格斯场，其势能不够平坦，无法维持暴胀。超越标准模型的理论，特别是基于超对称的模型，虽通常包含多个标量场，但构建可行的暴胀模型仍然十分困难。

若暴胀宇宙学在经典广义相对论与标量场物质耦合的背景下实现，初始宇宙奇点将不可避免。解决这个初始奇点问题是弦宇宙学面临的挑战之一。

暴胀期间的能量尺度由宇宙微波背景（CMB）涨落的观测振幅确定。在简单的单场暴胀模型中，能量尺度约为大统一尺度，比场论实验验证的尺度大许多数