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圖片來(lái)源：Christine Daniloff, MIT, ESA/Hubble and NASA

撰文 | Jennifer Chu

編譯 | 朱奕寧

審校 | 羅廣楨 吳非

根據(jù)宇宙大爆炸理論，大約138億年前，一個(gè)無(wú)限小但密度無(wú)限大的“火球”爆炸，火球中的物質(zhì)在膨脹過(guò)程中逐漸冷卻下來(lái)，通過(guò)各種反應(yīng)，形成了今天由恒星、星系以及各種物質(zhì)組成的復(fù)雜宇宙。

這段文字描述的，是我們熟悉的宇宙誕生圖景。但在此之前，又是什么過(guò)程導(dǎo)致了大爆炸的出現(xiàn)？

物理學(xué)家相信，就在大爆炸導(dǎo)致宇宙不斷膨脹之前，存在另一個(gè)更具爆發(fā)性的階段：宇宙暴脹（cosmic inflation）。這個(gè)過(guò)程持續(xù)的時(shí)間不超過(guò)一萬(wàn)億分之一秒，這時(shí)低溫、均勻的粘稠物質(zhì)呈指數(shù)暴脹。隨后，大爆炸發(fā)生了。嬰兒期的宇宙以相對(duì)緩慢的速度擴(kuò)張，形成了更加多樣化的宇宙。

最近的一些觀測(cè)分別支持了大爆炸和宇宙暴脹理論。但由于這兩個(gè)過(guò)程之間的根本差異，物理學(xué)家始終無(wú)法證實(shí)，這兩個(gè)過(guò)程的銜接是如何實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)在，來(lái)自麻省理工學(xué)院、凱尼恩學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)的物理學(xué)家在一項(xiàng)發(fā)表于《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》的研究中，全面模擬了早期宇宙的中間狀態(tài)。這個(gè)被稱為“再加熱”（reheating）的中間狀態(tài)在暴脹階段的末期出現(xiàn)，可能連接了宇宙暴脹和大爆炸過(guò)程。他們認(rèn)為在再加熱過(guò)程中，宇宙暴脹產(chǎn)生的低溫、均勻的產(chǎn)物被攪成了一鍋熾熱混沌的“湯”，而這正是宇宙大爆炸的開端。

“暴脹后的再加熱階段，為宇宙大爆炸創(chuàng)造了條件。在某種意義上，它還為大爆炸準(zhǔn)備了‘炸藥’，”麻省理工學(xué)院的物理學(xué)教授David Kaiser指出，“在這個(gè)過(guò)渡階段，物質(zhì)開始分散開，其運(yùn)動(dòng)方式也變得復(fù)雜起來(lái)?！?/span>

Kaiser和同事詳細(xì)模擬了在暴脹末期的混沌時(shí)期，多種形態(tài)的物質(zhì)間的相互作用。他們的模擬結(jié)果顯示，引發(fā)了暴脹的強(qiáng)大能量可能在非常短的時(shí)間內(nèi)被重新分配，產(chǎn)生大爆炸所需的條件。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果在極高能量的條件下，量子效應(yīng)改變引力對(duì)物質(zhì)的作用，會(huì)使上述能量的轉(zhuǎn)變更快、更高效。但這偏離了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的物質(zhì)與引力的作用方式。

“這項(xiàng)研究讓我們可以敘述從宇宙暴脹到大爆炸再到后期宇宙演化的完整圖景，” Kaiser稱，“根據(jù)已有的物理學(xué)研究，我們可以追溯完整的宇宙演化過(guò)程?？梢哉f(shuō)，這是一種形成今天的宇宙的可能方式?！?/span>

20世紀(jì)80年代，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)教授Alan Guth最先提出了宇宙暴脹理論。該理論預(yù)言宇宙始于一個(gè)極小的，相當(dāng)于千億分之一質(zhì)子大小的點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)中充滿了超高能量的物質(zhì)。極高的能量使得內(nèi)部的壓力產(chǎn)生了暴脹的驅(qū)動(dòng)力——斥力。這種斥力對(duì)嬰兒期宇宙的作用，如同點(diǎn)燃導(dǎo)火索的火花，使得宇宙加速膨脹，在萬(wàn)億分之一秒內(nèi)膨脹至原始體積的10²⁶倍。

Kaiser和同事設(shè)法在實(shí)驗(yàn)室中模擬出了再加熱階段初期的可能狀貌。“再加熱階段初期的特點(diǎn)是共振。一種占主導(dǎo)地位的高能物質(zhì)在空間中，以與自身同步的方式有規(guī)律地來(lái)回振動(dòng)，并爆發(fā)性地產(chǎn)生了大量的新粒子，”Kaiser指出，“這種行為不會(huì)持續(xù)太久，一旦它開始向第二種物質(zhì)形式傳遞能量，它在空間中的擺動(dòng)就會(huì)變得起伏不定。我們想通過(guò)模擬測(cè)定，這種共振效應(yīng)被打破、產(chǎn)生的大量粒子散開并達(dá)到熱平衡的大爆炸狀態(tài)，需要多長(zhǎng)時(shí)間?！?/span>

計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果呈現(xiàn)在一個(gè)巨大的網(wǎng)格上。研究人員追蹤了在不同條件下，網(wǎng)格上不同物質(zhì)的能量與分布如何隨時(shí)間改變。模擬的初始條件基于一個(gè)特定的模型——一套對(duì)宇宙暴脹期間物質(zhì)分布的預(yù)測(cè)。

科學(xué)家在眾多候選模型中選擇了這種特定的膨脹模型，因?yàn)?strong>其預(yù)測(cè)結(jié)果與對(duì)宇宙微波背景輻射的測(cè)量結(jié)果高度契合。宇宙微波背景輻射是在大爆炸僅僅38萬(wàn)年后的輻射余暉，因此科學(xué)家認(rèn)為其中包含了暴脹期的痕跡。

該模擬追蹤了兩種可能在暴脹中起支配作用的物質(zhì)的表現(xiàn)，它們非常類似于幾年前發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。

在運(yùn)行模擬程序之前，研究團(tuán)隊(duì)在該模型對(duì)引力的描述中加入了輕微的“扭曲”。盡管引力對(duì)普通物質(zhì)的作用遵循廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)，但對(duì)于更高能的物質(zhì)，比如被認(rèn)為在宇宙暴脹時(shí)期存在過(guò)的物質(zhì)，情況有些許不同。它們受引力作用的方式受到了量子力學(xué)修正。

根據(jù)廣義相對(duì)論，引力的強(qiáng)度是一個(gè)常數(shù)，這被物理學(xué)家稱為最小耦合。這意味著無(wú)論某種特定粒子的能量高低，引力對(duì)其作用的強(qiáng)度遵循一個(gè)常量。

然而，在宇宙暴脹預(yù)言的極高能條件下，物質(zhì)與引力的相互作用更加復(fù)雜一些。根據(jù)量子力學(xué)效應(yīng)預(yù)測(cè)，作用于極高能物質(zhì)時(shí)，引力的大小會(huì)在時(shí)空中發(fā)生變化。這種現(xiàn)象被稱為非最小耦合。

Kaiser和同事在暴脹模型中包含了非最小耦合項(xiàng)，并觀測(cè)了當(dāng)他們將這種量子效應(yīng)正向或反向作用時(shí)，物質(zhì)和能量分布的變化。

最終他們發(fā)現(xiàn)，量子修正的引力效應(yīng)影響越顯著，大爆炸中低溫均勻的物質(zhì)向熾熱、多樣的物質(zhì)轉(zhuǎn)化的速度就越快。

通過(guò)調(diào)整這種量子效應(yīng)，他們可以使這種關(guān)鍵變化持續(xù)2~3個(gè)“e-folds”（e-fold指宇宙膨脹約兩倍所需的時(shí)間）。亦即，他們?cè)?~3個(gè)e-folds的時(shí)間內(nèi)模擬了再加熱階段。作為對(duì)比，暴脹本身持續(xù)約60個(gè)e-folds的時(shí)間。

“再加熱是一個(gè)瘋狂的時(shí)期，一切都走向了失控，”Kaiser描述道，“我們的結(jié)果說(shuō)明，再加熱時(shí)期物質(zhì)之間的相互作用是如此之強(qiáng)，而這樣的作用退散的速度也很快，這為宇宙大爆炸創(chuàng)造了完美的舞臺(tái)。我們之前沒(méi)有預(yù)測(cè)到這樣的結(jié)果，但這正是基于已有物理知識(shí)的模擬所展現(xiàn)的。這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是令人激動(dòng)的?！?/span>

原始論文：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.171301

原文鏈接：

http://news.mit.edu/2019/putting-bang-in-big-bang-1025?fbclid=IwAR1c1Yqdn-7JX-U_1MaQc-n0ARg83sHVCNszN6JduqsM1mFp-PwKhheyNY4