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宇宙大爆炸是如何發生的?都源自這個“扭曲”的過程

2019-11-05 09:21:52  來源:環球科學

 圖片來源:Christine Daniloff, MIT, ESA/Hubble and NASA

圖片來源:Christine Daniloff, MIT, ESA/Hubble and NASA

138億年前,宇宙大爆炸拉開了宇宙演化的序幕。而在此之前,是一個短暫但更具爆發性的階段:宇宙暴脹。宇宙大爆炸是如何發生的?在這兩個階段之間,最初的宇宙又經歷了什么?現在,這些物理學家似乎在實驗室中找到了答案。

根據宇宙大爆炸理論,大約138億年前,一個無限小但密度無限大的“火球”爆炸,火球中的物質在膨脹過程中逐漸冷卻下來,通過各種反應,形成了今天由恒星、星系以及各種物質組成的復雜宇宙。

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

物理學家相信,就在大爆炸導致宇宙不斷膨脹之前,存在另一個更具爆發性的階段:宇宙暴脹(cosmic inflation)。這個過程持續的時間不超過一萬億分之一秒,這時低溫、均勻的粘稠物質呈指數暴脹。隨后,大爆炸發生了。嬰兒期的宇宙以相對緩慢的速度擴張,形成了更加多樣化的宇宙。

最近的一些觀測分別支持了大爆炸和宇宙暴脹理論。但由于這兩個過程之間的根本差異,物理學家始終無法證實,這兩個過程的銜接是如何實現的。

現在,來自麻省理工學院、凱尼恩學院等研究機構的物理學家在一項發表于《物理學評論快報》的研究中,全面模擬了早期宇宙的中間狀態。這個被稱為“再加熱”(reheating)的中間狀態在暴脹階段的末期出現,可能連接了宇宙暴脹和大爆炸過程。他們認為在再加熱過程中,宇宙暴脹產生的低溫、均勻的產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,為宇宙大爆炸創造了條件。在某種意義上,它還為大爆炸準備了‘炸藥’,”麻省理工學院的物理學教授David Kaiser指出,“在這個過渡階段,物質開始分散開,其運動方式也變得復雜起來。”

Kaiser和同事詳細模擬了在暴脹末期的混沌時期,多種形態的物質間的相互作用。他們的模擬結果顯示,引發了暴脹的強大能量可能在非常短的時間內被重新分配,產生大爆炸所需的條件。

研究團隊發現,如果在極高能量的條件下,量子效應改變引力對物質的作用,會使上述能量的轉變更快、更高效。但這偏離了愛因斯坦的廣義相對論所預測的物質與引力的作用方式。

“這項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,“根據已有的物理學研究,我們可以追溯完整的宇宙演化過程。可以說,這是一種形成今天的宇宙的可能方式。”

打破共振

20世紀80年代,麻省理工學院的物理學教授Alan Guth最先提出了宇宙暴脹理論。該理論預言宇宙始于一個極小的,相當于千億分之一質子大小的點。這個點中充滿了超高能量的物質。極高的能量使得內部的壓力產生了暴脹的驅動力——斥力。這種斥力對嬰兒期宇宙的作用,如同點燃導火索的火花,使得宇宙加速膨脹,在萬億分之一秒內膨脹至原始體積的1026倍。

共振

Kaiser和同事設法在實驗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是。一種占主導地位的高能物質在空間中,以與自身同步的方式有規律地來回振動,并爆發性地產生了大量的新粒子,”Kaiser指出,“這種行為不會持續太久,一旦它開始向第二種物質形式傳遞能量,它在空間中的擺動就會變得起伏不定。我們想通過模擬測定,這種共振效應被打破、產生的大量粒子散開并達到熱平衡的大爆炸狀態,需要多長時間。”

計算機模擬的結果呈現在一個巨大的網格上。研究人員追蹤了在不同條件下,網格上不同物質的能量與分布如何隨時間改變。模擬的初始條件基于一個特定的模型——一套對宇宙暴脹期間物質分布的預測。

科學家在眾多候選模型中選擇了這種特定的膨脹模型,因為其預測結果與對宇宙微波背景輻射的測量結果高度契合。宇宙微波背景輻射是在大爆炸僅僅38萬年后的輻射余暉,因此科學家認為其中包含了暴脹期的痕跡。

宇宙的扭曲

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

在運行模擬程序之前,研究團隊在該模型對引力的描述中加入了輕微的“扭曲”。盡管引力對普通物質的作用遵循廣義相對論的預測,但對于更高能的物質,比如被認為在宇宙暴脹時期存在過的物質,情況有些許不同。它們受引力作用的方式受到了量子力學修正。

根據廣義相對論,引力的強度是一個常數,這被物理學家稱為最小耦合。這意味著無論某種特定粒子的能量高低,引力對其作用的強度遵循一個常量。

然而,在宇宙暴脹預言的極高能條件下,物質與引力的相互作用更加復雜一些。根據量子力學效應預測,作用于極高能物質時,引力的大小會在時空中發生變化。這種現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,并觀測了當他們將這種量子效應正向或反向作用時,物質和能量分布的變化。

最終他們發現,量子修正的引力效應影響越顯著,大爆炸中低溫均勻的物質向熾熱、多樣的物質轉化的速度就越快。

通過調整這種量子效應,他們可以使這種關鍵變化持續2~3個“e-folds”(e-fold指宇宙膨脹約兩倍所需的時間)。亦即,他們在2~3個e-folds的時間內模擬了再加熱階段。作為對比,暴脹本身持續約60個e-folds的時間。

“再加熱是一個瘋狂的時期,一切都走向了失控,”Kaiser描述道,“我們的結果說明,再加熱時期物質之間的相互作用是如此之強,而這樣的作用退散的速度也很快,這為宇宙大爆炸創造了完美的舞臺。我們之前沒有預測到這樣的結果,但這正是基于已有物理知識的模擬所展現的。這對我們來說是令人激動的。”

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