北京時(shí)間12月3日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，宇宙大爆炸理論稱，大約138億年前，宇宙發(fā)生了一場(chǎng)大爆炸；由一個(gè)體積無(wú)限小，無(wú)比致密的奇點(diǎn)狀態(tài)，開始膨脹、冷卻，并引發(fā)一系列反應(yīng)，造就了第一批恒星和星系，以及今天我們見到的所有物質(zhì)形式。
▲宇宙大爆炸示意圖
物理學(xué)家相信，就在大爆炸將宇宙推向不斷膨脹的軌道之前，早期宇宙還經(jīng)歷了宇宙暴脹的階段，其持續(xù)時(shí)間不到萬(wàn)億分之一秒。在暴脹期間，低溫、均勻的粘稠狀物質(zhì)以指數(shù)級(jí)的速度膨脹，隨后大爆炸繼續(xù)進(jìn)行，宇宙以更慢的速度膨脹，并形成初期宇宙。
近年來一些獨(dú)立的觀測(cè)結(jié)果支持了大爆炸和宇宙暴脹的理論。但是，這兩個(gè)過程是如此的截然不同，以至于科學(xué)家一直難以理解它們是如何先后發(fā)生的。
近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院、凱尼恩學(xué)院和其他研究機(jī)構(gòu)的物理學(xué)家詳細(xì)模擬了早期宇宙的一個(gè)中間階段，而這個(gè)階段可能連接了宇宙暴脹和大爆炸。研究人員將這一階段稱為“再加熱”，發(fā)生在宇宙暴脹的末期，其過程是將已經(jīng)膨脹的低溫、均勻物質(zhì)轉(zhuǎn)變成溫度超高且成分復(fù)雜的“湯”，為大爆炸的開始做好準(zhǔn)備。
“暴脹后的再加熱時(shí)期為大爆炸創(chuàng)造了條件，在某種意義上，這使‘大爆炸’變得名副其實(shí)，”麻省理工學(xué)院的科學(xué)史和物理學(xué)教授大衛(wèi)·凱澤（David Kaiser）說，“正是在這個(gè)橋梁時(shí)期，一切都開始松動(dòng)，物質(zhì)的行為變得非常復(fù)雜。”
凱澤和他的同事詳細(xì)模擬了在暴脹末期的這場(chǎng)混亂中，多種形式的物質(zhì)是如何相互作用的。他們的模擬顯示，推動(dòng)暴脹的極端能量以同樣快的速度在更短的時(shí)間內(nèi)重新分布，并以某種方式產(chǎn)生了大爆炸開始所需的條件。
研究人員發(fā)現(xiàn)，如果量子效應(yīng)改變了物質(zhì)在極高能量下對(duì)引力的反應(yīng)方式，偏離了愛因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的物質(zhì)和引力的相互作用方式，那么這種極端的轉(zhuǎn)變將會(huì)更快、更有效?！斑@使我們能夠講述一個(gè)完整的故事，從暴脹到后暴脹時(shí)期，再到宇宙大爆炸，甚至更遠(yuǎn)以后，”凱澤說，“我們可以追蹤一系列連續(xù)的過程，所有這些過程都是已知的物理過程。我們可以說，這是一種合理的方式，讓宇宙呈現(xiàn)出今天所看到的樣子?！?/p>
“與自身同步”
20世紀(jì)80年代，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)教授艾倫·古思（Alan Guth）首次提出了宇宙暴脹理論。該理論預(yù)測(cè)，宇宙最初是一個(gè)極其微小的物質(zhì)點(diǎn)，可能只有質(zhì)子的1000億分之一大小。這?！拔m”充滿了超高能的物質(zhì)，其能量如此之大，以至于內(nèi)部的壓力產(chǎn)生了一種排斥性引力——這就是暴脹背后的驅(qū)動(dòng)力。就像引信上的火花一樣，這種引力以前所未有的速度使新生的宇宙向外爆炸，在不到一萬(wàn)億分之一秒的時(shí)間內(nèi)，將宇宙膨脹到接近原始大小的10^25倍（1后面有26個(gè)0）。
凱澤和同事們?cè)噲D弄清楚再加熱的最初階段——宇宙暴脹末期和大爆炸之前的過渡階段——可能發(fā)生了什么?！霸偌訜岬淖畛蹼A段應(yīng)該用共振態(tài)來標(biāo)記。一種高能物質(zhì)占據(jù)了主導(dǎo)地位，它在廣闊的空間中與自身同步來回?cái)[動(dòng)，導(dǎo)致新粒子的爆發(fā)，”凱澤說，“這種行為不會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去，一旦它開始將能量轉(zhuǎn)移到另一種形式的物質(zhì)上，它自身的波動(dòng)將在空間中變得更加起伏不定。我們想要測(cè)量的是，這種共振效應(yīng)需要多長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)破裂，產(chǎn)生的粒子才會(huì)彼此分散，并達(dá)到某種熱平衡，類似于大爆炸的情況?！?/p>
計(jì)算機(jī)模擬顯示了一個(gè)大的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，他們?cè)谏厦胬L制了多種物質(zhì)形式，并追蹤了它們的能量和分布如何隨著某些條件的改變而在空間和時(shí)間上發(fā)生變化。模擬的初始條件基于一個(gè)特定的暴脹模型，即一組關(guān)于早期宇宙物質(zhì)在暴脹期間可能如何分布的預(yù)測(cè)。
科學(xué)家之所以選擇這種特定的膨脹模型，是因?yàn)樗念A(yù)測(cè)與宇宙微波背景的高精度測(cè)量結(jié)果非常吻合。宇宙微波背景是宇宙大爆炸38萬(wàn)年后發(fā)出的輻射殘余，人們認(rèn)為其包含了暴脹時(shí)期的痕跡。
對(duì)引力效應(yīng)的調(diào)整
該模擬跟蹤了兩種可能在暴脹期間占主導(dǎo)地位的物質(zhì)的行為，與最近在其他實(shí)驗(yàn)中觀察到的一種粒子——希格斯玻色子——非常相似。
在進(jìn)行模擬之前，研究小組對(duì)模型的引力描述進(jìn)行了微調(diào)。我們今天看到的常規(guī)物質(zhì)，會(huì)以愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的方式響應(yīng)引力；具有更高能量的物質(zhì)，如可能存在于暴脹期間的物質(zhì)，其行為應(yīng)當(dāng)有所不同。它們與引力相互作用的方式可能受到量子力學(xué)影響，或在原子尺度相互作用。
在愛因斯坦的廣義相對(duì)論中，引力的強(qiáng)度表示為一個(gè)常數(shù)，物理學(xué)家稱之為“最小耦合”，意思是無(wú)論一個(gè)特定粒子的能量如何，它都會(huì)以一個(gè)通用常數(shù)設(shè)定的強(qiáng)度對(duì)引力效應(yīng)做出反應(yīng)。
然而，宇宙暴脹預(yù)測(cè)的高能量下，物質(zhì)與引力的相互作用以稍微復(fù)雜一點(diǎn)的方式進(jìn)行。量子力學(xué)效應(yīng)預(yù)測(cè)，當(dāng)與超高能物質(zhì)相互作用時(shí)，引力的強(qiáng)度在空間和時(shí)間上會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為“非最小耦合”。
凱澤和同事們將一個(gè)非最小耦合項(xiàng)納入了暴脹模型，并觀察了物質(zhì)和能量的分布如何隨著量子效應(yīng)的上升或下降而變化。
最后，他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過量子力學(xué)修正的引力效應(yīng)對(duì)物質(zhì)的影響越強(qiáng)，宇宙從低溫、均勻的暴脹物質(zhì)過渡到更熱、更多樣的大爆炸特有物質(zhì)的速度就越快。通過調(diào)整這個(gè)量子效應(yīng)，他們可以使這個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變發(fā)生在2到3“e-fold”時(shí)。e-fold指的是宇宙（大約）膨脹3倍所需的時(shí)間。在這種情況下，他們成功模擬了宇宙膨脹到2至3倍的時(shí)間內(nèi)再加熱的過程。相比之下，暴脹本身發(fā)生在約60 e-fold時(shí)。
“再加熱是一個(gè)瘋狂的時(shí)期，一切都亂了套，”凱澤說，“我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)物質(zhì)的相互作用是如此強(qiáng)烈，以至于它可以相應(yīng)地迅速‘放松’下來，為大爆炸創(chuàng)造了合適的條件。我們不知道實(shí)際是不是這樣，但這是從模擬中得出的結(jié)論，采用的都是已知的物理學(xué)。這就是讓我們興奮的地方。”
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