北京時(shí)間 4 月 20 日消息，物理學(xué)家正在努力弄清宇宙剛剛誕生數(shù)秒時(shí)是什么模樣。然而，這個(gè)問題可謂極其復(fù)雜。盡管我們已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但仍有許多不明之處。從迷你黑洞到各種奇異的相互作用，嬰兒時(shí)期的宇宙可是個(gè)極盡繁忙之處。
已知信息
讓我們先來了解一下基本情況：137.7 億年前，我們的宇宙溫度極高，且體積極?。ㄖ挥幸粋€(gè)桃子那么大）。天文學(xué)家猜測(cè)，當(dāng)宇宙形成尚不足一秒時(shí)，它經(jīng)歷了一段速度極快的擴(kuò)張期，名叫“宇宙暴脹”。
▲圖為藝術(shù)家繪制的宇宙大爆炸概念圖，圖中粒子正從一個(gè)明亮的核心高速射出
宇宙暴脹也許是宇宙歷史上轉(zhuǎn)變最為激烈的一次事件。僅僅瞬息之間，宇宙的體積就發(fā)生了急劇膨脹。這段快速擴(kuò)張期平息后，一開始導(dǎo)致宇宙暴脹的事物（我們還不清楚為何物）發(fā)生了衰變，使宇宙中充滿了物質(zhì)和輻射（我們也不清楚是以何種方式做到的）。
幾分鐘后，宇宙中的第一批元素誕生了。在此之前，宇宙太過熾熱和稠密，無法形成任何穩(wěn)定物質(zhì)，僅僅是一大堆夸克（原子核的基本構(gòu)件）和膠子（強(qiáng)核力的載體）的混合物。但宇宙形成十幾分鐘后，體積已經(jīng)擴(kuò)張到了足夠大，溫度也冷卻到了足夠低，夸克才得以結(jié)合在一起，形成了第一批質(zhì)子和中子。這些質(zhì)子和中子進(jìn)而構(gòu)成了第一批氫和氦（以及少量的鋰）。又過了數(shù)億年，這些元素才進(jìn)一步構(gòu)成了第一批恒星和星系。
從這些元素的形成可以了解到，宇宙先是經(jīng)歷了擴(kuò)張和冷卻，最終形成了等離子體，隨后又轉(zhuǎn)化成了中性氣體。
雖然我們知道這個(gè)故事梗概是正確的，但也很清楚其中缺少了許多細(xì)節(jié)，尤其是第一批元素形成之前的那段時(shí)間。在宇宙剛剛形成的幾秒鐘里，也許有一些神奇的物理學(xué)在發(fā)揮作用。雖然我們目前還不了解這些理論，但并不會(huì)因此停止嘗試的腳步。
未知信息
近日，在一篇發(fā)表在預(yù)印網(wǎng)站 arXiv 上、后被 The Open Journal of Astrophysics 期刊接收的論文中，研究人員針對(duì)宇宙誕生之初的場(chǎng)景提出了一些設(shè)想。
以暗物質(zhì)為例。我們雖不知道暗物質(zhì)由何物構(gòu)成，但知道它占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的 80% 以上。對(duì)于普通物質(zhì)在宇宙中的起源過程，我們已經(jīng)有了一套站得住腳的說法；但對(duì)于暗物質(zhì)是何時(shí)、以及如何出現(xiàn)的，我們卻毫無頭緒。它們是在宇宙誕生的最初幾秒鐘里出現(xiàn)的嗎？它們干涉了第一批元素的形成過程嗎？我們都不得而知。
▲圖為以宇宙大爆炸和宇宙暴脹理論為基礎(chǔ)的宇宙時(shí)間線
然后還有宇宙暴脹的問題。我們不知道是何物為其提供了能量來源，也不清楚這起事件為何剛好持續(xù)了這么長時(shí)間，更不明白是什么最終讓它停了下來。也許宇宙暴脹的時(shí)間比我們之前假定的要久，可能持續(xù)了整整一秒鐘、而不是我們之前以為的“瞬息之間”。
此外還有梗在每位宇宙學(xué)家心頭的一根刺 —— 物質(zhì) - 反物質(zhì)不平衡。我們從實(shí)驗(yàn)中觀察到，物質(zhì)與反物質(zhì)之間有著完美的平衡關(guān)系，宇宙中通過反應(yīng)形成的每一個(gè)物質(zhì)粒子，都擁有一個(gè)對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)粒子。但縱觀宇宙，我們只能看到一堆又一堆的物質(zhì)，卻看不到一丁點(diǎn)兒反物質(zhì)。因此在宇宙剛剛誕生的幾秒鐘里，一定發(fā)生了一件大事，打破了這種平衡。但至于背后推手是誰、確切機(jī)制如何，我們還無法確定。
不僅如此，早期宇宙中也許還形成了大量小型黑洞?，F(xiàn)代宇宙（即過去 130 億年以來的宇宙）中的黑洞全部由大型恒星死亡時(shí)形成，只有這種情境下的物質(zhì)密度才能達(dá)到促成黑洞形成的關(guān)鍵閾值。但在早期宇宙中，某些位置點(diǎn)或許也達(dá)到了足夠的密度，從而跳過了整個(gè)恒星形成過程、直接激發(fā)了黑洞的誕生。不過，這些都還只是假設(shè)而已。
更進(jìn)一步
雖然我們的宇宙大爆炸理論得到了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的支持，但宇宙仍有許多未解之謎，滿足著一代又一代宇宙學(xué)家的好奇心。幸好，我們?cè)谠噲D了解宇宙之初的這起重大事件時(shí)，還不至于一無所知。
例如，就算我們無法直接觀察到剛形成幾秒鐘時(shí)的宇宙狀態(tài)，但我們可以在強(qiáng)大的粒子對(duì)撞機(jī)中重現(xiàn)這些情景。雖不完美，但至少可以讓我們對(duì)這類環(huán)境中的物理機(jī)制有一定了解。
我們還可以尋找宇宙最初幾秒鐘留存下來的線索。當(dāng)時(shí)發(fā)生的事件一定會(huì)在后續(xù)宇宙中留下印記。假如當(dāng)時(shí)暗物質(zhì)的量有所不同、或是宇宙暴脹的時(shí)間有所延長，都會(huì)對(duì)氫和氦的形成產(chǎn)生重大影響，而這兩種元素是我們?nèi)缃窨梢赃M(jìn)行測(cè)量的。
此外，宇宙在誕生 38 萬年時(shí)經(jīng)歷了從等離子體到中性氣體的轉(zhuǎn)變。當(dāng)時(shí)釋放的光線以宇宙微波背景的形式留存了下來。假如宇宙早期真的形成了許多小型黑洞，也會(huì)對(duì)這些光線造成影響。
我們甚至有望直接觀察到宇宙暴脹這一史詩級(jí)事件。只不過借助的不是光線，而是引力波。宇宙暴脹時(shí)必定產(chǎn)生了劇烈的時(shí)空漣漪，而這些漣漪就像宇宙微波背景一樣，也可以留存至今。我們目前的技術(shù)暫時(shí)無法對(duì)這些引力波進(jìn)行直接觀測(cè)，但每過一日，我們都離這一目標(biāo)更近了一步。
等到目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的那一天，我們將真的有幸一窺初生的宇宙。
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