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宇宙的“两副面孔”:大爆炸之前发生了什么?

来源:科技日报2019-11-14 09:03

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  宇宙大爆炸和演化的示意图,图中从左到右是时间前进的方向,与时间轴垂直的维度代表宇宙持续膨胀的空间。图片来源:NASA官网

  今日视点

  本报记者 刘 霞

  宇宙从何而来?又如何变成如今这般“模样”?

  目前科学家广泛认可的故事始于约138亿年前。那时,一个密度极大的点发生暴胀,然后宇宙大爆炸开始,宇宙不断膨胀并冷却,原子核、原子,直至我们今天看到的漫天繁星等开始形成。

  尽管这个故事充满了各种戏剧性的巧合、激烈的冲突,但仍存在一个漏洞:这两个泾渭分明的时期是如何联系在一起的?几十年来,这一直是萦绕在科学家心头的一团迷雾。最近,一个国际研究团队对宇宙演化的这一关键过渡期进行了模拟,得出结论称,所谓的“再加热”过程可能是宇宙初期这两个阶段的“桥梁”,但这一过程的确凿证据仍有待进一步寻觅。

  宇宙的“两副面孔”:暴胀和大爆炸

  提起宇宙的起源,最著名的应该是宇宙大爆炸理论了,这一模型理论上基于爱因斯坦的广义相对论,并得到当今科学实验观测最广泛最精确的支持。

  该理论认为,我们的宇宙诞生于约138亿年前。从一个极小的致密“火球”,不断膨胀并慢慢冷却,渐渐地,我们今天看到的原子、身边的鸟语花香以及漫天闪烁的恒星和星系得以形成。

  不过,现在物理学界普遍认为,在大爆炸发生之前,还发生过宇宙暴胀。宇宙暴胀理论由日本的佐藤胜彦博士和美国的阿兰·哈维·古斯博士提出。该理论认为,宇宙诞生之初,在不到万亿分之一秒内,宇宙从几乎无限小的点暴增了1027倍。随后,宇宙发生了大爆炸,并逐渐演变成了今天的“模样”。

  四处乱撞的粒子将宇宙“再加热”

  那么,宇宙如何能在如此短暂的时间内迅速“变脸”——从暴胀时期过渡到大爆炸时期?这两个时期之间有何关联呢?

  据美国趣味科学网站报道,为解决这一宇宙的演化难题,来自美国凯尼恩学院、麻省理工学院(MIT)和荷兰莱顿大学的研究人员模拟了宇宙暴胀与宇宙大爆炸之间的关键过渡时期——“再加热”时期。

  在他们的模型中,研究主要作者雷切尔·阮及同事模拟了被称为“暴胀子”(inflatons)的物质形式的行为。他们认为,假想的“暴胀子”本质上类似于希格斯玻色子,创造了推动宇宙暴胀的能量场。在适当的条件下,“暴胀子”的能量可以被有效地重新分配,从而产生使宇宙重新加热所需的各种粒子。

  研究人员之一、麻省理工学院物理学教授戴维·凯泽表示:“宇宙暴胀后的再加热时期为大爆炸创造了条件,从某种意义上说,将‘大爆炸’置于宇宙大爆炸之中。在这个过渡时期,宇宙翻江倒海,一切都乱作一团,物质的表现形式非常复杂。”

  雷切尔则解释说,在宇宙暴胀时期,所有物质四处散落,使宇宙成为一个寒冷而空旷的地方,缺乏点燃宇宙大爆炸所需的“粒子热汤”。而在“再加热”时期,推动宇宙暴胀的能量发生衰变,“摇身一变”成为粒子。

  雷切尔说:“这些粒子一旦诞生,就会四处乱撞且相互撞击,传递动量和能量,正是这种能量将冰冷的宇宙再次加热,为宇宙大爆炸奠定了基础。”

  引力波中或潜伏关键证据

  那么,最新模拟除了指出“再加热”过程是宇宙暴胀和大爆炸之间的桥梁外,还能给我们提供哪些启示呢?

  研究的合作者、凯尼恩学院物理学副教授汤姆·吉布林说:“从寒冷的暴胀时期到炽热的大爆炸时期,应该蕴藏着哪些粒子可以在如此高的能量状态下存在的关键证据。”

  此外,在宇宙暴胀时期的极端能量状态下,引力的“行为举止”是怎样的?这一基本问题也一直让物理学家们“辗转反侧”。

  爱因斯坦的广义相对论认为,引力对所有物质“一视同仁”,与粒子能量无关。但科学家们认为,由于量子力学,在极高能量状态下,物质对引力的反应会有所不同。

  哪个观点是正确的?研究团队调整了粒子与引力的相互作用强度,将上述假设纳入模型中。结果发现,引力增加越多,“暴胀子”传递能量生成大爆炸期间出现的热物质粒子的效率就越高。

  现在,研究人员需要寻找证据来支持这一模型。

  吉布林说:“我们使用模拟来预测宇宙的‘模样’,这个再加热时期应该在宇宙中某个地方留下了印记,我们要做的就是找到它。”

  但找到这个印记可能并非易事。研究人员称,对宇宙最早的“惊鸿一瞥”源自宇宙微波背景辐射(CMB)——产生于宇宙大约38万岁时的电磁波辐射一直在宇宙中传播,它们的“余晖”就是今天我们看到的宇宙微波背景辐射。但吉布林表示,CMB只保留了宇宙诞生初期的样貌,希望未来的引力波观测能提供最终线索。

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