北京時間12月3日消息，據(jù)國外媒體報道，宇宙大爆炸理論稱，大約138億年前，宇宙發(fā)生了一場大爆炸；由一個體積無限小，無比致密的奇點(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)時間不到萬億分之一秒。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)立的觀測結(jié)果支持了大爆炸和宇宙暴脹的理論。但是，這兩個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中間階段，而這個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，“正是在這個橋梁時期，一切都開始松動，物質(zhì)的行為變得非常復(fù)雜?！?/p>
凱澤和他的同事詳細(xì)模擬了在暴脹末期的這場混亂中，多種形式的物質(zhì)是如何相互作用的。他們的模擬顯示，推動暴脹的極端能量以同樣快的速度在更短的時間內(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)在極高能量下對引力的反應(yīng)方式，偏離了愛因斯坦廣義相對論所預(yù)測的物質(zhì)和引力的相互作用方式，那么這種極端的轉(zhuǎn)變將會更快、更有效?！斑@使我們能夠講述一個完整的故事，從暴脹到后暴脹時期，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，宇宙最初是一個極其微小的物質(zhì)點(diǎn)，可能只有質(zhì)子的1000億分之一大小。這粒“微塵”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，在不到一萬億分之一秒的時間內(nèi)，將宇宙膨脹到接近原始大小的10^25倍（1后面有26個0）。
凱澤和同事們試圖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。“再加熱的最初階段應(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擺動，導(dǎo)致新粒子的爆發(fā)，”凱澤說，“這種行為不會永遠(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，它自身的波動將在空間中變得更加起伏不定。我們想要測量的是，這種共振效應(yīng)需要多長時間才會破裂，產(chǎn)生的粒子才會彼此分散，并達(dá)到某種熱平衡，類似于大爆炸的情況。”
計算機(jī)模擬顯示了一個大的交錯結(jié)構(gòu)，他們在上面繪制了多種物質(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間上發(fā)生變化。模擬的初始條件基于一個特定的暴脹模型，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。
科學(xué)家之所以選擇這種特定的膨脹模型，是因為它的預(yù)測與宇宙微波背景的高精度測量結(jié)果非常吻合。宇宙微波背景是宇宙大爆炸38萬年后發(fā)出的輻射殘余，人們認(rèn)為其包含了暴脹時期的痕跡。
對引力效應(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)，會以愛因斯坦廣義相對論預(yù)測的方式響應(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論中，引力的強(qiáng)度表示為一個常數(shù)，物理學(xué)家稱之為“最小耦合”，意思是無論一個特定粒子的能量如何，它都會以一個通用常數(shù)設(shè)定的強(qiáng)度對引力效應(yīng)做出反應(yīng)。
然而，宇宙暴脹預(yù)測的高能量下，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，當(dāng)與超高能物質(zhì)相互作用時，引力的強(qiáng)度在空間和時間上會發(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非最小耦合項納入了暴脹模型，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)整這個量子效應(yīng)，他們可以使這個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變發(fā)生在2到3“e-fold”時。e-fold指的是宇宙（大約）膨脹3倍所需的時間。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。
“再加熱是一個瘋狂的時期，一切都亂了套，”凱澤說，“我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時物質(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?！?/p>
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