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宇宙的“兩副面孔”:大爆炸之前發生了什麽?

宇宙的“兩副面孔”:大爆炸之前發生了什麽?

2019年11月14日 03:38 來源:科技日報參與互動參與互動

  宇宙大爆炸之前發生了什麽?

  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。 圖片來源:NASA官网

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  本报记者 刘 霞

  宇宙從何而來?又如何變成如今這般“模樣”?

  目前科學家廣泛認可的故事始于約138億年前。那時,一個密度極大的點發生暴脹,然後宇宙大爆炸開始,宇宙不斷膨脹並冷卻,原子核、原子,直至我們今天看到的漫天繁星等開始形成。

  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,一个國際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“兩副面孔”:暴脹和大爆炸

  提起宇宙的起源,最著名的应该是宇宙大爆炸理論了,这一模型理論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。

  该理論认为,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。宇宙暴胀理論由日本的佐藤胜彦博士和美国的阿兰·哈维·古斯博士提出。该理論认为,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”。

  四處亂撞的粒子將宇宙“再加熱”

  那麽,宇宙如何能在如此短暫的時間內迅速“變臉”——從暴脹時期過渡到大爆炸時期?這兩個時期之間有何關聯呢?

  據美國趣味科學網站報道,爲解決這一宇宙的演化難題,來自美國凱尼恩學院、麻省理工學院(MIT)和荷蘭萊頓大學的研究人員模擬了宇宙暴脹與宇宙大爆炸之間的關鍵過渡時期——“再加熱”時期。

  在他們的模型中,研究主要作者雷切爾·阮及同事模擬了被稱爲“暴脹子”(inflatons)的物質形式的行爲。他們認爲,假想的“暴脹子”本質上類似于希格斯玻色子,創造了推動宇宙暴脹的能量場。在適當的條件下,“暴脹子”的能量可以被有效地重新分配,從而産生使宇宙重新加熱所需的各種粒子。

  研究人員之一、麻省理工學院物理學教授戴維·凱澤表示:“宇宙暴脹後的再加熱時期爲大爆炸創造了條件,從某種意義上說,將‘大爆炸’置于宇宙大爆炸之中。在這個過渡時期,宇宙翻江倒海,一切都亂作一團,物質的表現形式非常複雜。”

  雷切爾則解釋說,在宇宙暴脹時期,所有物質四處散落,使宇宙成爲一個寒冷而空曠的地方,缺乏點燃宇宙大爆炸所需的“粒子熱湯”。而在“再加熱”時期,推動宇宙暴脹的能量發生衰變,“搖身一變”成爲粒子。

  雷切爾說:“這些粒子一旦誕生,就會四處亂撞且相互撞擊,傳遞動量和能量,正是這種能量將冰冷的宇宙再次加熱,爲宇宙大爆炸奠定了基礎。”

  引力波中或潛伏關鍵證據

  那麽,最新模擬除了指出“再加熱”過程是宇宙暴脹和大爆炸之間的橋梁外,還能給我們提供哪些啓示呢?

  研究的合作者、凱尼恩學院物理學副教授湯姆·吉布林說:“從寒冷的暴脹時期到熾熱的大爆炸時期,應該蘊藏著哪些粒子可以在如此高的能量狀態下存在的關鍵證據。”

  此外,在宇宙暴脹時期的極端能量狀態下,引力的“行爲舉止”是怎樣的?這一基本問題也一直讓物理學家們“輾轉反側”。

  愛因斯坦的廣義相對論認爲,引力對所有物質“一視同仁”,與粒子能量無關。但科學家們認爲,由于量子力學,在極高能量狀態下,物質對引力的反應會有所不同。

  哪個觀點是正確的?研究團隊調整了粒子與引力的相互作用強度,將上述假設納入模型中。結果發現,引力增加越多,“暴脹子”傳遞能量生成大爆炸期間出現的熱物質粒子的效率就越高。

  現在,研究人員需要尋找證據來支持這一模型。

  吉布林說:“我們使用模擬來預測宇宙的‘模樣’,這個再加熱時期應該在宇宙中某個地方留下了印記,我們要做的就是找到它。”

  但找到這個印記可能並非易事。研究人員稱,對宇宙最早的“驚鴻一瞥”源自宇宙微波背景輻射(CMB)——産生于宇宙大約38萬歲時的電磁波輻射一直在宇宙中傳播,它們的“余晖”就是今天我們看到的宇宙微波背景輻射。但吉布林表示,CMB只保留了宇宙誕生初期的樣貌,希望未來的引力波觀測能提供最終線索。

【編輯:何路曼】
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