138亿年前,宇宙大爆炸拉开了宇宙演化的序幕。而在此之前,是一个短暂但更具爆发性的阶段:宇宙暴胀。宇宙大爆炸是如何发生的?在这两个阶段之间,最初的宇宙又经历了什么?现在,这些物理学家似乎在实验室中找到了答案。

撰文 | Jennifer Chu

编译 | 朱奕宁

审校 | 罗广桢 吴非

根据宇宙大爆炸理论,大约138亿年前,一个无限小但密度无限大的“火球”爆炸,火球中的物质在膨胀过程中逐渐冷却下来,通过各种反应,形成了今天由恒星、星系以及各种物质组成的复杂宇宙。

这段文字描述的,是我们熟悉的宇宙诞生图景。但在此之前,又是什么过程导致了大爆炸的出现?

物理学家相信,就在大爆炸导致宇宙不断膨胀之前,存在另一个更具爆发性的阶段:宇宙暴胀(cosmic inflation)。这个过程持续的时间不超过一万亿分之一秒,这时低温、均匀的粘稠物质呈指数暴胀。随后,大爆炸发生了。婴儿期的宇宙以相对缓慢的速度扩张,形成了更加多样化的宇宙。

最近的一些观测分别支持了大爆炸和宇宙暴胀理论。但由于这两个过程之间的根本差异,物理学家始终无法证实,这两个过程的衔接是如何实现的。

现在,来自麻省理工学院、凯尼恩学院等研究机构的物理学家在一项发表于《物理学评论快报》的研究中,全面模拟了早期宇宙的中间状态。这个被称为“再加热”(reheating)的中间状态在暴胀阶段的末期出现,可能连接了宇宙暴胀和大爆炸过程。他们认为在再加热过程中,宇宙暴胀产生的低温、均匀的产物被搅成了一锅炽热混沌的“汤”,而这正是宇宙大爆炸的开端。

“暴胀后的再加热阶段,为宇宙大爆炸创造了条件。在某种意义上,它还为大爆炸准备了‘炸药’,”麻省理工学院的物理学教授David Kaiser指出,“在这个过渡阶段,物质开始分散开,其运动方式也变得复杂起来。”

Kaiser和同事详细模拟了在暴胀末期的混沌时期,多种形态的物质间的相互作用。他们的模拟结果显示,引发了暴胀的强大能量可能在非常短的时间内被重新分配,产生大爆炸所需的条件。

研究团队发现,如果在极高能量的条件下,量子效应改变引力对物质的作用,会使上述能量的转变更快、更高效。但这偏离了爱因斯坦的广义相对论所预测的物质与引力的作用方式。

“这项研究让我们可以叙述从宇宙暴胀到大爆炸再到后期宇宙演化的完整图景,” Kaiser称,“根据已有的物理学研究,我们可以追溯完整的宇宙演化过程。可以说,这是一种形成今天的宇宙的可能方式。”

打破共振

20世纪80年代,麻省理工学院的物理学教授Alan Guth最先提出了宇宙暴胀理论。该理论预言宇宙始于一个极小的,相当于千亿分之一质子大小的点。这个点中充满了超高能量的物质。极高的能量使得内部的压力产生了暴胀的驱动力——斥力。这种斥力对婴儿期宇宙的作用,如同点燃导火索的火花,使得宇宙加速膨胀,在万亿分之一秒内膨胀至原始体积的1026倍。

Kaiser和同事设法在实验室中模拟出了再加热阶段初期的可能状貌。“再加热阶段初期的特点是共振。一种占主导地位的高能物质在空间中,以与自身同步的方式有规律地来回振动,并爆发性地产生了大量的新粒子,”Kaiser指出,“这种行为不会持续太久,一旦它开始向第二种物质形式传递能量,它在空间中的摆动就会变得起伏不定。我们想通过模拟测定,这种共振效应被打破、产生的大量粒子散开并达到热平衡的大爆炸状态,需要多长时间。”

计算机模拟的结果呈现在一个巨大的网格上。研究人员追踪了在不同条件下,网格上不同物质的能量与分布如何随时间改变。模拟的初始条件基于一个特定的模型——一套对宇宙暴胀期间物质分布的预测。

科学家在众多候选模型中选择了这种特定的膨胀模型,因为其预测结果与对宇宙微波背景辐射的测量结果高度契合。宇宙微波背景辐射是在大爆炸仅仅38万年后的辐射余晖,因此科学家认为其中包含了暴胀期的痕迹。

宇宙的扭曲

该模拟追踪了两种可能在暴胀中起支配作用的物质的表现,它们非常类似于几年前发现的希格斯玻色子。

在运行模拟程序之前,研究团队在该模型对引力的描述中加入了轻微的“扭曲”。尽管引力对普通物质的作用遵循广义相对论的预测,但对于更高能的物质,比如被认为在宇宙暴胀时期存在过的物质,情况有些许不同。它们受引力作用的方式受到了量子力学修正。

根据广义相对论,引力的强度是一个常数,这被物理学家称为最小耦合。这意味着无论某种特定粒子的能量高低,引力对其作用的强度遵循一个常量。

然而,在宇宙暴胀预言的极高能条件下,物质与引力的相互作用更加复杂一些。根据量子力学效应预测,作用于极高能物质时,引力的大小会在时空中发生变化。这种现象被称为非最小耦合。

Kaiser和同事在暴胀模型中包含了非最小耦合项,并观测了当他们将这种量子效应正向或反向作用时,物质和能量分布的变化。

最终他们发现,量子修正的引力效应影响越显著,大爆炸中低温均匀的物质向炽热、多样的物质转化的速度就越快。

通过调整这种量子效应,他们可以使这种关键变化持续2~3个“e-folds”(e-fold指宇宙膨胀约两倍所需的时间)。亦即,他们在2~3个e-folds的时间内模拟了再加热阶段。作为对比,暴胀本身持续约60个e-folds的时间。

“再加热是一个疯狂的时期,一切都走向了失控,”Kaiser描述道,“我们的结果说明,再加热时期物质之间的相互作用是如此之强,而这样的作用退散的速度也很快,这为宇宙大爆炸创造了完美的舞台。我们之前没有预测到这样的结果,但这正是基于已有物理知识的模拟所展现的。这对我们来说是令人激动的。”

原始论文:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.171301

原文链接:

http://news.mit.edu/2019/putting-bang-in-big-bang-1025?fbclid=IwAR1c1Yqdn-7JX-U_1MaQc-n0ARg83sHVCNszN6JduqsM1mFp-PwKhheyNY4