新研究试图揭示大爆炸之前的秘密

来源：未来科技社

物理学家可能已经解开了一个关于我们的宇宙是如何形成的这个长达数十年的谜团。

我们的宇宙是如何形成的？科学界普遍的共识是起源于一场大爆炸，但是在这个理论中却有一个巨大的漏洞令人困惑。

大爆炸理论告诉我们：首先，宇宙像气球一样迅速暴涨。然后，一切都轰隆一声发生了大爆炸。

但这两个阶段是如何联系在一起的，物理学家们一直困惑不解。

现在，一项新的研究提出了一种将这两个阶段联系起来的方法。

在第一个阶段中，宇宙从一个几乎无限小的点，在不到一万亿分之一秒的时间内，增长了10的10次方倍(即1后面有27个0)。在这个暴涨时期之后，是一个更为平缓、但更为剧烈的膨胀时期，我们称之为“大爆炸”。在大爆炸期间，一个由质子、中子和电子等基本粒子组成的难以置信的高温火球膨胀并冷却，形成了我们今天看到的原子、恒星和星系。

描述宇宙膨胀的大爆炸理论仍然是对宇宙起源的得到最广泛支持的解释，但科学家们仍然对这些完全不同的膨胀时期之间的联系感到困惑。为了解决这个宇宙难题，凯尼恩学院、麻省理工学院(MIT)和荷兰莱顿大学的一组研究人员模拟了宇宙暴涨和大爆炸之间的关键过渡——他们称之为“再热”的时期。

麻省理工学院的物理学教授大卫·凯泽在一份声明中说：“后暴涨时期为大爆炸创造了条件，在某种意义上，也将‘爆炸’置于大爆炸之中。”“正是在这个桥梁时期，所有的禁锢都开始松动，物质的行为变得非常复杂。”

在宇宙暴涨期间，当宇宙在一瞬间暴涨时，所有存在的物质都散开了，留下宇宙一片寒冷和空旷，没有点燃大爆炸所需的热粒子汤。研究报告的主要作者、伊利诺伊大学(University of Illinois)物理学博士生雷切尔·阮(Rachel Nguyen)说，在再加热期间，据信推动暴涨的能量会衰变为粒子。

雷切尔·阮继续说：“一旦这些粒子产生，它们就会四处弹跳，相互碰撞，传递动量和能量。……这就是使宇宙变热和再热的东西，为大爆炸设定了初始条件。”

在他们的模型中，雷切尔·阮和她的同事模拟了被称为暴涨子的奇异物质的行为。科学家们认为这些假设的粒子，本质上类似于希格斯玻色子，创造了推动宇宙暴涨的能量场。他们的模型显示，在适当的条件下，暴涨子的能量可以有效地重新分配，从而产生重新加热宇宙所需的粒子多样性。他们的研究结果发表在10月24日的《物理评论快报》杂志上。

高能物理的熔炉

“我们研究早期宇宙时，实际上是在非常非常高的温度下进行粒子实验，”俄亥俄州凯尼恩学院(Kenyon College)的物理学副教授、该研究的合著者汤姆·吉卜林(Tom Giblin)说。“从寒冷的暴涨时期向炎热的时期的转变，应该能够提供一些关键的证据，证明在这些极高的能量下到底存在什么粒子。”

让物理学家们苦恼的一个基本问题是，在暴涨过程中，引力在极端能量下是如何表现的。在阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论中，所有的物质都被认为是以同样的方式受到引力的影响，无论粒子的能量如何，引力的强度都是恒定的。然而，由于量子力学的奇异世界，科学家们认为，在极高的能量下，物质对引力的反应是不同的。

该团队通过调整粒子与引力的相互作用强度，将这一假设纳入了他们的模型。他们发现，引力越强，暴涨子传递能量的效率就越高，从而产生了大爆炸期间发现的大量热物质粒子。

现在，他们需要找到证据来支持他们在宇宙某处的模型。

“宇宙拥有如此多以非常复杂的方式编码的秘密，”吉卜林告诉Live Science。“我们的工作是通过发明一种解码设备——一种从宇宙中提取信息的方法——来了解现实的本质。我们使用模拟来预测宇宙应该是什么样子的，这样我们才能真正开始解码它。这个重新加热的时期应该会在宇宙的某个地方留下印记。我们只需要找到它。”

但要找到那个印记可能很困难。我们最早看到的宇宙是大爆炸后几十万年遗留下来的一个辐射泡，称为宇宙微波背景(CMB)。然而，宇宙微波背景辐射仅仅暗示了宇宙诞生的最初关键时刻的状态。像吉卜林这样的物理学家希望未来对引力波的观测能提供最终的线索。