宇宙大爆炸之前(宇宙大爆炸之前的奇點(diǎn)怎么來(lái)的)

科技日?qǐng)?bào)

宇宙大爆炸和演化的示意圖，圖中從左到右是時(shí)間前進(jìn)的方向，與時(shí)間軸垂直的維度代表宇宙持續(xù)膨脹的空間。 圖片來(lái)源：NASA官網(wǎng)

宇宙從何而來(lái)？又如何變成如今這般“模樣”？

目前科學(xué)家廣泛認(rèn)可的故事始于約138億年前。那時(shí)，一個(gè)密度極大的點(diǎn)發(fā)生暴脹，然后宇宙大爆炸開始，宇宙不斷膨脹并冷卻，原子核、原子，直至我們今天看到的漫天繁星等開始形成。

盡管這個(gè)故事充滿了各種戲劇性的巧合、激烈的沖突，但仍存在一個(gè)漏洞：這兩個(gè)涇渭分明的時(shí)期是如何聯(lián)系在一起的？幾十年來(lái)，這一直是縈繞在科學(xué)家心頭的一團(tuán)迷霧。最近，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)對(duì)宇宙演化的這一關(guān)鍵過渡期進(jìn)行了模擬，得出結(jié)論稱，所謂的“再加熱”過程可能是宇宙初期這兩個(gè)階段的“橋梁”，但這一過程的確鑿證據(jù)仍有待進(jìn)一步尋覓。

宇宙的“兩副面孔”：暴脹和大爆炸

提起宇宙的起源，最著名的應(yīng)該是宇宙大爆炸理論了，這一模型理論上基于愛因斯坦的廣義相對(duì)論，并得到當(dāng)今科學(xué)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)最廣泛最精確的支持。

該理論認(rèn)為，我們的宇宙誕生于約138億年前。從一個(gè)極小的致密“火球”，不斷膨脹并慢慢冷卻，漸漸地，我們今天看到的原子、身邊的鳥語(yǔ)花香以及漫天閃爍的恒星和星系得以形成。

不過，現(xiàn)在物理學(xué)界普遍認(rèn)為，在大爆炸發(fā)生之前，還發(fā)生過宇宙暴脹。宇宙暴脹理論由日本的佐藤勝?gòu)┎┦亢兔绹?guó)的阿蘭·哈維·古斯博士提出。該理論認(rèn)為，宇宙誕生之初，在不到萬(wàn)億分之一秒內(nèi)，宇宙從幾乎無(wú)限小的點(diǎn)暴增了1027倍。隨后，宇宙發(fā)生了大爆炸，并逐漸演變成了今天的“模樣”。

四處亂撞的粒子將宇宙“再加熱”

那么，宇宙如何能在如此短暫的時(shí)間內(nèi)迅速“變臉”——從暴脹時(shí)期過渡到大爆炸時(shí)期？這兩個(gè)時(shí)期之間有何關(guān)聯(lián)呢？

據(jù)美國(guó)趣味科學(xué)網(wǎng)站報(bào)道，為解決這一宇宙的演化難題，來(lái)自美國(guó)凱尼恩學(xué)院、麻省理工學(xué)院(MIT)和荷蘭萊頓大學(xué)的研究人員模擬了宇宙暴脹與宇宙大爆炸之間的關(guān)鍵過渡時(shí)期——“再加熱”時(shí)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為“暴脹子”(inflatons)的物質(zhì)形式的行為。他們認(rèn)為，假想的“暴脹子”本質(zhì)上類似于希格斯玻色子，創(chuàng)造了推動(dòng)宇宙暴脹的能量場(chǎng)。在適當(dāng)?shù)臈l件下，“暴脹子”的能量可以被有效地重新分配，從而產(chǎn)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(xué)院物理學(xué)教授戴維·凱澤表示：“宇宙暴脹后的再加熱時(shí)期為大爆炸創(chuàng)造了條件，從某種意義上說(shuō)，將‘大爆炸’置于宇宙大爆炸之中。在這個(gè)過渡時(shí)期，宇宙翻江倒海，一切都亂作一團(tuán)，物質(zhì)的表現(xiàn)形式非常復(fù)雜。”

雷切爾則解釋說(shuō)，在宇宙暴脹時(shí)期，所有物質(zhì)四處散落，使宇宙成為一個(gè)寒冷而空曠的地方，缺乏點(diǎn)燃宇宙大爆炸所需的“粒子熱湯”。而在“再加熱”時(shí)期，推動(dòng)宇宙暴脹的能量發(fā)生衰變，“搖身一變”成為粒子。

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

引力波中或潛伏關(guān)鍵證據(jù)

那么，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啟示呢？

研究的合作者、凱尼恩學(xué)院物理學(xué)副教授湯姆·吉布林說(shuō)：“從寒冷的暴脹時(shí)期到熾熱的大爆炸時(shí)期，應(yīng)該蘊(yùn)藏著哪些粒子可以在如此高的能量狀態(tài)下存在的關(guān)鍵證據(jù)。”

此外，在宇宙暴脹時(shí)期的極端能量狀態(tài)下，引力的“行為舉止”是怎樣的？這一基本問題也一直讓物理學(xué)家們“輾轉(zhuǎn)反側(cè)”。

愛因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為，引力對(duì)所有物質(zhì)“一視同仁”，與粒子能量無(wú)關(guān)。但科學(xué)家們認(rèn)為，由于量子力學(xué)，在極高能量狀態(tài)下，物質(zhì)對(duì)引力的反應(yīng)會(huì)有所不同。

哪個(gè)觀點(diǎn)是正確的？研究團(tuán)隊(duì)調(diào)整了粒子與引力的相互作用強(qiáng)度，將上述假設(shè)納入模型中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，引力增加越多，“暴脹子”傳遞能量生成大爆炸期間出現(xiàn)的熱物質(zhì)粒子的效率就越高。

現(xiàn)在，研究人員需要尋找證據(jù)來(lái)支持這一模型。

吉布林說(shuō)：“我們使用模擬來(lái)預(yù)測(cè)宇宙的‘模樣’，這個(gè)再加熱時(shí)期應(yīng)該在宇宙中某個(gè)地方留下了印記，我們要做的就是找到它。”

但找到這個(gè)印記可能并非易事。研究人員稱，對(duì)宇宙最早的“驚鴻一瞥”源自宇宙微波背景輻射(CMB)——產(chǎn)生于宇宙大約38萬(wàn)歲時(shí)的電磁波輻射一直在宇宙中傳播，它們的“余暉”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(lái)的引力波觀測(cè)能提供最終線索。【編輯:于曉】