138 億年前，宇宙大爆炸拉開了宇宙演化的序幕。而在此之前，是一個短暫但更具爆發(fā)性的階段：宇宙暴脹。宇宙大爆炸是如何發(fā)生的?在這兩個階段之間，最初的宇宙又經(jīng)歷了什么?現(xiàn)在，這些物理學(xué)家似乎在實驗室中找到了答案。

　　根據(jù)宇宙大爆炸理論，大約 138 億年前，一個無限小但密度無限大的“火球”爆炸，火球中的物質(zhì)在膨脹過程中逐漸冷卻下來，通過各種反應(yīng)，形成了今天由恒星、星系以及各種物質(zhì)組成的復(fù)雜宇宙。

　　這段文字描述的，是我們熟悉的宇宙誕生圖景。但在此之前，又是什么過程導(dǎo)致了大爆炸的出現(xiàn)?

　　物理學(xué)家相信，就在大爆炸導(dǎo)致宇宙不斷膨脹之前，存在另一個更具爆發(fā)性的階段：宇宙暴脹(cosmic inflation)。這個過程持續(xù)的時間不超過一萬億分之一秒，這時低溫、均勻的粘稠物質(zhì)呈指數(shù)暴脹。隨后，大爆炸發(fā)生了。嬰兒期的宇宙以相對緩慢的速度擴張，形成了更加多樣化的宇宙。

　　最近的一些觀測分別支持了大爆炸和宇宙暴脹理論。但由于這兩個過程之間的根本差異，物理學(xué)家始終無法證實，這兩個過程的銜接是如何實現(xiàn)的。

　　現(xiàn)在，來自麻省理工學(xué)院、凱尼恩學(xué)院等研究機構(gòu)的物理學(xué)家在一項發(fā)表于《物理學(xué)評論快報》的研究中，全面模擬了早期宇宙的中間狀態(tài)。這個被稱為“再加熱”(reheating)的中間狀態(tài)在暴脹階段的末期出現(xiàn)，可能連接了宇宙暴脹和大爆炸過程。他們認為在再加熱過程中，宇宙暴脹產(chǎn)生的低溫、均勻的產(chǎn)物被攪成了一鍋熾熱混沌的“湯”，而這正是宇宙大爆炸的開端。

　　“暴脹后的再加熱階段，為宇宙大爆炸創(chuàng)造了條件。在某種意義上，它還為大爆炸準備了‘炸藥’，”麻省理工學(xué)院的物理學(xué)教授 David Kaiser 指出，“在這個過渡階段，物質(zhì)開始分散開，其運動方式也變得復(fù)雜起來。”

　　Kaiser 和同事詳細模擬了在暴脹末期的混沌時期，多種形態(tài)的物質(zhì)間的相互作用。他們的模擬結(jié)果顯示，引發(fā)了暴脹的強大能量可能在非常短的時間內(nèi)被重新分配，產(chǎn)生大爆炸所需的條件。

　　研究團隊發(fā)現(xiàn)，如果在極高能量的條件下，量子效應(yīng)改變引力對物質(zhì)的作用，會使上述能量的轉(zhuǎn)變更快、更高效。但這偏離了愛因斯坦的廣義相對論所預(yù)測的物質(zhì)與引力的作用方式。

　　“這項研究讓我們可以敘述從宇宙暴脹到大爆炸再到后期宇宙演化的完整圖景，” Kaiser 稱，“根據(jù)已有的物理學(xué)研究，我們可以追溯完整的宇宙演化過程。可以說，這是一種形成今天的宇宙的可能方式。”

　　打破共振

　　20 世紀 80 年代，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)教授 Alan Guth 最先提出了宇宙暴脹理論。該理論預(yù)言宇宙始于一個極小的，相當于千億分之一質(zhì)子大小的點。這個點中充滿了超高能量的物質(zhì)。極高的能量使得內(nèi)部的壓力產(chǎn)生了暴脹的驅(qū)動力——斥力。這種斥力對嬰兒期宇宙的作用，如同點燃導(dǎo)火索的火花，使得宇宙加速膨脹，在萬億分之一秒內(nèi)膨脹至原始體積的 1026倍。

　　Kaiser 和同事設(shè)法在實驗室中模擬出了再加熱階段初期的可能狀貌。“再加熱階段初期的特點是共振。一種占主導(dǎo)地位的高能物質(zhì)在空間中，以與自身同步的方式有規(guī)律地來回振動，并爆發(fā)性地產(chǎn)生了大量的新粒子，”Kaiser 指出，“這種行為不會持續(xù)太久，一旦它開始向第二種物質(zhì)形式傳遞能量，它在空間中的擺動就會變得起伏不定。我們想通過模擬測定，這種共振效應(yīng)被打破、產(chǎn)生的大量粒子散開并達到熱平衡的大爆炸狀態(tài)，需要多長時間。”

　　計算機模擬的結(jié)果呈現(xiàn)在一個巨大的網(wǎng)格上。研究人員追蹤了在不同條件下，網(wǎng)格上不同物質(zhì)的能量與分布如何隨時間改變。模擬的初始條件基于一個特定的模型——一套對宇宙暴脹期間物質(zhì)分布的預(yù)測。

　　科學(xué)家在眾多候選模型中選擇了這種特定的膨脹模型，因為其預(yù)測結(jié)果與對宇宙微波背景輻射的測量結(jié)果高度契合。宇宙微波背景輻射是在大爆炸僅僅 38 萬年后的輻射余暉，因此科學(xué)家認為其中包含了暴脹期的痕跡。

　　宇宙的扭曲

　　該模擬追蹤了兩種可能在暴脹中起支配作用的物質(zhì)的表現(xiàn)，它們非常類似于幾年前發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。

　　在運行模擬程序之前，研究團隊在該模型對引力的描述中加入了輕微的“扭曲”。盡管引力對普通物質(zhì)的作用遵循廣義相對論的預(yù)測，但對于更高能的物質(zhì)，比如被認為在宇宙暴脹時期存在過的物質(zhì)，情況有些許不同。它們受引力作用的方式受到了量子力學(xué)修正。

　　根據(jù)廣義相對論，引力的強度是一個常數(shù)，這被物理學(xué)家稱為最小耦合。這意味著無論某種特定粒子的能量高低，引力對其作用的強度遵循一個常量。

　　然而，在宇宙暴脹預(yù)言的極高能條件下，物質(zhì)與引力的相互作用更加復(fù)雜一些。根據(jù)量子力學(xué)效應(yīng)預(yù)測，作用于極高能物質(zhì)時，引力的大小會在時空中發(fā)生變化。這種現(xiàn)象被稱為非最小耦合。

　　Kaiser 和同事在暴脹模型中包含了非最小耦合項，并觀測了當他們將這種量子效應(yīng)正向或反向作用時，物質(zhì)和能量分布的變化。

　　最終他們發(fā)現(xiàn)，量子修正的引力效應(yīng)影響越顯著，大爆炸中低溫均勻的物質(zhì)向熾熱、多樣的物質(zhì)轉(zhuǎn)化的速度就越快。

　　通過調(diào)整這種量子效應(yīng)，他們可以使這種關(guān)鍵變化持續(xù)2~3 個“e-folds”(e-fold 指宇宙膨脹約兩倍所需的時間)。亦即，他們在2~3 個e-folds 的時間內(nèi)模擬了再加熱階段。作為對比，暴脹本身持續(xù)約 60 個e-folds 的時間。

　　“再加熱是一個瘋狂的時期，一切都走向了失控，”Kaiser 描述道，“我們的結(jié)果說明，再加熱時期物質(zhì)之間的相互作用是如此之強，而這樣的作用退散的速度也很快，這為宇宙大爆炸創(chuàng)造了完美的舞臺。我們之前沒有預(yù)測到這樣的結(jié)果，但這正是基于已有物理知識的模擬所展現(xiàn)的。這對我們來說是令人激動的。”
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