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麻省理工模拟早期宇宙:介于暴胀和大爆炸之间

2019/12/3 8:52:59来源:新浪科技作者:任天责编:孤城评论:

北京时间12月3日消息,据国外媒体报道,宇宙大爆炸理论称,大约138亿年前,宇宙发生了一场大爆炸;由一个体积无限小,无比致密的奇点状态,开始膨胀、冷却,并引发一系列反应,造就了第一批恒星和星系,以及今天我们见到的所有物质形式。

▲宇宙大爆炸示意图

物理学家相信,就在大爆炸将宇宙推向不断膨胀的轨道之前,早期宇宙还经历了宇宙暴胀的阶段,其持续时间不到万亿分之一秒。在暴胀期间,低温、均匀的粘稠状物质以指数级的速度膨胀,随后大爆炸继续进行,宇宙以更慢的速度膨胀,并形成初期宇宙。

近年来一些独立的观测结果支持了大爆炸和宇宙暴胀的理论。但是,这两个过程是如此的截然不同,以至于科学家一直难以理解它们是如何先后发生的。

近日,美国麻省理工学院、凯尼恩学院和其他研究机构的物理学家详细模拟了早期宇宙的一个中间阶段,而这个阶段可能连接了宇宙暴胀和大爆炸。研究人员将这一阶段称为“再加热”,发生在宇宙暴胀的末期,其过程是将已经膨胀的低温、均匀物质转变成温度超高且成分复杂的“汤”,为大爆炸的开始做好准备。

“暴胀后的再加热时期为大爆炸创造了条件,在某种意义上,这使‘大爆炸’变得名副其实,”麻省理工学院的科学史和物理学教授大卫·凯泽(David Kaiser)说,“正是在这个桥梁时期,一切都开始松动,物质的行为变得非常复杂。”

凯泽和他的同事详细模拟了在暴胀末期的这场混乱中,多种形式的物质是如何相互作用的。他们的模拟显示,推动暴胀的极端能量以同样快的速度在更短的时间内重新分布,并以某种方式产生了大爆炸开始所需的条件。

研究人员发现,如果量子效应改变了物质在极高能量下对引力的反应方式,偏离了爱因斯坦广义相对论所预测的物质和引力的相互作用方式,那么这种极端的转变将会更快、更有效。“这使我们能够讲述一个完整的故事,从暴胀到后暴胀时期,再到宇宙大爆炸,甚至更远以后,”凯泽说,“我们可以追踪一系列连续的过程,所有这些过程都是已知的物理过程。我们可以说,这是一种合理的方式,让宇宙呈现出今天所看到的样子。”

“与自身同步”

20世纪80年代,麻省理工学院的物理学教授艾伦·古思(Alan Guth)首次提出了宇宙暴胀理论。该理论预测,宇宙最初是一个极其微小的物质点,可能只有质子的1000亿分之一大小。这粒“微尘”充满了超高能的物质,其能量如此之大,以至于内部的压力产生了一种排斥性引力——这就是暴胀背后的驱动力。就像引信上的火花一样,这种引力以前所未有的速度使新生的宇宙向外爆炸,在不到一万亿分之一秒的时间内,将宇宙膨胀到接近原始大小的10^25倍(1后面有26个0)。

凯泽和同事们试图弄清楚再加热的最初阶段——宇宙暴胀末期和大爆炸之前的过渡阶段——可能发生了什么。“再加热的最初阶段应该用共振态来标记。一种高能物质占据了主导地位,它在广阔的空间中与自身同步来回摆动,导致新粒子的爆发,”凯泽说,“这种行为不会永远持续下去,一旦它开始将能量转移到另一种形式的物质上,它自身的波动将在空间中变得更加起伏不定。我们想要测量的是,这种共振效应需要多长时间才会破裂,产生的粒子才会彼此分散,并达到某种热平衡,类似于大爆炸的情况。”

计算机模拟显示了一个大的交错结构,他们在上面绘制了多种物质形式,并追踪了它们的能量和分布如何随着某些条件的改变而在空间和时间上发生变化。模拟的初始条件基于一个特定的暴胀模型,即一组关于早期宇宙物质在暴胀期间可能如何分布的预测。

科学家之所以选择这种特定的膨胀模型,是因为它的预测与宇宙微波背景的高精度测量结果非常吻合。宇宙微波背景是宇宙大爆炸38万年后发出的辐射残余,人们认为其包含了暴胀时期的痕迹。

对引力效应的调整

该模拟跟踪了两种可能在暴胀期间占主导地位的物质的行为,与最近在其他实验中观察到的一种粒子——希格斯玻色子——非常相似。

在进行模拟之前,研究小组对模型的引力描述进行了微调。我们今天看到的常规物质,会以爱因斯坦广义相对论预测的方式响应引力;具有更高能量的物质,如可能存在于暴胀期间的物质,其行为应当有所不同。它们与引力相互作用的方式可能受到量子力学影响,或在原子尺度相互作用。

在爱因斯坦的广义相对论中,引力的强度表示为一个常数,物理学家称之为“最小耦合”,意思是无论一个特定粒子的能量如何,它都会以一个通用常数设定的强度对引力效应做出反应。

然而,宇宙暴胀预测的高能量下,物质与引力的相互作用以稍微复杂一点的方式进行。量子力学效应预测,当与超高能物质相互作用时,引力的强度在空间和时间上会发生变化,这种现象被称为“非最小耦合”。

凯泽和同事们将一个非最小耦合项纳入了暴胀模型,并观察了物质和能量的分布如何随着量子效应的上升或下降而变化。

最后,他们发现,经过量子力学修正的引力效应对物质的影响越强,宇宙从低温、均匀的暴胀物质过渡到更热、更多样的大爆炸特有物质的速度就越快。通过调整这个量子效应,他们可以使这个关键的转变发生在2到3“e-fold”时。e-fold指的是宇宙(大约)膨胀3倍所需的时间。在这种情况下,他们成功模拟了宇宙膨胀到2至3倍的时间内再加热的过程。相比之下,暴胀本身发生在约60 e-fold时。

“再加热是一个疯狂的时期,一切都乱了套,”凯泽说,“我们发现,当时物质的相互作用是如此强烈,以至于它可以相应地迅速‘放松’下来,为大爆炸创造了合适的条件。我们不知道实际是不是这样,但这是从模拟中得出的结论,采用的都是已知的物理学。这就是让我们兴奋的地方。”

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关键词:宇宙大爆炸

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