“大爆炸之前”的原初宇宙

文章作者:管理一号 | 2019-04-17
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来历:举世科学

国际大爆破在科学界现已成为一个知识,但是,国际大爆破之前的原初国际终究发作了什么,却一向没有结论。在两项研讨中,物理学家发现,重粒子构成的原初规范时钟或许能协助咱们窥视原初国际的形状。

2015年,陈新刚与王一等研讨人员在对原初国际模型的研讨中发现,国际大规范的不均匀性与规范时钟有很亲近的联系。在此基础上,最近,哈佛大学的鲜于中之等人提出,可以经过一种更易观测的方法,将规范时钟与国际不均匀性联系起来。相关论文在PRL上宣布今后,得到了美国物理学会网站的亮点报道。为此,《举世科学》特别约请到了鲜于中之博士,请他对这一问题撰写了翔实的科普文章,以飨读者。

“大爆破之前”的原初国际

物理学家通知咱们,国际在大约137亿年前发作过大爆破。“国际大爆破”的说法家喻户晓,但是,大爆破之前呢?

这问题初看起来荒诞不经,但物理学家近年来已开端寻觅答复它的头绪。他们发现,下一代国际学观测或许就能为咱们供给答案。

从上世纪初至今,观测与理论的堆集使物理学家逐步意识到,国际并非静态不变的固定舞台,而是在不断胀大。飘然浮游于国际中的星系,因之而互相远离。

从现在的观测现实动身,藉由物理规律的导游,咱们得以沿着时刻的长河逆流而上,获悉国际演化的前史。经过多种国际学观测和理论的彼此映证,咱们可以将国际的“信史”追溯到百亿年前。那时的国际细密而火热,有如一团焚烧的天火。时刻越早,这团火焰的温度越高。

 

直到距今大约137亿年前的某时刻,此番溯流而上的探险会遇到温度无量高、密度无量大的状况。现在的物理规律在此时全部失效,物理学家称之为“大爆破奇点”。天然,假如将国际大爆破了解为大爆破奇点,那么议论“大爆破之前”是没有物理含义的。

不过物理学家当然知道,经过这样简略外推得到的成果并不完全正确。很或许,国际的演化在很早的某个时刻会违背这种简化的外推。在此时刻之后,国际依然依照规范的热胀大图画演化。物理学家将称这一段或多或少得到观测验证的演化前史称为“热大爆破”阶段,而在此时之前,则需求新的理论来解说国际对热大爆破的违背。这段时刻,物理学家称之为“原初国际”。因而,当咱们说到“大爆破之前”,便是指原初国际。

暴升或许并非仅有或许

物理学家在曩昔几十年间提出了多种理论描绘原初国际的演化,其间一些还能处理大爆破的若干理论疑问——比方可以解说为什么现在咱们的国际极点平整。

不过,关于今日的物理学家而言,原初国际理论最为诱人之处在于,它们对解说咱们本身的存在至关重要。咱们知道,物质在可见国际中的散布适当均匀、但又不完全均匀。在国际前史的前期,时空的不均匀性适当弱小。之后,在万有引力的效果下,不均匀性逐步被扩大,物质散布逐步结团成块,逐渐呈现了星系、恒星,终究才有了咱们。

前期国际细小的不均匀性从何而来?这正是原初国际的理论需求答复的问题。在这些理论中,承受度最高的一种称为暴升理论。该理论以为,国际在大爆破之前,还曾经历过一段极为时间短而张狂的快速胀大,在这段或许只需千万亿亿亿亿分之一秒的时刻内,国际以指数速度胀大了大约百亿亿亿倍。由于驱动这段急速胀大的能量极点巨大,时空本身也会感受到显着的量子涨落。这些量子涨落被飞速的胀大敏捷拉伸到很大的间隔,终究成为国际在大规范上不均匀性的种子。

经过丈量国际微波布景或许星系的散布,咱们现在已了解了许多关于原初国际不均匀性(也称作原初扰动)的信息,并经过它们验证或证伪不同的暴升理论。因而,评论大爆破之前的国际并不是虚妄之说,而是实实在在的物理问题。

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不过,暴升理论不是一种固定的理论,而是一群理论模型的总称:驱动国际指数胀大的方法五花八门,各自都能预言一种特别的原初扰动不均匀性的款式。除此之外,物理学家也提出了各种非暴升模型,解说国际在大爆破之前的演化。在这些模型中,原初国际或缩短、或反弹,花样繁多,不胜枚举。这些模型有不少也能解说国际在大规范上的不均匀与各向异性。虽然它们或许还有不少理论上的困难,但这些测验提示咱们,暴升或许并非原初国际的仅有或许。

原则上,经过详尽丈量国际大规范的不均匀性,可以断定详细的暴升模型。但是实践上,暴升模型的结构适当灵敏。好像,不管物理学家观测就任何款式的不均匀性,理论家总能结构出一种暴升模型来解说这种款式。所以有人置疑,作为科学理论,暴升终究可以被证伪吗?说得更清晰一些,原初国际的演化终究是暴升、仍是大反弹、仍是其他模型呢?有没有一种方法可以洞悉国际大爆破之前的演化呢?

原初规范时钟:不同原初国际模型的判据

胀大仍是缩短,这是一个问题。不过作为物理问题,咱们不可用冥想来决断,而需以地理观测作答。本文题目中的“原初规范时钟”,正是经过地理观测处理这一问题的利器。

“规范时钟”的作业原理,与一般的时钟无异。不管什么类型的挂钟,都是以固定的节律运转的机器。所谓计时,便是记数节拍的数目。开始的挂钟,节律的来历是单摆。伽利略年青的时分,曾在教堂调查摇摆的灯架,意识到单摆的固定节律,这是一个广为人知的故事。现在常见的石英钟,则利用了石英晶体将电流转化为周期振荡的性质。不管如何,只需有固定的频率,就有或许用来计时。

量子国际的波粒二象性通知咱们,具有必定质量的粒子,对应于振荡频率固定的物质波,然后可以被用作具有固定节律的时钟。在原初国际中,带着质量的粒子可以经过各种方法被制造出来,并以物质波的方法发生振荡。这样的振荡经过各种方法影响时空本身的涨落,然后在国际大规范不均匀性上留下痕迹。原初国际中,带着质量的重粒子举目皆是。物理学家现在熟知的基本粒子,在原初国际中或许就很重,或许就可以用作原初规范时钟。[拜见鲜于中之:《国际学对撞机:两个极点规范的融合》]

物理学家近来发现,重粒子作为规范时钟,将在今日国际的大规范不均匀性中留下痕迹。在宣布于2016年的一篇文章中[1],哈佛大学的陈新刚、Mohammad Hossein Namjoo,与香港科技大学的王一发现,原初国际中重粒子的量子涨落足以对时空本身的扰动发生影响。因而,现在国际大规范不均匀性的三点相关函数(也称为非高斯性)有或许带着规范时钟的信息。

在陈新刚、哈佛大学的Abraham Loeb与我最近的一篇文章中[2],咱们发现,重粒子还将经过一种不同的方法影响大规范不均匀性的两点相关函数(也称为功率谱)。关于企图寻觅规范时钟信号的试验家而言,这是个好消息。由于在实践观测中,丈量功率谱远比非高斯性简单。

不管是功率谱仍对错高斯性,规范时钟影响国际大规范不均匀性的详细机制,都是适当技术性的问题。好在其物理实质,可以经过下面的类比来了解。

原初国际中以固定频率振荡的重粒子,似乎以固定频率摇摆的钟摆。咱们在钟摆的下方放置一条纸带,使它沿垂直于钟摆摇摆的方向运动,以此代表胀大或缩短的国际。为了模仿重粒子与时空的彼此效果,咱们可以在摆锤中灌注墨水,然后可以在移动的纸带上划出痕迹。现在,假如你向一端(图X中的蓝色箭头)拉动纸带,摇摆的钟摆就会划出一条振荡的轨道。不难了解,假如纸带向一方运动得越来越快,那么钟摆在纸带上划出的轨道将越来越稀少;反之,假如纸带减速移动,那么钟摆划出的痕迹将越来越密布。因而,经过纸带上轨道的形状,咱们就能推测出纸带运动的速度。

 

这正是原初规范钟作业的原理:经过某种彼此效果,重粒子将它频率固定的振荡印刻在时空本身的扰动中。现在,大爆破前的重粒子现已衰变殆尽,但它在大爆破之前振荡的遗址留在了时空布景的扰动中。经过寻觅和辨认这些遗址的形状,就可以推知原初国际终究在胀大仍是缩短。前面现已说到过,这些扰动成为了咱们现在国际大规范上不均匀与各向异性的种子,终究决议了现在国际的物质散布。下一代星系巡天观测,如美国的LSST和SPHEREx卫星、以及欧洲的Euclid,将有时机大幅改进对大规范不均匀性的丈量,然后有时机捕捉到原初规范时钟的脉动在现在国际的物质散布中留下的蛛丝马迹。

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