描述了宇宙诞生的熟悉图景。但是在那之前,什么过程导致了大爆炸?
的物理学家认为,就在大爆炸导致宇宙膨胀之前,还有另一个更具爆炸性的阶段:宇宙膨胀这个过程的持续时间不超过一万亿分之一秒,此时低温、均匀的粘性物质呈指数膨胀。然后,发生了一场大爆炸婴儿宇宙以相对较慢的速度膨胀,形成了一个更加多样化的宇宙。最近对
的一些观测分别支持了大爆炸理论和宇宙膨胀理论。然而,由于这两个过程之间的根本区别,物理学家无法证实这两个过程之间的联系是如何实现的。
现在,麻省理工学院和凯尼恩学院等研究机构的物理学家在《物理评论快报》上发表的一项研究中,全面模拟了早期宇宙的中间状态。这种称为“再加热”的中间状态出现在膨胀阶段的末尾,这可能与宇宙膨胀和大爆炸的过程有关。他们认为,在再加热的过程中,宇宙膨胀产生的低温和均匀的产物被搅拌成一种又热又乱的“汤”,这就是大爆炸的开始
“膨胀后的再加热阶段为大爆炸创造了条件。”从某种意义上说,它也为大爆炸准备了“炸药”,麻省理工学院的物理学教授大卫·凯泽说在这一过渡时期,这一问题开始分散,其运动变得更加复杂。"“
凯泽和他的同事们详细模拟了在通货膨胀末期的混乱时期各种物质之间的相互作用。他们的模拟结果显示,引发通货膨胀的强大能量可能会在很短的时间内重新分配,产生大爆炸所需的条件。
研究小组发现,如果量子效应在极高的能量条件下改变重力对物质的影响,上述能量将被更快、更有效地转化。然而,这偏离了爱因斯坦广义相对论预测的物质和重力的作用模式。
“这项研究让我们能够描述宇宙从宇宙膨胀到大爆炸再到后来阶段的完整演化画面,”凯泽说。“根据现有的物理学研究,我们可以追踪宇宙的完整演化。可以说,这是形成今天宇宙的一种可能方式。
打破共振
| 20世纪80年代,麻省理工学院的物理学教授阿兰·古斯首次提出了宇宙膨胀理论该理论预测宇宙从一个非常小的点开始,这个点的大小相当于一个1000亿质子这一点充满了超高能物质。极高的能量使内部压力产生膨胀的驱动力——排斥力。这种排斥力像点燃导火索的火花一样作用于婴儿宇宙,在一万亿分之一秒内将宇宙的膨胀速度加快到原始体积的1026倍。Kaiser和他的同事在实验室里成功模拟了再加热阶段开始时可能出现的现象。“再加热的初始阶段以共振为特征凯泽指出:“一种占主导地位的高能物质在太空中有规律地来回振动,与其自身同步,并爆炸式地产生大量新粒子。”这种行为不会持续很久。一旦它开始将能量转移到第二种物质形式,它在空间中的振荡就会变得波动我们想通过模拟来确定这种共振效应需要多长时间才能被打破,产生的大量粒子才能分散并达到热平衡的大爆炸状态。“
计算机模拟结果呈现在一个巨大的网格上研究人员跟踪了不同条件下电网上不同物质的能量和分布是如何随时间变化的。模拟的初始条件是基于一个特定的模型——一组对宇宙膨胀期间物质分布的预测。
科学家在许多候选模型中选择了这个特定的扩展模型,因为它的预测结果与宇宙微波背景辐射的测量结果高度一致。宇宙微波背景辐射是大爆炸后仅380,000年的余辉,所以科学家认为它包含了膨胀期的痕迹。
宇宙的扭曲
模拟跟踪了两种物质的性能,这两种物质可能在膨胀中起主导作用,非常类似于几年前发现的希格斯玻色子
在运行模拟程序之前,研究小组在模型对重力的描述上添加了一点“扭曲”。尽管引力对普通物质的影响遵循广义相对论的预测,但对于高能物质,情况略有不同,比如被认为在宇宙膨胀时期存在的物质。量子力学已经改变了它们受重力影响的方式。
根据广义相对论,引力的强度是一个常数,物理学家称之为最小耦合。这意味着不管特定粒子的能级如何,重力对它的作用强度都遵循一个常数。
然而,在宇宙膨胀预测的极高能量下,物质和重力之间的相互作用更加复杂。根据量子力学效应的预测,当作用于极高能量的物质时,重力的大小将在空间和时间上发生变化。这种现象称为非最小耦合
凯泽和他的同事在膨胀模型中加入了非最小耦合项,并观察了当他们向前或向后作用于这种量子效应时物质和能量分布的变化。
最后,他们发现量子修正的引力效应越显著,在大爆炸中具有均匀低温的物质就越快转变成热的多样的物质。
通过调整这种量子效应,他们可以使这一关键变化持续2~3个“e-fold”(e-fold指宇宙膨胀大约两倍所需的时间)也就是说,他们模拟了2~3个e形褶皱的再加热阶段相比之下,通货膨胀本身持续了大约60倍凯泽说:“再加热是一个疯狂的时期,一切都失控了。”。“我们的结果表明,物质之间的相互作用在再加热过程中非常强烈,而且这种效应正在迅速消失,这为大爆炸创造了一个完美的舞台我们以前没有预测过这样的结果,但这正是基于现有物理知识的模拟所显示的。这对我们来说是令人兴奋的“