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是什么触发了宇宙大爆炸?

2019-10-27 22:29| 发布者: | 查看: 20| 评论: 0

摘要: 图片来源:Christine Daniloff, MIT, ESA/Hubble and NASA  1.  根据大爆炸理论,我们的宇宙诞生于 138 亿年前,从一个无限小的致密火球,不断地扩张膨胀,并慢慢冷却。渐渐地,宇宙中形成了第一批恒星、星系, ...


图片来源:Christine Daniloff, MIT, ESA/Hubble and NASA

  1.

  根据大爆炸理论,我们的宇宙诞生于 138 亿年前,从一个无限小的致密“火球”,不断地扩张膨胀,并慢慢冷却。渐渐地,宇宙中形成了第一批恒星、星系,以及我们如今所见到的所有形式的物质。

  物理学家相信,就在大爆炸将宇宙推向不断膨胀的进程之前,早期宇宙还经历了另一个更具爆炸性的阶段——宇宙暴胀。这个过程持续的时间不到万亿分之一秒,但膨胀的速度却是以指数级增长的。  


Guth 的笔记

  上个世纪 80 年代,物理学教授 Alan Guth 首次提出了宇宙膨胀理论,该理论预测宇宙最初是一个极微小的物质点,其大小可能只有质子的千亿分之一。这个点中充满了超高能物质,能量非常之大,以至于内部的压力产生了一种排斥性的引力——这就是暴胀背后的驱动力。就像火花之于引信一样,这种引力以前所未有的速度将新生的宇宙向外推,在不到万亿分之一秒的时间内,使宇宙膨胀到接近原始大小的 10²⁷倍。

  许多天文观测结果都支持了大爆炸和宇宙暴胀理论。但是,这是两个截然不同的过程,科学家们一直难以理解其中一个是如何紧随另一个之后出现的。

  在一项新的研究中,物理学家详细地模拟了早期宇宙中一个可能连接了宇宙暴胀和大爆炸的中间阶段。这个阶段被称为“再热”,这一过程出现在宇宙暴胀末期和大爆炸开始之前的阶段,将暴胀产生的冷的、均匀的物质转变成超热的、复杂的物质汤。

  论文的作者David Kaiser说:“后暴胀再热时期为大爆炸创造了条件,在某种意义上,是它启动了‘爆炸’,正是在这个桥梁时期,所有的事物都开始松动,物质的行为变得非常复杂。”

  2.

  对于这个连接了宇宙暴胀和大爆炸的桥梁阶段,研究人员很好奇它最初会是什么样子。

  Kaiser 说:“再热的最初阶段应该用共振来标记。一种高能物质占据主导地位,它在广阔的空间中与自身同步来回摆动,导致爆炸式地产生新的粒子。但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,它自身的摆动将在空间中变得更加起伏不平。我们想要测量的是,需要多长的时间共振效应才会破裂,产生的粒子才会彼此分散并且达到某种热平衡,让人想起大爆炸发生时的情况。”

  他们的计算机模拟中展示了一个很大的晶格,在这个晶格上,他们绘制了多种形式的物质,并追踪了当某些条件被改变时,能量和分布会如何随之在空间和时间上发生变化。模拟的初始条件是基于一个特定的暴胀模型而设置的,这个模型是一组关于早期宇宙的物质分布在宇宙暴胀期间的行为得到一系列预测。

  他们之所以选择这一特定的暴胀模型,是因为它的预测与高精度的宇宙微波背景测量结果非常吻合。

  3.

  在模拟中,他们研究了两种可能在暴胀期间占主导地位的物质的行为,这些物质与希格斯玻色子非常相似。

  在进行模拟之前,研究人员对模型中的引力描述进行了一个微小的调整。我们如今看到的普通物质在引力下的作用应正如爱因斯坦广义相对论中所预测的那样;但在更高的能量下,比如在宇宙暴胀期间,物质的行为或许会略有不同,与之产生相互作用的引力是由量子力学修正过的。

  在广义相对论中,引力的强度被表示为一个常数,物理学家称之为是最小耦合,这意味着,无论一个特定粒子的能量为何,它都会以一个由普适常数所设定的强度对引力效应做出反应。

  然而,在宇宙暴胀的高能量下,物质与引力的相互作用会以一种更为复杂的方式进行。而量子力学效应预测,当与超高能物质发生相互作用时,引力的强度在空间和时间中会发生变化,这是一种被称为非最小耦合的现象。

  研究人员将这一个非最小耦合项纳入了他们的暴胀模型中,并观察了物质和能量的分布是如何随着量子效应的涨落变化的。

  最后他们发现,量子修正过的引力效应对物质的影响越强,宇宙就会越快地从暴胀中寒冷、均匀的物质过渡到更热、更多样的大爆炸过程中特有的物质。

  “再热是一个疯狂的过程,一切都不受控制。我们发现,当时物质之间的相互作用非常强烈,以至于它可以相应地快速放松下来,为大爆炸创造了合适的条件。我们以前并不知道会是这个样子,但这些都是我们用已知的物理学从模拟中得出的结论。这正是让我们兴奋的地方。”

  对于新的发现,其他物理学家认为,关于造成了暴胀阶段的提议有数百种,但从暴胀阶段到所谓的‘热大爆炸’之间的过渡却是人们最不了解的部分,而这篇论文则通过包含多个独立的场和复杂的动力学在模型中精确地模拟后暴胀阶段,开辟了新的领域。这是极具挑战性的数值模拟,并为研究早期的宇宙非线性动力学提供了最新的技术。


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