宇宙大爆炸前的暴脹「再加熱」：瘋狂的一切都亂了套
- 2019 年 12 月 3 日
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宇宙大爆炸理論稱，大約138億年前，宇宙發生了一場大爆炸；由一個體積無限小，無比緻密的奇點狀態，開始膨脹、冷卻，並引發一系列反應，造就了第一批恆星和星系，以及今天我們見到的所有物質形式。
物理學家相信，就在大爆炸將宇宙推向不斷膨脹的軌道之前，早期宇宙還經歷了宇宙暴脹的階段，其持續時間不到萬億分之一秒。在暴脹期間，低溫、均勻的粘稠狀物質以指數級的速度膨脹，隨後大爆炸繼續進行，宇宙以更慢的速度膨脹，並形成初期宇宙。
近年來一些獨立的觀測結果支持了大爆炸和宇宙暴脹的理論。但是，這兩個過程是如此的截然不同，以至於科學家一直難以理解它們是如何先後發生的。近日，美國麻省理工學院、凱尼恩學院和其他研究機構的物理學家詳細模擬了早期宇宙的一個中間階段，而這個階段可能連接了宇宙暴脹和大爆炸。研究人員將這一階段稱為“再加熱”，發生在宇宙暴脹的末期，其過程是將已經膨脹的低溫、均勻物質轉變成溫度超高且成分複雜的“湯”，為大爆炸的開始做好準備。
“暴脹後的再加熱時期為大爆炸創造了條件，在某種意義上，這使‘大爆炸’變得名副其實，”麻省理工學院的科學史和物理學教授大衛·凱澤（David Kaiser）說，“正是在這個橋樑時期，一切都開始鬆動，物質的行為變得非常複雜。”
凱澤和他的同事詳細模擬了在暴脹末期的這場混亂中，多種形式的物質是如何相互作用的。他們的模擬顯示，推動暴脹的極端能量以同樣快的速度在更短的時間內重新分佈，並以某種方式產生了大爆炸開始所需的條件。
研究人員發現，如果量子效應改變了物質在極高能量下對引力的反應方式，偏離了愛因斯坦廣義相對論所預測的物質和引力的相互作用方式，那麼這種極端的轉變將會更快、更有效。“這使我們能夠講述一個完整的故事，從暴脹到後暴脹時期，再到宇宙大爆炸，甚至更遠以後，”凱澤說，“我們可以追蹤一系列連續的過程，所有這些過程都是已知的物理過程。我們可以說，這是一種合理的方式，讓宇宙呈現出今天所看到的樣子。”
“與自身同步”
20世紀80年代，麻省理工學院的物理學教授艾倫•古思（Alan Guth）首次提出了宇宙暴脹理論。該理論預測，宇宙最初是一個極其微小的物質點，可能只有質子的1000億分之一大小。這粒“微塵”充滿了超高能的物質，其能量如此之大，以至於內部的壓力產生了一種排斥性引力——這就是暴脹背後的驅動力。就像引信上的火花一樣，這種引力以前所未有的速度使新生的宇宙向外爆炸，在不到一萬億分之一秒的時間內，將宇宙膨脹到接近原始大小的10^25倍（1後面有26個0）。
凱澤和同事們試圖弄清楚再加熱的最初階段——宇宙暴脹末期和大爆炸之前的過渡階段——可能發生了什麼。“再加熱的最初階段應該用共振態來標記。一種高能物質佔據了主導地位，它在廣闊的空間中與自身同步來回擺動，導致新粒子的爆發，”凱澤說，“這種行為不會永遠持續下去，一旦它開始將能量轉移到另一種形式的物質上，它自身的波動將在空間中變得更加起伏不定。我們想要測量的是，這種共振效應需要多長時間才會破裂，產生的粒子才會彼此分散，並達到某種熱平衡，類似於大爆炸的情況。”
計算機模擬顯示了一個大的交錯結構，他們在上面繪製了多種物質形式，並追蹤了它們的能量和分佈如何隨着某些條件的改變而在空間和時間上發生變化。模擬的初始條件基於一個特定的暴脹模型，即一組關於早期宇宙物質在暴脹期間可能如何分佈的預測。
科學家之所以選擇這種特定的膨脹模型，是因為它的預測與宇宙微波背景的高精度測量結果非常吻合。宇宙微波背景是宇宙大爆炸38萬年後發出的輻射殘餘，人們認為其包含了暴脹時期的痕迹。
對引力效應的調整
該模擬跟蹤了兩種可能在暴脹期間佔主導地位的物質的行為，與最近在其他實驗中觀察到的一種粒子——希格斯玻色子——非常相似。在進行模擬之前，研究小組對模型的引力描述進行了微調。我們今天看到的常規物質，會以愛因斯坦廣義相對論預測的方式響應引力；具有更高能量的物質，如可能存在於暴脹期間的物質，其行為應當有所不同。它們與引力相互作用的方式可能受到量子力學影響，或在原子尺度相互作用。
在愛因斯坦的廣義相對論中，引力的強度表示為一個常數，物理學家稱之為“最小耦合”，意思是無論一個特定粒子的能量如何，它都會以一個通用常數設定的強度對引力效應做出反應。
然而，宇宙暴脹預測的高能量下，物質與引力的相互作用以稍微複雜一點的方式進行。量子力學效應預測，當與超高能物質相互作用時，引力的強度在空間和時間上會發生變化，這種現象被稱為“非最小耦合”。
凱澤和同事們將一個非最小耦合項納入了暴脹模型，並觀察了物質和能量的分佈如何隨着量子效應的上升或下降而變化。最後，他們發現，經過量子力學修正的引力效應對物質的影響越強，宇宙從低溫、均勻的暴脹物質過渡到更熱、更多樣的大爆炸特有物質的速度就越快。通過調整這個量子效應，他們可以使這個關鍵的轉變發生在2到3“e-fold”時。e-fold指的是宇宙（大約）膨脹3倍所需的時間。在這種情況下，他們成功模擬了宇宙膨脹到2至3倍的時間內再加熱的過程。相比之下，暴脹本身發生在約60 e-fold時。
“再加熱是一個瘋狂的時期，一切都亂了套，”凱澤說，“我們發現，當時物質的相互作用是如此強烈，以至於它可以相應地迅速‘放鬆’下來，為大爆炸創造了合適的條件。我們不知道實際是不是這樣，但這是從模擬中得出的結論，採用的都是已知的物理學。這就是讓我們興奮的地方。”
