把”砰”放进大爆炸里

宇宙大爆炸理论,大约138亿年前宇宙爆炸,作为一个无限小,紧凑的火球的物质冷却扩张,引发反应,煮熟的第一批恒星和星系,和所有形式的问题,今天我们看到(并)。

物理学家们相信，就在大爆炸将宇宙推向不断膨胀的轨道之前，早期宇宙还有另一个更具爆炸性的阶段在起作用:宇宙膨胀，持续时间不到万亿分之一秒。在此期间，物质——一种冰冷的、均匀的粘稠物——在大爆炸的过程开始以更慢的速度扩展和多样化婴儿宇宙之前，就以指数级的速度膨胀。

最近的观测结果独立地支持了大爆炸和宇宙膨胀的理论。但是，这两个过程是如此的截然不同，以至于科学家们一直难以理解其中一个是如何跟随另一个的。

现在，麻省理工学院(MIT)、凯尼恩学院(Kenyon College)和其他地方的物理学家已经详细模拟了早期宇宙的一个中间阶段，这个阶段可能连接了宇宙膨胀和大爆炸。这一阶段被称为“再热”，发生在宇宙膨胀的末期，其过程是将膨胀的冷的、均匀的物质转变成超热的、复杂的汤，这一过程在大爆炸开始时就已经存在了。

“后通货膨胀时期为大爆炸创造了条件，在某种意义上把‘大爆炸’放在了大爆炸中，”麻省理工学院(MIT)科学史和物理学教授格梅斯豪森(Germeshausen)教授大卫·凯泽(David Kaiser)说。“正是在这个桥梁时期，所有的地狱都开始松动，物质的行为变得非常复杂。”

凯泽和他的同事详细模拟了在通货膨胀末期的这段混乱时期，多种形式的物质是如何相互作用的。他们的模拟显示，推动通货膨胀的极端能量可以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。

研究小组发现，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预测物质和引力应该相互作用的方式，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，从通货膨胀到后通货膨胀时期，再到宇宙大爆炸，甚至更远，”Kaiser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，让宇宙呈现出我们今天看到的样子。”

研究小组的结果发表在今天的《物理评论快报》上。凯尼恩学院的Rachel Nguyen和John T. Giblin是凯尼恩学院的主要作者，荷兰莱顿大学的前麻省理工研究生Evangelos Sfakianakis和Jorinde van de Vis也是凯尼恩学院的主要作者。

“与自身同步”

20世纪80年代，麻省理工学院(MIT)物理学教授、V.F.韦斯科普夫(V.F. Weisskopf)的艾伦•古特(Alan Guth)首次提出了宇宙膨胀理论。该理论预测，宇宙最初是一个极其微小的物质微粒，可能只有质子的1000亿分之一大小。这颗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——这就是膨胀背后的驱动力。就像引信上的火花一样，这种引力以前所未有的速度将新生的宇宙炸向外，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的10次方倍(即1后面有26个0)。

凯泽和他的同事们试图弄清楚重新加热的最初阶段——宇宙膨胀末期和大爆炸之前的桥梁间隔——可能是什么样的。

“重新加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，导致新粒子的爆炸产生，”凯瑟说。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平。我们想要测量需要多长时间共振效应才会破裂，产生的粒子才会彼此分散，并达到某种热平衡，让人想起大爆炸的情况。”

该团队的计算机模拟显示了一个大的晶格，他们在上面绘制了多种形式的物质，并追踪了它们的能量和分布如何随着科学家改变某些条件而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——一组关于早期宇宙物质分布可能在宇宙暴胀期间表现的预测。

科学家们之所以选择这种特定的暴胀模型而不是其他模型，是因为它的预测与宇宙微波背景辐射的高精度测量结果非常吻合。

一个普遍的调整

该模拟跟踪了两种可能在暴涨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，研究小组对模型的重力描述进行了微调。普通物质,我们今天看到响应重力正如爱因斯坦在他的广义相对论理论预测,在更高的能量,如认为存在在宇宙膨胀,其行为应当有所不同,引力相互作用的方式,由量子力学修正,或在原子尺度相互作用。

在爱因斯坦的广义相对论中，引力的强度被表示为一个常数，物理学家称之为最小耦合，这意味着，无论一个特定粒子的能量如何，它都会以一个宇宙常数设定的强度对引力效应做出反应。

然而，在宇宙膨胀中预测的高能量下，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。

凯泽和他的同事们将一个非最小耦合项纳入了他们的暴胀模型，并观察了物质和能量的分布是如何随着量子效应的上升或下降而变化的。

最后，他们发现量子修正的引力效应对物质的影响越强，宇宙就越快地从寒冷的、同质的膨胀物质过渡到更热、更多样的、大爆炸特有的物质。

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倍的“e倍”上，e倍指的是宇宙(大约)扩大到3倍所需的时间。在这种情况下，他们成功地模拟了宇宙在2到3倍的时间内重新升温的过程。相比之下，通货膨胀本身发生了约60倍。

“重新加热是一个疯狂的时代，一切都乱了套，”凯撒说。“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，为大爆炸创造了美妙的条件。”我们不知道会是这样，但这是从这些模拟中得出的结论，都是已知的物理现象。这就是让我们兴奋的地方。”

这项研究得到了美国能源部和国家科学基金会的部分支持。