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宇宙大爆炸之前到底發生了什么?原初標準時鐘幫助我們窺探原初宇宙

編著:環球科學     來源:https://mp.weixin.qq.com/s/SHTXq6kv120jhsSHfEknXQ

圖片來源:Wokenmind

宇宙大爆炸在科學界已經成為一個常識,但是,宇宙大爆炸之前的原初宇宙到底發生了什么,卻一直沒有定論。在兩項研究中,物理學家發現,重粒子構成的原初標準時鐘或許能幫助我們窺探原初宇宙的形態。


2015年,陳新剛與王一等研究人員在對原初宇宙模型的研究中發現,宇宙大尺度的不均勻性與標準時鐘有很密切的關系。在此基礎上,最近,哈佛大學的鮮于中之等人提出,可以通過一種更易觀測的方式,將標準時鐘與宇宙不均勻性聯系起來。相關論文在PRL上發表以后,得到了美國物理學會網站的亮點報導。為此,《環球科學》特別邀請到了鮮于中之博士,請他對這一問題撰寫了詳盡的科普文章,以饗讀者。

撰文 | 鮮于中之(哈佛大學物理系)

編輯 | 張華

"大爆炸之前"的原初宇宙


物理學家告訴我們,宇宙在大約137億年前發生過大爆炸。“宇宙大爆炸”的說法婦孺皆知,可是,大爆炸之前呢?


這問題初看起來荒誕不經,但物理學家近年來已開始尋找回答它的線索。他們發現,下一代宇宙學觀測或許就能為我們提供答案。


從上世紀初至今,觀測與理論的積累使物理學家逐漸意識到,宇宙并非靜態不變的固定舞臺,而是在不斷膨脹。飄然浮游于宇宙中的星系,因之而彼此遠離。


從現今的觀測事實出發,藉由物理定律的向導,我們得以沿著時間的長河逆流而上,獲知宇宙演化的歷史。通過多種宇宙學觀測和理論的相互映證,我們能夠將宇宙的“信史”追溯到百億年前。那時的宇宙致密而熾熱,有如一團燃燒的天火。時間越早,這團火焰的溫度越高。


直到距今大約137億年前的某時刻,此番溯流而上的探險會遇到溫度無窮高、密度無窮大的狀態。現今的物理定律在此刻悉數失效,物理學家稱之為“大爆炸奇點”。自然,如果將宇宙大爆炸理解為大爆炸奇點,那么談論“大爆炸之前”是沒有物理意義的。


不過物理學家當然知道,通過這樣簡單外推得到的結果并不完全正確。很可能,宇宙的演化在很早的某個時刻會偏離這種簡化的外推。在此時刻之后,宇宙仍然按照標準的熱膨脹圖像演化。物理學家將稱這一段或多或少得到觀測驗證的演化歷史稱為“熱大爆炸”階段,而在此刻之前,則需要新的理論來解釋宇宙對熱大爆炸的偏離。這段時間,物理學家稱之為原初宇宙。因此,當我們提到“大爆炸之前”,就是指原初宇宙。


暴漲或許并非唯一可能

物理學家在過去幾十年間提出了多種理論描繪原初宇宙的演化,其中一些還能解決大爆炸的若干理論疑難——比如可以解釋為什么目前我們的宇宙極其平坦。


不過,對于今天的物理學家而言,原初宇宙理論最為迷人之處在于,它們對解釋我們本身的存在至關重要。我們知道,物質在可見宇宙中的分布相當均勻、但又不完全均勻。在宇宙歷史的早期,時空的不均勻性相當微弱。之后,在萬有引力的作用下,不均勻性逐漸被放大,物質分布逐漸結團成塊,漸漸出現了星系、恒星,最終才有了我們。


早期宇宙微小的不均勻性從何而來?這正是原初宇宙的理論需要回答的問題。在這些理論中,接受度最高的一種稱為漲理論。該理論認為,宇宙在大爆炸之前,還曾經歷過一段極為短暫而瘋狂的快速膨脹,在這段也許只有千萬億億億億分之一秒的時間內,宇宙以指數速度膨脹了大約百億億億倍。由于驅動這段急速膨脹的能量極其巨大,時空自身也會感受到明顯的量子漲落。這些量子漲落被飛速的膨脹迅速拉伸到很大的距離,最終成為宇宙在大尺度上不均勻性的種子。


通過測量宇宙微波背景或者星系的分布,我們如今已了解了很多關于原初宇宙不均勻性(也稱作原初擾動)的信息,并通過它們驗證或證偽不同的暴漲理論。因此,討論大爆炸之前的宇宙并不是虛妄之說,而是實實在在的物理問題。

圖片來源:pixabay


不過,暴漲理論不是一種固定的理論,而是一群理論模型的總稱:驅動宇宙指數膨脹的方式形形色色,各自都能預言一種特別的原初擾動不均勻性的樣式。除此之外,物理學家也提出了各種非暴漲模型,解釋宇宙在大爆炸之前的演化。在這些模型中,原初宇宙或收縮、或反彈,花樣繁多,不一而足。這些模型有不少也能解釋宇宙在大尺度上的不均勻與各向異性。盡管它們或許還有不少理論上的困難,但這些嘗試提示我們,暴漲或許并非原初宇宙的唯一可能。


原則上,通過細致測量宇宙大尺度的不均勻性,可以判定具體的暴漲模型。然而實際上,暴漲模型的構造相當靈活。似乎,無論物理學家觀測到任何樣式的不均勻性,理論家總能構造出一種暴漲模型來解釋這種樣式。于是有人懷疑,作為科學理論,暴漲究竟可以被證偽嗎?說得更明確一些,原初宇宙的演化究竟是暴漲、還是大反彈、還是其他模型呢?有沒有一種辦法可以洞察宇宙大爆炸之前的演化呢?


原初標準時鐘:不同原初宇宙模型的判據

膨脹還是收縮,這是一個問題。不過作為物理問題,我們不可用冥想來決斷,而需以天文觀測作答。本文題目中的“原初標準時鐘”,正是通過天文觀測解決這一問題的利器。


“標準時鐘”的工作原理,與一般的時鐘無異。無論什么類型的鐘表,都是以固定的節律運行的機器。所謂計時,就是記數節拍的數目。最初的鐘表,節律的來源是單擺。伽利略年輕的時候,曾在教堂觀察擺動的燈架,意識到單擺的固定節律,這是一個廣為人知的故事。現在常見的石英鐘,則利用了石英晶體將電流轉化為周期振動的性質。無論如何,只要有固定的頻率,就有可能用來計時。


量子世界的波粒二象性告訴我們,具有一定質量的粒子,對應于振動頻率固定的物質波,從而可以被用作具有固定節律的時鐘。在原初宇宙中,攜帶質量的粒子可以通過各種方式被制造出來,并以物質波的形式產生振動。這樣的振動通過各種方式影響時空自身的漲落,從而在宇宙大尺度不均勻性上留下痕跡。原初宇宙中,攜帶質量的重粒子比比皆是。物理學家目前熟知的基本粒子,在原初宇宙中可能就很重,也許就可以用作原初標準時鐘。[參見鮮于中之:《宇宙學對撞機:兩個極端尺度的交融》]


物理學家近來發現,重粒子作為標準時鐘,將在今天宇宙的大尺度不均勻性中留下痕跡。在發表于2016年的一篇文章中【1】,哈佛大學的陳新剛、Mohammad Hossein Namjoo,與香港科技大學的王一發現,原初宇宙中重粒子的量子漲落足以對時空自身的擾動產生影響。因此,現今宇宙大尺度不均勻性的三點關聯函數(也稱為非高斯性)有可能攜帶標準時鐘的信息。


在陳新剛、哈佛大學的Abraham Loeb與我最近的一篇文章中【2】,我們發現,重粒子還將通過一種不同的方式影響大尺度不均勻性的兩點關聯函數(也稱為功率譜)。對于試圖尋找標準時鐘信號的實驗家而言,這是個好消息。因為在實際觀測中,測量功率譜遠比非高斯性容易。


無論是功率譜還是非高斯性,標準時鐘影響宇宙大尺度不均勻性的具體機制,都是相當技術性的問題。好在其物理本質,可以通過下面的類比來理解。


原初宇宙中以固定頻率振動的重粒子,仿佛以固定頻率擺動的鐘擺。我們在鐘擺的下方放置一條紙帶,使它沿垂直于鐘擺擺動的方向運動,以此代表膨脹或收縮的宇宙。為了模擬重粒子與時空的相互作用,我們可以在擺錘中灌注墨水,從而能夠在移動的紙帶上劃出痕跡。現在,如果你向一端(圖X中的藍色箭頭)拉動紙帶,擺動的鐘擺就會劃出一條振蕩的軌跡。不難理解,如果紙帶向一方運動得越來越快,那么鐘擺在紙帶上劃出的軌跡將越來越稀疏;反之,如果紙帶減速移動,那么鐘擺劃出的痕跡將越來越密集。因此,通過紙帶上軌跡的形狀,我們就能推測出紙帶運動的速度。


這正是原初標準鐘工作的原理:通過某種相互作用,重粒子將它頻率固定的振蕩印刻在時空自身的擾動中。如今,大爆炸前的重粒子已經衰變殆盡,但它在大爆炸之前振動的遺跡留在了時空背景的擾動中。通過尋找和辨認這些遺跡的形狀,就能夠推知原初宇宙究竟在膨脹還是收縮。前面已經提到過,這些擾動成為了我們現今宇宙大尺度上不均勻與各向異性的種子,最終決定了現今宇宙的物質分布。下一代星系巡天觀測,如美國的LSST和SPHEREx衛星、以及歐洲的Euclid,將有機會大幅改善對大尺度不均勻性的測量,從而有機會捕捉到原初標準時鐘的脈動在如今宇宙的物質分布中留下的蛛絲馬跡。


擴展閱讀:

【1】 Xingang Chen, Mohammad Hossein Namjoo, Yi Wang, “Quantum Primordial Standard Clocks,” JCAP 1602 (2016) 013 [arXiv:1509.03930].


【2】 Xingang Chen, Abraham Loeb, Zhong-Zhi Xianyu, “Unique Fingerprints of Alternatives to Inflation in the Primordial Power Spectrum,” Phys. Rev. Lett. 122 (2019) 121301 [arXiv:1809.02603].

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