宇宙大爆炸之前發生了什麼?科學家給出新解釋

宇宙從何而來?又如何變成如今這般「模樣」?目前科學家廣泛認可的故事始於約138億年前。那時,一個密度極大的點發生暴脹,然後宇宙大爆炸開始,宇宙不斷膨脹並冷卻,原子核、原子,直至我們今天看到的漫天繁星等開始形成。

宇宙大爆炸和演化的示意圖,圖中從左到右是時間前進的方向,與時間軸垂直的維度代表宇宙持續膨脹的空間。 圖片來源:NASA官網

 

儘管這個故事充滿了各種戲劇性的巧合、激烈的衝突,但仍存在一個漏洞:這兩個涇渭分明的時期是如何聯繫在一起的?幾十年來,這一直是縈繞在科學家心頭的一團迷霧。最近,一個國際研究團隊對宇宙演化的這一關鍵過渡期進行了模擬,得出結論稱,所謂的「再加熱」過程可能是宇宙初期這兩個階段的「橋樑」,但這一過程的確鑿證據仍有待進一步尋覓。

宇宙的「兩副面孔」:暴脹和大爆炸

提起宇宙的起源,最著名的應該是宇宙大爆炸理論了,這一模型理論上基於愛因斯坦的廣義相對論,並得到當今科學實驗觀測最廣泛最精確的支持。

該理論認為,我們的宇宙誕生於約138億年前。從一個極小的緻密「火球」,不斷膨脹並慢慢冷卻,漸漸地,我們今天看到的原子、身邊的鳥語花香以及漫天閃爍的恆星和星系得以形成。

不過,現在物理學界普遍認為,在大爆炸發生之前,還發生過宇宙暴脹。宇宙暴脹理論由日本的佐藤勝彥博士和美國的艾蘭‧哈維‧古斯博士提出。該理論認為,宇宙誕生之初,在不到萬億分之一秒內,宇宙從幾乎無限小的點暴增了1027倍。隨後,宇宙發生了大爆炸,並逐漸演變成了今天的「模樣」。

四處亂撞的粒子將宇宙「再加熱」

那麼,宇宙如何能在如此短暫的時間內迅速「變臉」——從暴脹時期過渡到大爆炸時期?這兩個時期之間有何關聯呢?

據美國趣味科學網站報導,為解決這一宇宙的演化難題,來自美國凱尼恩學院、麻省理工學院(MIT)和荷蘭萊頓大學的研究人員模擬了宇宙暴脹與宇宙大爆炸之間的關鍵過渡時期——「再加熱」時期。

在他們的模型中,研究主要作者雷切爾‧阮及同事模擬了被稱為「暴脹子」(inflatons)的物質形式的行為。他們認為,假想的「暴脹子」本質上類似於希格斯玻色子,創造了推動宇宙暴脹的能量場。在適當的條件下,「暴脹子」的能量可以被有效地重新分配,進而產生使宇宙重新加熱所需的各種粒子。

研究人員之一、麻省理工學院物理學教授戴維‧凱澤表示:「宇宙暴脹後的再加熱時期為大爆炸創造了條件,從某種意義上說,將『大爆炸』置於宇宙大爆炸之中。在這個過渡時期,宇宙翻江倒海,一切都亂作一團,物質的表現形式非常複雜。」

雷切爾則解釋說,在宇宙暴脹時期,所有物質四處散落,使宇宙成為一個寒冷而空曠的地方,缺乏點燃宇宙大爆炸所需的「粒子熱湯」。而在「再加熱」時期,推動宇宙暴脹的能量發生衰變,「搖身一變」成為粒子。

雷切爾說:「這些粒子一旦誕生,就會四處亂撞且相互撞擊,傳遞動量和能量,正是這種能量將冰冷的宇宙再次加熱,為宇宙大爆炸奠定了基礎。」

引力波中或潛伏關鍵證據

那麼,最新模擬除了指出「再加熱」過程是宇宙暴脹和大爆炸之間的橋樑外,還能給我們提供哪些啟示呢?

研究的合作者、凱尼恩學院物理學副教授湯姆‧吉布林說:「從寒冷的暴脹時期到熾熱的大爆炸時期,應該蘊藏著哪些粒子可以在如此高的能量狀態下存在的關鍵證據。」

此外,在宇宙暴脹時期的極端能量狀態下,引力的「行為舉止」是怎樣的?這一基本問題也一直讓物理學家們「輾轉反側」。

愛因斯坦的廣義相對論認為,引力對所有物質「一視同仁」,與粒子能量無關。但科學家們認為,由於量子力學,在極高能量狀態下,物質對引力的反應會有所不同。

哪個觀點是正確的?研究團隊調整了粒子與引力的相互作用強度,將上述假設納入模型中。結果發現,引力增加越多,「暴脹子」傳遞能量生成大爆炸期間出現的熱物質粒子的效率就越高。

現在,研究人員需要尋找證據來支持這一模型。

吉布林說:「我們使用模擬來預測宇宙的『模樣』,這個再加熱時期應該在宇宙中某個地方留下了印記,我們要做的就是找到它。」

但找到這個印記可能並非易事。研究人員稱,對宇宙最早的「驚鴻一瞥」源自宇宙微波背景輻射(CMB)——產生於宇宙大約38萬歲時的電磁波輻射一直在宇宙中傳播,它們的「餘暉」就是今天我們看到的宇宙微波背景輻射。但吉布林表示,CMB只保留了宇宙誕生初期的樣貌,希望未來的引力波觀測能提供最終線索。

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