宇宙大年夜爆炸前的暴胀“再加热”:猖狂的一切都乱了套

2019年12月03日 09:04 次浏览 稿源:新浪科技 条评论

北京时间12月3日消息,据国外媒体报导,宇宙大年夜爆炸实际称,大年夜约138亿年前,宇宙产生了一场大年夜爆炸;由一个别积无穷小,非常致密的奇点状况,开端收缩、冷却,并激起一系列反响,培养了第一批恒星和星系,和明天我们见到的一切物质情势。

宇宙大年夜爆炸表示图

物理学家信赖,就在大年夜爆炸将宇宙推向赓续收缩的轨道之前,早期宇宙还经历了宇宙暴胀的阶段,其持续时间不到万亿分之一秒。在暴胀时代,高温、均匀的淡薄状物质以指数级的速度收缩,随后大年夜爆炸持续停止,宇宙以更慢的速度收缩,并构成早期宇宙。

近年来一些自力的不雅测成果支撑了大年夜爆炸和宇宙暴胀的实际。然则,这两个过程是如此的截然不合,以致于迷信家一向难以懂得它们是若何前后产生的。

近日,美国麻省理工学院、凯尼恩学院和其他研究机构的物理学家详细模仿了早期宇宙的一个中心阶段,而这个阶段能够连接了宇宙暴胀和大年夜爆炸。研究人员将这一阶段称为“再加热”,产生在宇宙暴胀的末期,其过程是将曾经收缩的高温、均匀物质改变成温度超高且成分复杂的“汤”,为大年夜爆炸的开端做好预备。

“暴胀后的再加热时代为大年夜爆炸创造了条件,在某种意义上,这使‘大年夜爆炸’变得名不虚传,”麻省理工学院的迷信史和物理学传授大年夜卫·凯泽(David Kaiser)说,“正是在这个桥梁时代,一切都开端松动,物质的行动变得异常复杂。”

凯泽和他的同事详细模仿了在暴胀末期的这场纷乱中,多种情势的物质是若何相互感化的。他们的模仿显示,推动暴胀的极端能量以异样快的速度在更短的时间内重新分布,并以某种方法产生了大年夜爆炸开端所需的条件。

研究人员发明,假设量子效应改变了物质在极高能量下对引力的反响方法,偏离了爱因斯坦狭义相对论所猜想的物质和引力的相互感化方法,那么这类极真个改变将会更快、更有效。“这使我们可以或许讲述一个完全的故事,从暴胀到后暴胀时代,再到宇宙大年夜爆炸,乃至更远今后,”凯泽说,“我们可以追踪一系列持续的过程,一切这些过程都是已知的物理过程。我们可以说,这是一种公道的方法,让宇宙出现出明天所看到的模样。”

“与本身同步”

20世纪80年代,麻省理工学院的物理学传授艾伦•古思(Alan Guth)初次提出了宇宙暴胀实际。该实际猜想,宇宙最后是一个极端渺小的物质点,能够只要质子的1000亿分之一大年夜小。这粒“微尘”充斥了超高能的物质,其能量如此之大年夜,以致于外部的压力产生了一种排斥性引力——这就是暴胀眼前的驱动力。就像引信上的火花一样,这类引力以史无前例的速度使重生的宇宙向外爆炸,在不到一万亿分之一秒的时间内,将宇宙收缩到接近原始大年夜小的10^25倍(1前面有26个0)。

凯泽和同事们试图弄清楚再加热的最后阶段——宇宙暴胀末期和大年夜爆炸之前的过渡阶段——能够产生了甚么。“再加热的最后阶段应当用共振态来标记。一种高能物质占据了主导地位,它在广阔的空间中与本身同步往复摆动,招致新粒子的迸发,”凯泽说,“这类行动不会永久持续下去,一旦它开端将能量转移到另外一种情势的物质上,它本身的动摇将在空间中变得加倍起伏不定。我们想要丈量的是,这类共振效应须要多长时间才会决裂,产生的粒子才会彼此分散,并达到某种热均衡,类似于大年夜爆炸的情况。”

计算机模仿显示了一个大年夜的交错构造,他们在下面绘制了多种物质情势,并追踪了它们的能量和分布若何随着某些条件的改变而在空间和时间上产生变更。模仿的初始条件基于一个特定的暴胀模型,即一组关于早期宇宙物质在暴胀时代能够若何分布的猜想。

迷信家之所以选择这类特定的收缩模型,是由于它的猜想与宇宙微波背景的高精度丈量成果异常吻合。宇宙微波背景是宇宙大年夜爆炸38万年后收回的辐射残余,人们认为其包含了暴胀时代的陈迹。

对引力效应的调剂

该模仿跟踪了两种能够在暴胀时代占主导地位的物质的行动,与比来在其他实验中不雅察到的一种粒子——希格斯玻色子——异常类似。

在停止模仿之前,研究小组对模型的引力描述停止了微调。我们明天看到的惯例物质,会以爱因斯坦狭义相对论猜想的方法照应引力;具有更高能量的物质,如能够存在于暴胀时代的物质,其行动应当有所不合。它们与引力相互感化的方法能够遭到量子力学影响,或在原子标准相互感化。

在爱因斯坦的狭义相对论中,引力的强度表示为一个常数,物理学家称之为“最小耦合”,意思是不管一个特定粒子的能量若何,它都邑以一个通用常数设定的强度对引力效应做出反响。

但是,宇宙暴胀猜想的高能量下,物质与引力的相互感化以稍微复杂一点的方法停止。量子力学效应猜想,当与超高能物质相互感化时,引力的强度在空间和时间上会产生变更,这类景象被称为“非最小耦合”。

凯泽和同事们将一个非最小耦合项归入了暴胀模型,其实不雅察了物质和能量的分布若何随着量子效应的上升或降低而变更。

最后,他们发明,经过量子力学修改的引力效应对物质的影响越强,宇宙从高温、均匀的暴胀物质过渡到更热、更多样的大年夜爆炸特有物质的速度就越快。经过过程调剂这个量子效应,他们可使这个关键的改变产生在2到3“e-fold”时。e-fold指的是宇宙(大年夜约)收缩3倍所需的时间。在这类情况下,他们成功模仿了宇宙收缩到2至3倍的时间内再加热的过程。比拟之下,暴胀本身产生在约60 e-fold时。

“再加热是一个猖狂的时代,一切都乱了套,”凯泽说,“我们发明,当时物质的相互感化是如此激烈,以致于它可以照应地敏捷‘抓紧’上去,为大年夜爆炸创造了合适的条件。我们不知道实际是否是如许,但这是从模仿中得出的结论,采取的都是已知的物理学。这就是让我们高兴的处所。”(任天)

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