音頻科普：兩個極端尺度的交融——宇宙學(xué)對撞機（下）
發(fā)布時間：2020-06-27
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音頻科普：兩個極端尺度的交融——宇宙學(xué)對撞機（下）
根據(jù)量子力學(xué)的不確定性原理，時空本身存在一種擾動，在宇宙學(xué)中，這種擾動被稱為“量子漲落”；緊接著，暴脹開始了，這種量子漲落被快速地膨脹迅速放大，最終為物質(zhì)成團結(jié)塊、恒星聚集成星系創(chuàng)造了初始條件，所以，這些量子漲落就被稱為“原初漲落”。也就是說，沒有原初漲落，就不會有以后的星系、恒星，當(dāng)然也不可能會有地球和生命。
物質(zhì)漲落的演化史，就是一部物質(zhì)運動與時空幾何交互影響的歷史。玻爾茲曼方程決定了物質(zhì)團塊在彎曲時空中如何各自漫游、相互沖撞，而愛因斯坦場方程決定了物質(zhì)的分布如何扭曲時空的幾何。所以，從理論上來說，只要我們能知道物質(zhì)漲落的所有初始參數(shù)，原則上就可以利用計算機來模擬宇宙任何時刻的模樣，然后我們可以用今天實際的天文觀測結(jié)果與模擬的結(jié)果比對，從而又反過來幫助我們確定最初的那些參數(shù)設(shè)定的到底對不對。所以，這里的關(guān)鍵問題就是要對今天宇宙中的物質(zhì)分布的漲落作出精確地觀測。天文學(xué)家又是怎么觀測的呢？
他們想出了很多招數(shù)。其中，最直接的辦法或許是盡可能地搜尋漫布天空中的星系，為它們繪制三維地圖。在宇宙學(xué)中，這幅地圖被稱為“大尺度結(jié)構(gòu)”。還有另一種非常有效的辦法，是觀測宇宙從熾熱發(fā)光的童年時期留下來的余暉。這些來自宇宙大爆炸之后幾萬年的光芒，如今已紅移到微波波段，這就是“宇宙微波背景輻射”。
總結(jié)一下，科學(xué)家們首先測量宇宙中物質(zhì)在大尺度上的漲落，并經(jīng)過已知的物理規(guī)律回溯到它們誕生之初的初始條件，實際上也就在測量這些誕生于宇宙暴脹時期極端高能條件下的原初漲落。掌握了這些原初漲落的情況，就如同探測到了對撞機中那些短壽命粒子的衰變后產(chǎn)物。
這里需要給大家來舉例說明：在宇宙暴脹期間，一對“虛的”重粒子被時空的量子漲落創(chuàng)造出來，并被宇宙的指數(shù)膨脹迅速拉伸到很大的尺度。這些虛的重粒子同樣短壽，它們還沒有來得及存留到暴脹結(jié)束，就衰變得全無蹤影。幸好，在它們尚未完全消失前，這些重粒子會與時空本身的量子漲落發(fā)生相互作用。
時空本身的量子漲落中，有一種被稱為“曲率擾動”的模式，具有很長的壽命。這種曲率擾動被暴脹的宇宙撕扯到很大的尺度后就被凍結(jié)下來，形成了能被觀測到的物質(zhì)漲落的初始條件?？茖W(xué)家們正是通過測量不同位置原初漲落間的相互關(guān)聯(lián)，間接推知宇宙在暴脹期間能量極高的條件下所發(fā)生過的物理過程。這就是 “宇宙學(xué)對撞機”的原理了。
當(dāng)然，有了這套“宇宙學(xué)對撞機”的原理后，科學(xué)家們或許可以在接下的時間中，利用它來探索未知的物理規(guī)律。



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