科學探索：是什么決定了宇宙的結構？

量子漲落可能是早期宇宙中大尺度宇宙結構(如星系團)的溫床。（圖片來源：NASA, ESA, Hubble and RELICS）
大約138億年前，宇宙從我們熟知的大爆炸中誕生。那時，極度熾熱、稠密的能量和物質(zhì)充斥在宇宙中，推動了宇宙的膨脹。很多物理學家認為，在隨后的短暫時間內(nèi)，宇宙經(jīng)歷了一個急速膨脹的階段，這個階段也被叫做暴脹（inflation）。暴脹理論最神奇的一個預言是，宇宙中我們能夠想象出的最大結構的分布，比如所有星系的排列，是由發(fā)生在可測量的最小尺度的事件決定的。這個最小尺度就是量子領域。
不過，這個觀點的支持者長期以來面對著一個棘手的問題：我們只能看到宏觀上的物質(zhì)分布，在這種情況下，我們能否證實這個微觀層面的起源故事？
檢驗暴脹理論
美國普林斯頓高級研究所的弦論學家、宇宙學家胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）說：“宇宙結構的量子起源問題是科學中最有趣的問題之一?！彼推渌芯空哌€沒得出一個定論，但新的研究工作會為這個問題的解決提供希望——研究表明，從星系分布中獲得的信息有可能檢驗暴脹理論。
按照暴脹理論的預測，我們應該會發(fā)現(xiàn)星系在宇宙中的分布是幾乎完全隨機的。這種隨機性是由于星系的溫床本身有一個純粹隨機的來源：量子真空漲落（quantum vacuum fluctuation）。量子真空是遍布宇宙的量子場。它并不是“空”的。在量子真空中，場的短暫激發(fā)不斷出現(xiàn)，然后消失，形成了一種量子靜態(tài)。
如果沒有宇宙膨脹，這樣的靜態(tài)結構不會長時間存在。然而，隨著暴脹，空間不可思議的膨脹把這些微觀量子信號放大到宏觀尺寸。隨著它們的增大，量子真空漲落無法回到混沌的真空，而是保持永恒存在。它們進入了經(jīng)典物理學領域，也就是說它們不再遵循量子力學的定律，而是開始遵循愛因斯坦廣義相對論所闡明的引力作用。因此，在暴脹結束后，殘留的靜態(tài)會改變宇宙中原本均勻的物質(zhì)分布。這種模式有助于星系的形成：當物質(zhì)在引力的吸引下聚集在更高密度區(qū)域時，星系就會在此產(chǎn)生。
這個理論使我們得出了一個非常富有詩意的結論：星系和星系團——這些宇宙中最為巨大、最為不朽的結構，必須來自最小、最短暫的量子振蕩。
但這個美妙的故事是真實的嗎？當然還存在其他可能性：暴脹也許不是從量子真空中出現(xiàn)，而是由某種長壽命的量子粒子引發(fā)；或者可能存在一個比暴脹更早的過程，使得暴脹之前的嬰兒宇宙已經(jīng)具有某種經(jīng)典結構。因此，暴脹并非創(chuàng)造出宇宙結構，而是將其放大了。這兩種情況都意味著，我們需要從根本上改變對宇宙最初發(fā)生的事情的理解。
尋找信號
從20世紀80年代初暴脹理論開始發(fā)展以來，宇宙學家一直在思考如何解開這個謎題。大多數(shù)的嘗試都在試圖找到量子真空起源的直接證據(jù)，以及是否可以被測量。然而迄今為止，他們還沒有找到一個令人滿意的答案。因此許多人懷疑這種方法是否可行。NASA噴氣推進實驗室的宇宙學家奧利維耶·多雷（Olivier Doré）在仔細研究了這個問題之后說：“這很難。這是一個非常微弱的效應。”多雷和他的合作者認為，暴脹會將量子真空的任何信號都限制在遠低于能夠?qū)嶋H測量的水平。他說：“很難想到可以測量出什么。”
如果無法指望收集到量子真空的直接證據(jù)，研究人員可以反其道而行之，去尋找反對量子真空起源的證據(jù)。多雷和馬爾達西那也認為搜集直接證據(jù)的方法似乎沒有什么希望，他們都提到了一項新研究。這項研究由加州大學圣地亞哥分校的宇宙學家丹尼爾·格林（Daniel Green）和德國電子同步加速器研究所的拉斐爾·波爾托（Rafael Porto）完成，現(xiàn)已被《物理評論快報》（Physical Review Letters）接收。研究表明，通過研究宇宙大尺度結構中任何非隨機特征，能夠更容易地找到宇宙非量子真空起源的證據(jù)。
事實上，如果我們生活在一個源自暴脹的宇宙中，而在這個宇宙中，星系是從量子混沌中產(chǎn)生的，那么我們應該期望證實它們隨機地散布在整個空間中。宇宙學家已經(jīng)在大尺度結構中發(fā)現(xiàn)了一些非隨機特征。但這些非隨機性可以由暴脹之后發(fā)生的事件來解釋，比如引力對星系團生長的影響。挑戰(zhàn)在于，我們需要找到只能由早期宇宙事件解釋的非隨機特征。這些“原始”跡象可能會揭示暴脹出現(xiàn)的細節(jié)，也可能會讓我們對這一時期發(fā)生的事情有一個全新的認識。
繪制星系的非隨機分布
舉個例子，研究人員可以通過研究多個星系組成的幾何形狀來檢驗隨機性。任何3個星系可以組成一個三角形。那么另外再隨機選擇3個星系，這3個星系組成的新三角形是否會和前者形狀相同？通過系統(tǒng)搜索，可以統(tǒng)計每一個三角形的形狀，并覆蓋天區(qū)的每一個點，宇宙學家期望從中發(fā)現(xiàn)不同的星系所組成的不同三角形形狀的出現(xiàn)概率。如果某些形狀出現(xiàn)的概率更大，都意味著宇宙的宏觀物質(zhì)分布存在非隨機性。由此，宇宙學家會問：“是什么導致了這樣的結果？”
格林和波爾托認為，如果宇宙結構的溫床不是來自量子真空，而是來自非量子態(tài)或起源于暴脹之前的經(jīng)典態(tài)，那么將改變最初星系溫床的模式。這些新的模式會在大尺度結構中傾向于形成某些特定形狀。反之，如果天文學家找不到證據(jù)證明這些構型的出現(xiàn)頻率超過隨機概率所允許的范圍，那么宇宙的大尺度結構就不可能來自其他起源模式。
最重要的是，根據(jù)格林的說法，天文學家確實有希望找到他和波爾托所描述的證據(jù)，只要它存在。第一步是尋找體現(xiàn)非隨機性的新跡象，不管它們是由最開始的暴脹還是由隨后的過程引起。格林估計，這樣做可能需要將目前繪制星系位置的精度提高100倍。誠然，這是一個不容易達成的目標，但這還是比直接測量微小尺度的潛在信號容易得多。
如果觀察者成功地發(fā)現(xiàn)了非隨機性，下一步他們需要分辨出與暴脹過程，而不是隨后的事件相關的信號。格林說，這一步最困難。但也不是不可能。與暴脹有關的非隨機形狀類型，應該和由其他過程導致的非隨機形狀一樣引人注目。因為暴脹結束后，其他作用會使這種非隨機性更加明顯，因此它們會變得更容易被發(fā)現(xiàn)。
波爾托說：“你不必大海撈針?！比绻麤]有任何明顯的原始非隨機性特征的線索，理論學家也無法通過混雜作用或者實驗缺陷等理由解釋為什么找不到這種理論上明顯的信號。因此，如果找不到任何非隨機形狀的跡象，這可能是有利于暴脹理論和宇宙結構量子起源的證據(jù)。
多雷同意，尋找非隨機特征有著一個令人興奮的前景，因為所需的測量似乎是可行的。特別是在未來5到10年內(nèi)，天文學家將從幾項新型的巡天和望遠鏡（如NASA將于2024年發(fā)射的SPHEREx衛(wèi)星）任務中，制作出前所未有的高保真星系分布圖。雖然這樣的工作并不能保證回答宇宙質(zhì)量的問題，但多雷認為現(xiàn)在是時候考慮這個問題了。他說：“這很難預測，但我認為對這些問題而言，現(xiàn)在是充滿變化的時刻。目前出現(xiàn)了很多新的思路，我希望能夠產(chǎn)生一些關鍵的想法?！?br> 波爾托表示同意：“現(xiàn)在有很多數(shù)據(jù)，也還有很多工作要做?！毕胍忾_宇宙演化的研究人員現(xiàn)在可以從粒子物理學、數(shù)據(jù)科學和尋找引力波等方面尋找機會。波爾托說：“當所有理論統(tǒng)一的時候，是最激動人心的時刻?！?br> 撰文：Brendan Z. Foster
翻譯：賀白
編輯：吳非
文章來源：科學美國人
文章鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/did-galaxies-grow-from-quantum-static/


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