音頻科普：兩個(gè)極端尺度的交融——宇宙學(xué)對(duì)撞機(jī)（下）
發(fā)布時(shí)間：2020-06-27
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音頻科普：兩個(gè)極端尺度的交融——宇宙學(xué)對(duì)撞機(jī)（下）
根據(jù)量子力學(xué)的不確定性原理，時(shí)空本身存在一種擾動(dòng)，在宇宙學(xué)中，這種擾動(dòng)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(tuán)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(shuō)，沒有原初漲落，就不會(huì)有以后的星系、恒星，當(dāng)然也不可能會(huì)有地球和生命。
物質(zhì)漲落的演化史，就是一部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與時(shí)空幾何交互影響的歷史。玻爾茲曼方程決定了物質(zhì)團(tuán)塊在彎曲時(shí)空中如何各自漫游、相互沖撞，而愛因斯坦場(chǎng)方程決定了物質(zhì)的分布如何扭曲時(shí)空的幾何。所以，從理論上來(lái)說(shuō)，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(jì)算機(jī)來(lái)模擬宇宙任何時(shí)刻的模樣，然后我們可以用今天實(shí)際的天文觀測(cè)結(jié)果與模擬的結(jié)果比對(duì)，從而又反過(guò)來(lái)幫助我們確定最初的那些參數(shù)設(shè)定的到底對(duì)不對(duì)。所以，這里的關(guān)鍵問(wèn)題就是要對(duì)今天宇宙中的物質(zhì)分布的漲落作出精確地觀測(cè)。天文學(xué)家又是怎么觀測(cè)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(cè)宇宙從熾熱發(fā)光的童年時(shí)期留下來(lái)的余暉。這些來(lái)自宇宙大爆炸之后幾萬(wàn)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(cè)量宇宙中物質(zhì)在大尺度上的漲落，并經(jīng)過(guò)已知的物理規(guī)律回溯到它們誕生之初的初始條件，實(shí)際上也就在測(cè)量這些誕生于宇宙暴脹時(shí)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(cè)到了對(duì)撞機(jī)中那些短壽命粒子的衰變后產(chǎn)物。
這里需要給大家來(lái)舉例說(shuō)明：在宇宙暴脹期間，一對(duì)“虛的”重粒子被時(shí)空的量子漲落創(chuàng)造出來(lái)，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(lái)得及存留到暴脹結(jié)束，就衰變得全無(wú)蹤影。幸好，在它們尚未完全消失前，這些重粒子會(huì)與時(shí)空本身的量子漲落發(fā)生相互作用。
時(shí)空本身的量子漲落中，有一種被稱為“曲率擾動(dòng)”的模式，具有很長(zhǎng)的壽命。這種曲率擾動(dòng)被暴脹的宇宙撕扯到很大的尺度后就被凍結(jié)下來(lái)，形成了能被觀測(cè)到的物質(zhì)漲落的初始條件?？茖W(xué)家們正是通過(guò)測(cè)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(guò)的物理過(guò)程。這就是 “宇宙學(xué)對(duì)撞機(jī)”的原理了。
當(dāng)然，有了這套“宇宙學(xué)對(duì)撞機(jī)”的原理后，科學(xué)家們或許可以在接下的時(shí)間中，利用它來(lái)探索未知的物理規(guī)律。



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