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物理学家认为,就在大爆炸将宇宙推入膨胀轨道之前,早期宇宙也经历了一段宇宙膨胀期,持续时间不到1万亿分之一秒。在膨胀过程中,低温均匀的粘性物质以指数速度膨胀,然后大爆炸继续。宇宙以较慢的速度膨胀,形成了早期的宇宙。
近年来,一些独立的观测支持了大爆炸理论和宇宙膨胀理论。然而,这两个过程是如此的不同,以至于科学家很难理解它们是如何相继发生的。
最近,麻省理工学院、肯扬研究所等研究机构的物理学家详细模拟了早期宇宙的一个中间阶段,这可能与宇宙膨胀和大爆炸有关。研究人员称这一阶段为“再加热”,发生在宇宙膨胀的末端。这个过程是把已经膨胀的低温均匀物质转变成超高温复杂的“汤”,为大爆炸的开始做好准备。
凯泽和他的同事详细描述了各种形式的物质在通货膨胀结束时的混乱中是如何相互作用的。他们的模拟显示,推动通胀的极端能量以同样的速度在较短的时间内重新分配,并在某种程度上创造了大爆炸开始所需的条件。
研究人员发现,如果量子效应改变了物质在极高能量下对引力的反应方式,偏离了爱因斯坦广义相对论所预测的物质与引力的相互作用模式,那么这种极端转换将更快、更有效。”这让我们能够讲述一个完整的故事,从通胀到后通胀,再到大爆炸,甚至更远我们可以跟踪一系列连续的过程,所有这些过程都是已知的物理过程。我们可以说,这是一种合理的方式,让宇宙展示它今天的样子。”
凯泽和他的同事们试图弄清楚,在重新加热的早期阶段——宇宙膨胀结束和大爆炸之间的过渡阶段——可能发生了什么。”再热初期应以共振为标志。“一种高能物质占据主导地位,它在广阔的空间里来回摆动,导致新粒子爆炸,”凯瑟说,“这种行为不会永远持续下去。一旦它开始将能量转移到另一种形式的物质上,它自身的波动将在空间中变得更加不稳定。我们要测量的是,这种共振效应需要多长时间才能破裂,产生的粒子会彼此分散,达到某种热平衡,类似于大爆炸。”
计算机模拟显示了一个大的交错结构,在此结构上绘制了各种材料形态,并跟踪策划的岗位职责其能量和分布在空间和时间上随一定条件的变化而变化。模拟的初始条件是基于一个特定的膨胀模型,这是一组关于早期宇宙物质在膨胀过程中如何分布的预测。
模拟跟踪了两种物质在膨胀过程中的行为,它们很像最近观测到的粒子希格斯玻色子。
在模拟之前,研究小组对模型的重力描述进行了微调。我们今天看到的常规物质将以爱因斯坦广义相对论所预言的方式对引力作出反应;具有更高能量的物质,例如那些在膨胀期间可能存在的物质,其行为应该有所不同。它们与引力相互作用的方式可能受到量子力学或原子尺度的影响。
在爱因斯坦的广义相对论中,引力的强度表示为一个常数,物理学家称之为“最小耦合”,也就是说,无论一个特定粒子的能量是多少,它都会以一个广义常数设置的强度对引力效应作出反应。
然而,在宇宙膨胀所预测的高能下,物质与引力的相互作用是以稍微复杂的方式进行的。量子力学效应预测超高能物质相互作用时,引力强度在空间和时间上都会发生变化,称之为“非最小耦合”。
Kaiser和他的同事在膨胀模型中加入了一个非最小耦合项,观察了物质和能量的分布是如何随着量子效应的涨落而变化的。
“重新加热是一个疯狂的时间,一切都一团糟,”凯瑟说我们发现,当时物质的相互作用非常强烈,可以相应地迅速“放松”,为大爆炸创造了合适的条件。我们不知道这是不是真的,但这是模拟得出的结论,它使用了已知的物理。这就是让我们兴奋的地方。”(任何一天)