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物理学家正在努力弄清宇宙刚刚诞生数秒时是什么模样

图为艺术家绘制的宇宙大爆炸概念图,图中粒子正从一个明亮的核心高速射出

图为艺术家绘制的宇宙大爆炸概念图,图中粒子正从一个明亮的核心高速射出

图为以宇宙大爆炸和宇宙暴胀理论为基础的宇宙时间线

图为以宇宙大爆炸和宇宙暴胀理论为基础的宇宙时间线

据新浪科技(叶子):物理学家正在努力弄清宇宙刚刚诞生数秒时是什么模样。然而,这个问题可谓极其复杂。尽管我们已经取得了很大进展,但仍有许多不明之处。从迷你黑洞到各种奇异的相互作用,婴儿时期的宇宙可是个极尽繁忙之处。

已知信息

让我们先来了解一下基本情况:137.7亿年前,我们的宇宙温度极高(超过1024度),且体积极小(只有一个桃子那么大)。天文学家猜测,当宇宙形成尚不足一秒时,它经历了一段速度极快的扩张期,名叫“宇宙暴胀”。

宇宙暴胀也许是宇宙历史上转变最为激烈的一次事件。仅仅瞬息之间,宇宙的体积就发生了急剧膨胀(增长了至少1052倍)。这段快速扩张期平息后,一开始导致宇宙暴胀的事物(我们还不清楚为何物)发生了衰变,使宇宙中充满了物质和辐射(我们也不清楚是以何种方式做到的)。

几分钟后,宇宙中的第一批元素诞生了。在此之前,宇宙太过炽热和稠密,无法形成任何稳定物质,仅仅是一大堆夸克(原子核的基本构件)和胶子(强核力的载体)的混合物。但宇宙形成十几分钟后,体积已经扩张到了足够大,温度也冷却到了足够低,夸克才得以结合在一起,形成了第一批质子和中子。这些质子和中子进而构成了第一批氢和氦(以及少量的锂)。又过了数亿年,这些元素才进一步构成了第一批恒星和星系。

从这些元素的形成可以了解到,宇宙先是经历了扩张和冷却,最终形成了等离子体,随后又转化成了中性气体。

虽然我们知道这个故事梗概是正确的,但也很清楚其中缺少了许多细节,尤其是第一批元素形成之前的那段时间。在宇宙刚刚形成的几秒钟里,也许有一些神奇的物理学在发挥作用。虽然我们目前还不了解这些理论,但并不会因此停止尝试的脚步。

未知信息

近日,在一篇发表在预印网站arXiv上、后被The Open Journal of Astrophysics期刊接收的论文中,研究人员针对宇宙诞生之初的场景提出了一些设想。

以暗物质为例。我们虽不知道暗物质由何物构成,但知道它占宇宙物质总质量的80%以上。对于普通物质在宇宙中的起源过程,我们已经有了一套站得住脚的说法;但对于暗物质是何时、以及如何出现的,我们却毫无头绪。它们是在宇宙诞生的最初几秒钟里出现的吗?它们干涉了第一批元素的形成过程吗?我们都不得而知。

然后还有宇宙暴胀的问题。我们不知道是何物为其提供了能量来源,也不清楚这起事件为何刚好持续了这么长时间,更不明白是什么最终让它停了下来。也许宇宙暴胀的时间比我们之前假定的要久,可能持续了整整一秒钟、而不是我们之前以为的“瞬息之间”。

此外还有梗在每位宇宙学家心头的一根刺——物质-反物质不平衡。我们从实验中观察到,物质与反物质之间有着完美的平衡关系,宇宙中通过反应形成的每一个物质粒子,都拥有一个对应的反物质粒子。但纵观宇宙,我们只能看到一堆又一堆的物质,却看不到一丁点儿反物质。因此在宇宙刚刚诞生的几秒钟里,一定发生了一件大事,打破了这种平衡。但至于背后推手是谁、确切机制如何,我们还无法确定。

不仅如此,早期宇宙中也许还形成了大量小型黑洞。现代宇宙(即过去130亿年以来的宇宙)中的黑洞全部由大型恒星死亡时形成,只有这种情境下的物质密度才能达到促成黑洞形成的关键阈值。但在早期宇宙中,某些位置点或许也达到了足够的密度,从而跳过了整个恒星形成过程、直接激发了黑洞的诞生。不过,这些都还只是假设而已。

更进一步

虽然我们的宇宙大爆炸理论得到了大量观测数据的支持,但宇宙仍有许多未解之谜,满足着一代又一代宇宙学家的好奇心。幸好,我们在试图了解宇宙之初的这起重大事件时,还不至于一无所知。

例如,就算我们无法直接观察到刚形成几秒钟时的宇宙状态,但我们可以在强大的粒子对撞机中重现这些情景。虽不完美,但至少可以让我们对这类环境中的物理机制有一定了解。

我们还可以寻找宇宙最初几秒钟留存下来的线索。当时发生的事件一定会在后续宇宙中留下印记。假如当时暗物质的量有所不同、或是宇宙暴胀的时间有所延长,都会对氢和氦的形成产生重大影响,而这两种元素是我们如今可以进行测量的。

此外,宇宙在诞生38万年时经历了从等离子体到中性气体的转变。当时释放的光线以宇宙微波背景的形式留存了下来。假如宇宙早期真的形成了许多小型黑洞,也会对这些光线造成影响。

我们甚至有望直接观察到宇宙暴胀这一史诗级事件。只不过借助的不是光线,而是引力波。宇宙暴胀时必定产生了剧烈的时空涟漪,而这些涟漪就像宇宙微波背景一样,也可以留存至今。我们目前的技术暂时无法对这些引力波进行直接观测,但每过一日,我们都离这一目标更近了一步。

等到目标实现的那一天,我们将真的有幸一窥初生的宇宙。

机器头条新闻 news.ji-qi.com)综合整理。

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