宇宙大爆炸和演化的示意圖，圖中從左到右是時間前進的方向，與時間軸垂直的維度代表宇宙持續(xù)膨脹的空間。 圖片來源：NASA官網(wǎng)

本報記者 劉霞

宇宙從何而來?又如何變成如今這般“模樣”?

目前科學家廣泛認可的故事始于約138億年前。那時，一個密度極大的點發(fā)生暴脹，然后宇宙大爆炸開始，宇宙不斷膨脹并冷卻，原子核、原子，直至我們今天看到的漫天繁星等開始形成。

盡管這個故事充滿了各種戲劇性的巧合、激烈的沖突，但仍存在一個漏洞：這兩個涇渭分明的時期是如何聯(lián)系在一起的?幾十年來，這一直是縈繞在科學家心頭的一團迷霧。最近，一個國際研究團隊對宇宙演化的這一關(guān)鍵過渡期進行了模擬，得出結(jié)論稱，所謂的“再加熱”過程可能是宇宙初期這兩個階段的“橋梁”，但這一過程的確鑿證據(jù)仍有待進一步尋覓。

宇宙的“兩副面孔”：暴脹和大爆炸

提起宇宙的起源，最著名的應該是宇宙大爆炸理論了，這一模型理論上基于愛因斯坦的廣義相對論，并得到當今科學實驗觀測最廣泛最精確的支持。

該理論認為，我們的宇宙誕生于約138億年前。從一個極小的致密“火球”，不斷膨脹并慢慢冷卻，漸漸地，我們今天看到的原子、身邊的鳥語花香以及漫天閃爍的恒星和星系得以形成。

不過，現(xiàn)在物理學界普遍認為，在大爆炸發(fā)生之前，還發(fā)生過宇宙暴脹。宇宙暴脹理論由日本的佐藤勝彥博士和美國的阿蘭·哈維·古斯博士提出。該理論認為，宇宙誕生之初，在不到萬億分之一秒內(nèi)，宇宙從幾乎無限小的點暴增了1027倍。隨后，宇宙發(fā)生了大爆炸，并逐漸演變成了今天的“模樣”。

四處亂撞的粒子將宇宙“再加熱”

那么，宇宙如何能在如此短暫的時間內(nèi)迅速“變臉”——從暴脹時期過渡到大爆炸時期?這兩個時期之間有何關(guān)聯(lián)呢?

據(jù)美國趣味科學網(wǎng)站報道，為解決這一宇宙的演化難題，來自美國凱尼恩學院、麻省理工學院(MIT)和荷蘭萊頓大學的研究人員模擬了宇宙暴脹與宇宙大爆炸之間的關(guān)鍵過渡時期——“再加熱”時期。

在他們的模型中，研究主要作者雷切爾·阮及同事模擬了被稱為“暴脹子”(inflatons)的物質(zhì)形式的行為。他們認為，假想的“暴脹子”本質(zhì)上類似于希格斯玻色子，創(chuàng)造了推動宇宙暴脹的能量場。在適當?shù)臈l件下，“暴脹子”的能量可以被有效地重新分配，從而產(chǎn)生使宇宙重新加熱所需的各種粒子。

研究人員之一、麻省理工學院物理學教授戴維·凱澤表示：“宇宙暴脹后的再加熱時期為大爆炸創(chuàng)造了條件，從某種意義上說，將‘大爆炸’置于宇宙大爆炸之中。在這個過渡時期，宇宙翻江倒海，一切都亂作一團，物質(zhì)的表現(xiàn)形式非常復雜。”

雷切爾則解釋說，在宇宙暴脹時期，所有物質(zhì)四處散落，使宇宙成為一個寒冷而空曠的地方，缺乏點燃宇宙大爆炸所需的“粒子熱湯”。而在“再加熱”時期，推動宇宙暴脹的能量發(fā)生衰變，“搖身一變”成為粒子。

雷切爾說：“這些粒子一旦誕生，就會四處亂撞且相互撞擊，傳遞動量和能量，正是這種能量將冰冷的宇宙再次加熱，為宇宙大爆炸奠定了基礎。”

引力波中或潛伏關(guān)鍵證據(jù)

那么，最新模擬除了指出“再加熱”過程是宇宙暴脹和大爆炸之間的橋梁外，還能給我們提供哪些啟示呢?

研究的合作者、凱尼恩學院物理學副教授湯姆·吉布林說：“從寒冷的暴脹時期到熾熱的大爆炸時期，應該蘊藏著哪些粒子可以在如此高的能量狀態(tài)下存在的關(guān)鍵證據(jù)。”

此外，在宇宙暴脹時期的極端能量狀態(tài)下，引力的“行為舉止”是怎樣的?這一基本問題也一直讓物理學家們“輾轉(zhuǎn)反側(cè)”。

愛因斯坦的廣義相對論認為，引力對所有物質(zhì)“一視同仁”，與粒子能量無關(guān)。但科學家們認為，由于量子力學，在極高能量狀態(tài)下，物質(zhì)對引力的反應會有所不同。

哪個觀點是正確的?研究團隊調(diào)整了粒子與引力的相互作用強度，將上述假設納入模型中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，引力增加越多，“暴脹子”傳遞能量生成大爆炸期間出現(xiàn)的熱物質(zhì)粒子的效率就越高。

現(xiàn)在，研究人員需要尋找證據(jù)來支持這一模型。

吉布林說：“我們使用模擬來預測宇宙的‘模樣’，這個再加熱時期應該在宇宙中某個地方留下了印記，我們要做的就是找到它。”

但找到這個印記可能并非易事。研究人員稱，對宇宙最早的“驚鴻一瞥”源自宇宙微波背景輻射(CMB)——產(chǎn)生于宇宙大約38萬歲時的電磁波輻射一直在宇宙中傳播，它們的“余暉”就是今天我們看到的宇宙微波背景輻射。但吉布林表示，CMB只保留了宇宙誕生初期的樣貌，希望未來的引力波觀測能提供最終線索。