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专家之声

超强的“摇动”粒子可以主导婴儿宇宙,然后消失

早期的宇宙和量子物理学的抽象插图。
图片:©Shutterstock)

一个奇怪的,超能力的粒子,而不是真正的粒子,可能在宇宙只有一秒钟时就占据了整个宇宙,并释放出泛滥成波的涟漪,弥漫整个时空。

它们被称为“震荡子”,它们的“涟漪”可能会充满活力,可能会释放出所谓的引力波,即时空结构中的振动,这种振动是在怪物黑洞相互撞击时产生的。未来检测这些早期宇宙引力波的实验可以使我们洞悉宇宙所遇到的最极端条件。

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把事情闹大

物理学家认为,当宇宙很小的时候,它会在短时间内变得更大。我们称这种戏剧性事件为“通货膨胀”,这也许是婴儿宇宙的决定性事件。在宇宙存在的第一秒的某个时间里,发生了某种事情(我们不确定是什么),使膨胀率达到超临界水平,使宇宙膨胀到至少10 ^ 52倍(或1到52零)。

在通货膨胀事件发生之后,发生了其他事情(再次,我们不确定是什么)结束了事情,恢复了更为稳健的扩张速度(一直持续到今天)。

宇宙学家 可以肯定的是,这种超快速膨胀是在早期宇宙中发生的,因为今天宇宙在非常大的尺度上是非常均匀的。快速扩张本来可以解决问题–消除所有皱纹。

此外,天文学家已经发现了通货膨胀事件的间接证据。通货膨胀不仅使宇宙“变大并回家”。它还引发了另一事件,即再加热。引发通货膨胀的任何因素最终都消失了,但是当它从宇宙学场景中消失时,引起通货膨胀的机制释放了剩余的被抑制的能量,将这种神秘的触发因素转化为大量的粒子,这些粒子最终结合形成质子和中子, 原子数,分子,恒星,行星和您。

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同时,由于宇宙中的所有事物在通货膨胀期间如雨后春笋般冒出来,因此微小的量子波动也随之增加。 时空,这些差异扩大到了宏观差异–时空结构上的明显颠簸和摆动;这些量子涨落意味着宇宙中某些地方的引力比平均水平高。反过来,重力更强的地方收集了一些物质,这些物质增长了数十亿年,为我们今天在宇宙中看到的所有大型结构奠定了种子。

如果通货膨胀能够满足所有需求,它可能会产生甚至更奇怪的事情。

摇一摇

至于是什么火花引发了通货膨胀事件,物理学家有几个想法,其中一个涉及称为标量场的量子现象,该现象在整个时空范围内延伸。标量字段基本上是一种奇特的说法,它表示在宇宙中的每个点上都有一个值或强度,但是没有特定的方向(为了帮助您直观地看到,当您在本地天气预报上看到温度图时,重新查看标量字段)。在现代宇宙中,标量场基本上是位播放器。但是早期的宇宙是一个截然不同的地方,到那时,现在稀有的标量场本可以充裕。确实,一些通货膨胀理论表明,所有扩展工作都是由标量场完成的。

您可以想到像海洋表面这样的标量场。它延伸到四面八方,一直延伸到地平线,并有各种各样的浪潮在其上翻腾。就像在海洋中一样,标量场中的波浪有时可能是平静且规则的,有时是不稳定且剧烈的。

根据2020年12月在预印本数据库中发表的一篇新论文 arXiv,这正是在非常早期的宇宙中可能发生的事情。通货膨胀发生后不久,就在重新加热的同时,宇宙正被颗粒淹没,周围散布着的任意标量场都可能受到干扰,就像飓风在大西洋上空爆发​​一样。

这可能会产生“摆动振子”,这是可以长期存在的稳定波动。振荡器在各种情况下都会发生。例如,孤行波就是一种振荡。当振荡器在量子标量场内形成时,它们还会产生自己独特的粒子。

走着瞧吧

这些振荡子实际上并没有直接参与任何粒子相互作用,但是振荡子本身仍然可以影响宇宙。振荡子会在年轻的宇宙中晃动,并且在短时间内,振荡子中包含的能量可能比任何其他场或粒子族中包含的能量都要强。

随着所有这些晃动和挥舞,有趣的事情一定会发生。就摇动振子而言,晃动可能会产生引力波,这是时空本身在结构中的振动。当摆陀在整个宇宙中来回波动时,它们的极端能量扭曲了时空,产生了引力皱纹。

振荡波消失后很长时间,重力波仍会保留,直到整个宇宙都荡漾着。虽然我们尚无法观测到来自早期宇宙的引力波,但即将出现的探测器如LISA(激光干涉仪太空天线)和BBO(大爆炸天文台)应该能够。

如果这种摆幅图是正确的,则这是导致膨胀产生引力波的一种潜在机制。如果我们随后看到这些波浪,那么当它处于第二个旧的年龄之下时,我们将直接看到宇宙。

最初发表在《世界科学》上。