（图片来源：Christine Daniloff, MIT, ESA/Hubble and NASA）
根据大爆炸理论，在大约138亿年前的某处，一个无限小、密度无限大的火球爆炸形成了宇宙，其中的物质在宇宙扩张的过程中冷却下来，并引发了各种反应，从而形成最初的恒星、星系以及我们所见的各种物质。
科学家们认为，就在大爆炸开启了宇宙不断膨胀的进程之前，早期宇宙的演化存在另一个更具爆发性的阶段：宇宙暴涨，其持续时间不超过一万亿分之一秒。在暴涨阶段，呈冷却、均匀的粘稠状态的物质，以指数倍的形式暴涨，此后婴儿期宇宙继续缓慢地扩张，并表现出非均匀性。
近期的观测分别独立支持了大爆炸理论和宇宙暴涨理论。但这两个过程是如此泾渭分明，使得科学家们一直努力证实其发生具有先后顺序。
目前，来自麻省理工学院、肯尼恩学院和其他研究所的物理学家们全面地模拟了早期宇宙的中间状态，该状态可能连接了宇宙暴涨和大爆炸。这个被称为“再加热”的阶段出现在宇宙暴涨的末期，将宇宙暴涨冷却均匀的产物搅成了一锅炽热混沌的汤，而这正是宇宙大爆炸的开始。
“暴涨后再加热阶段为宇宙大爆炸创造了条件。某种意义上讲，它还为大爆炸准备了‘炸弹’，”麻省理工学院的科学史格梅斯豪森（Germeshausen）讲席教授和物理学教授David Kaiser指出，“在这个过渡阶段，宇宙翻江倒海，物质表现非常复杂。”
Kaiser和他的同事详尽的模拟了在暴涨末期的混沌时期多形态的物质的相互作用。模拟结果显示驱使暴涨产生的极端能量可以在不到一秒钟的时间内被重新分配，产生了满足宇宙大爆炸所需的条件。
研究团队发现，如果量子效应改变了极高能状态下的引力对物质的作用，偏离爱因斯坦的广义相对论对物质与引力之间作用的预测，这种极端变化会更快、更高效。
“这使我们可以将宇宙暴涨到暴涨后时期、再到宇宙大爆炸甚至更远的未来串联起来，叙述完整的演化图景，”Kaiser称，根据现有的物理学原理，我们可以追溯完整的演化过程，可以说这是一种形成目前所见宇宙的可能方式。”
研究团队的结果公布在10月25日的《物理评论快报》上。Kaiser的共同作者包括肯尼恩学院的首席作者Rachel Nguyen和John T. Giblin，以及前麻省理工研究生、现任职于荷兰莱顿大学的Evangelos Sfakianakis 和Jorinde van de Vis。
“与自身相同步”
宇宙暴涨理论最先由麻省理工学院的物理学韦斯科夫（V.F. Weisskopf）讲席教授阿兰·固斯（Alan Guth）提出，该理论预言宇宙始于一个极其小，大概为质子的千亿分之一大的奇点。这个奇点充满了超高能量的物质，其能量如此之高，使奇点的内部压力产生了引力斥力—暴涨的驱动力。引力对婴儿期的宇宙作用如同火花点燃导火索，使其以越来越快的速度向外爆发，在万亿分之一秒内膨胀至原大小的千兆兆（1后带26个0）倍。
Kaiser和他的同事设法模拟出再加热（宇宙暴涨末期和大爆炸之间的过渡时期）的早期阶段可能的状貌。
“再加热早期阶段的特点应是共振。一种高能物质占据支配地位，在广阔的空间中，它步调一致地在来回的颤动，爆发性的产生新粒子，”Kaiser指出。“这种表现不会延续下去，一旦它开始向第二种物质形式传递能量，这种摆动会变得更起伏不定，在空间中不再井然有序。我们想测量需要多长时间打破共振效应，并且使产生的粒子散开，达到某种热平衡的状态，这让人联想到大爆炸的状况。”
研究团队的计算机模拟表示为一个巨大网格，在其之上他们放置了多种形式的物质，并追踪了在某些特定条件改变的情况下，它们在空间中的能量和分布随时间的变化。模拟的初始条件基于一个特定的膨胀模型—一套对宇宙暴涨期物质分布表现的预测。
科学家在众多候选中选择了这种特定的膨胀模型，因为其预测结果很好的契合了对宇宙微波背景辐射—在大爆炸仅仅38万年后的辐射的余晖--的高精度测量结果。科学家认为宇宙微波背景辐射包含了膨胀期的痕迹。
宇宙的扭曲
该模拟追踪了两种可能在暴涨中起支配作用的物质的表现，它们非常类似于一种粒子，即刚刚在实验中观察到的希格斯玻色子。
在运行他们的模拟程序之前，研究团队在该模型对引力的描述中加入了一种轻微的“扭曲”。尽管我们如今所见的普通物质受引力的作用遵循广义相对论的预测，对于更高能量的物质，比如被认为在宇宙暴涨时期曾存在过的物质，则有些微不同，它们以被量子力学修正的方式，或者说在原子尺度受引力作用。
根据广义相对论，引力的强度被表示为常量，这被物理学家们称为最小耦合，这意味着无论某种特定的粒子的能量高低，引力对其作用的强度遵循一个宇宙常量。
然而，在宇宙暴涨中预言的极高能条件下，物质与引力的相互作用更加复杂一些。根据量子力学效应预测，作用于极高能物质时，引力的大小会在时空中发生变化。这种现象被称为非最小耦合。
Kaiser和同事在暴涨模型中包含了非最小耦合项，并观测了当他们将这种量子效应正向和反向时物质和能量分布的变化。
最终他们发现量子修正的引力效应影响物质的程度越大，暴涨中冷却均匀的物质转换为具有宇宙大爆炸特征的炽热多样的物质的速度就越快。
通过反转这种量子效应，他们可以使这种关键变化持续两到三个e折（宇宙大小变为原大小的（约）三倍）的时间。亦即，他们成功设法在宇宙大小变为原来三倍两到三次的时间内模拟了再加热阶段。作为对比，暴涨本身持续约60个e折的时间。
“再加热是一个疯狂的时期，一切都走向了失控，”Kaiser描述道。“我们的成果说明再加热时期物质之间的相互作用是如此之强，使其衰退速度也相应的很快，完美的为宇宙大爆炸创造了舞台。我们之前并不知道结果如此，但这正是基于已有物理知识的模拟所展现的。这对我们来说是令人激动的。”
作者：Jennifer Chu
翻译：朱奕宁
审校：罗广桢
引进来源：麻省理工学院
引进链接：https://phys.org/news/2019-10-physicists-simulate-critical-reheating-period.html
本文来自：环球科学
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