宇宙大爆炸之前是什么状态?两次“助推”展现量子涨落之神奇

大爆炸奇点发生暴涨,在时间出现后的10的负36次方秒开始,到10的负32次方秒截止。该阶段中宇宙发生了暴涨,空间体积超出想象般增加。而再加热过程是极度疯狂的,打乱了宇宙的一切,物质相互作用力之强,以至于它相变过程特别快,为宇宙大爆炸提供了导火索。

出品:太空伊卡洛斯

话说成功人士做出的贡献其实很早就奠定了,爱因斯坦关键贡献在其前半生就已经做出,1915年发表广义相对论时才34岁,相当于现在的80后做出的成就;1905年发表的光电效应、狭义相对论、质能关系论文时更是才24岁。人类的顶尖大脑如此,宇宙也是如此,我们知道宇宙大爆炸在不到1秒的时间内奠定了如今宇宙几乎所有的一切,而在那1秒内所发生的事件才令人拍案。

图注:在宇宙大爆炸之前的大爆炸奇点阶段,宇宙还进行了两次助推准备

当前宇宙诞生的机制普遍被认为形成于137亿年前一次量子涨落,宇宙从一个奇点开始,通过一次大爆炸所形成。在奇点位置,人类所致的所有物理定律是失效的,也就是所谓的大爆炸奇点。当然,我们不能将大爆炸奇点理解为宇宙大爆炸,这是两个阶段。换句话说,大爆炸奇点发生暴涨,在时间出现后的10的负36次方秒开始,到10的负32次方秒截止。该阶段中宇宙发生了暴涨,空间体积超出想象般增加,奠定了我们今天看到的宇宙。在暴涨与大爆炸之间,还存在一个再加热的过程,因此大爆炸经过爆炸、再加热的两次助推,为大爆炸积累了超热、复杂的物质。

图注:大爆炸奇点是宇宙的第一个状态

暴涨时期的助推

暴涨理论的最早提出者为阿伦古斯,时间可追溯到1908年。阿伦古斯认为宇宙从一个比质子还小千亿分之一的奇点开始,聚集了极高的能量物质,这是形成暴涨的驱动力。关于暴涨的信息在宇宙大爆炸后38万年发出的微波背景辐射辉光可以体现,科学家认为微波背景辐射辉光中包含了暴涨时期的历史痕迹。通过对微波背景辐射的高精度测量,我们可以反推暴涨时期,实验室模拟甚至发现了一种希格斯玻色子非常相似的物质,其产生的效应与当前宇宙显然有很大的区别。

图注:暴涨前的物质准备是大爆炸形成的关键一环

我们今天看到的普通物质对引力的反应,正如爱因斯坦在广义相对论中预言的那样,但是物质在更高能量的环境中,比如宇宙暴涨期间,它们的状态应该表现的比较不一样,引力作用力的方式由量子力学修正。由此可见,量子效应在暴涨时期处于统治地位。爱因斯坦的广义相对论将引力值呈现为一个称为最小耦合的常数,也就是说,无论这一特定粒子的能量有多大,它都会以一个宇宙常数设定的强度,对引力效应做出反应。结合暴涨时期的超高温特点,物质和引力的相互作用显然会更复杂一些,量子力学效应预测,当与超高能物质相互作用时,引力的强度在空间和时间上都会有所变化。经过量子效应修正的引力效应,对物质的作用力越强,宇宙就会越快地从寒冷、同质的暴涨过渡到更热、能够满足宇宙大爆炸的物质。从这角度看,暴涨时期积累下来的物质、状态和环境,都为宇宙大爆炸提供了充足的“弹药”。

图注:宇宙大爆炸是没有所谓的光,光是后来才出现的。

再加热过程是导火索

如果在时间出现后的10的负36次方秒开始的暴涨过程是为宇宙大爆炸积累物质,那么再加热过程就是导火索了。再加热过程是极度疯狂的,打乱了宇宙的一切,物质相互作用力之强,以至于它相变过程特别快,为宇宙大爆炸提供了导火索。目前我们对再加热过程的了解非常至少,但机制是肯定的,再加热让宇宙的温度重新上升,同时基于标准模型框架下的粒子充满了宇宙,其中就包括希格斯玻色子。2012年,LHC对撞机证实了该粒子的存在,也解释了宇宙中的质量来源。由此看来,再加热过程为宇宙大爆炸的启动提供了环境支持,难以想象的超高温和充足的物质基础共同作用,形成了我们所说的宇宙大爆炸。宇宙大爆炸之前,我们将宇宙的状态称之为大爆炸奇点。

图注:微波背景辐射会告诉我们关于宇宙诞生后38万年内发生的事。

不论是暴涨时期还是再加热,都涉及到量子过程。在暴涨阶段中,宇宙的各种性质也基本确定了,由此看出,暴涨和再加热是大爆炸的两个前奏。那么我们能不能对这两个助推阶段进行探测呢?这就需要引力波。2015年,南极BICEP2射电望远镜探测到B模谱中的引力波,认为这是暴涨时期存在的第一个证据,但后来欧洲空间局发表声明指出,可能是银河系尘埃的信号干扰。如果没有引力波这工具,我们可能还无法触及该阶段。但有了引力波,我们仍然不太确定自己是否能够对暴涨期和再加热期进行探测,这里也或是人类科技的禁区。