是什么决定了宇宙的结构?

量子涨落可能是早期宇宙中大尺度宇宙结构(如星系团)的温床。(图片来源:NASA, ESA, Hubble and RELICS)量子涨落可能是早期宇宙中大尺度宇宙结构(如星系团)的温床。(图片来源:NASA, ESA, Hubble and RELICS)

  大约138亿年前,宇宙从我们熟知的大爆炸中诞生。那时,极度炽热、稠密的能量和物质充斥在宇宙中,推动了宇宙的膨胀。很多物理学家认为,在随后的短暂时间内,宇宙经历了一个急速膨胀的阶段,这个阶段也被叫做暴胀(inflation)。暴胀理论最神奇的一个预言是,宇宙中我们能够想象出的最大结构的分布,比如所有星系的排列,是由发生在可测量的最小尺度的事件决定的。这个最小尺度就是量子领域。

  不过,这个观点的支持者长期以来面对着一个棘手的问题:我们只能看到宏观上的物质分布,在这种情况下,我们能否证实这个微观层面的起源故事?

  检验暴胀理论

  美国普林斯顿高级研究所的弦论学家、宇宙学家胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)说:“宇宙结构的量子起源问题是科学中最有趣的问题之一。”他和其他研究者还没得出一个定论,但新的研究工作会为这个问题的解决提供希望——研究表明,从星系分布中获得的信息有可能检验暴胀理论。

  按照暴胀理论的预测,我们应该会发现星系在宇宙中的分布是几乎完全随机的。这种随机性是由于星系的温床本身有一个纯粹随机的来源:量子真空涨落(quantum vacuum fluctuation)。量子真空是遍布宇宙的量子场。它并不是“空”的。在量子真空中,场的短暂激发不断出现,然后消失,形成了一种量子静态。

  如果没有宇宙膨胀,这样的静态结构不会长时间存在。然而,随着暴胀,空间不可思议的膨胀把这些微观量子信号放大到宏观尺寸。随着它们的增大,量子真空涨落无法回到混沌的真空,而是保持永恒存在。它们进入了经典物理学领域,也就是说它们不再遵循量子力学的定律,而是开始遵循爱因斯坦广义相对论所阐明的引力作用。因此,在暴胀结束后,残留的静态会改变宇宙中原本均匀的物质分布。这种模式有助于星系的形成:当物质在引力的吸引下聚集在更高密度区域时,星系就会在此产生。

  这个理论使我们得出了一个非常富有诗意的结论:星系和星系团——这些宇宙中最为巨大、最为不朽的结构,必须来自最小、最短暂的量子振荡。

  但这个美妙的故事是真实的吗?当然还存在其他可能性:暴胀也许不是从量子真空中出现,而是由某种长寿命的量子粒子引发;或者可能存在一个比暴胀更早的过程,使得暴胀之前的婴儿宇宙已经具有某种经典结构。因此,暴胀并非创造出宇宙结构,而是将其放大了。这两种情况都意味着,我们需要从根本上改变对宇宙最初发生的事情的理解。

  寻找信号

  从20世纪80年代初暴胀理论开始发展以来,宇宙学家一直在思考如何解开这个谜题。大多数的尝试都在试图找到量子真空起源的直接证据,以及是否可以被测量。然而迄今为止,他们还没有找到一个令人满意的答案。因此许多人怀疑这种方法是否可行。NASA喷气推进实验室的宇宙学家奥利维耶·多雷(Olivier Doré)在仔细研究了这个问题之后说:“这很难。这是一个非常微弱的效应。”多雷和他的合作者认为,暴胀会将量子真空的任何信号都限制在远低于能够实际测量的水平。他说:“很难想到可以测量出什么。”

  如果无法指望收集到量子真空的直接证据,研究人员可以反其道而行之,去寻找反对量子真空起源的证据。多雷和马尔达西那也认为搜集直接证据的方法似乎没有什么希望,他们都提到了一项新研究。这项研究由加州大学圣地亚哥分校的宇宙学家丹尼尔·格林(Daniel Green)和德国电子同步加速器研究所的拉斐尔·波尔托(Rafael Porto)完成,现已被《物理评论快报》(Physical Review Letters)接收。研究表明,通过研究宇宙大尺度结构中任何非随机特征,能够更容易地找到宇宙非量子真空起源的证据。

  事实上,如果我们生活在一个源自暴胀的宇宙中,而在这个宇宙中,星系是从量子混沌中产生的,那么我们应该期望证实它们随机地散布在整个空间中。宇宙学家已经在大尺度结构中发现了一些非随机特征。但这些非随机性可以由暴胀之后发生的事件来解释,比如引力对星系团生长的影响。挑战在于,我们需要找到只能由早期宇宙事件解释的非随机特征。这些“原始”迹象可能会揭示暴胀出现的细节,也可能会让我们对这一时期发生的事情有一个全新的认识。

  绘制星系的非随机分布

  举个例子,研究人员可以通过研究多个星系组成的几何形状来检验随机性。任何3个星系可以组成一个三角形。那么另外再随机选择3个星系,这3个星系组成的新三角形是否会和前者形状相同?通过系统搜索,可以统计每一个三角形的形状,并覆盖天区的每一个点,宇宙学家期望从中发现不同的星系所组成的不同三角形形状的出现概率。如果某些形状出现的概率更大,都意味着宇宙的宏观物质分布存在非随机性。由此,宇宙学家会问:“是什么导致了这样的结果?”

  格林和波尔托认为,如果宇宙结构的温床不是来自量子真空,而是来自非量子态或起源于暴胀之前的经典态,那么将改变最初星系温床的模式。这些新的模式会在大尺度结构中倾向于形成某些特定形状。反之,如果天文学家找不到证据证明这些构型的出现频率超过随机概率所允许的范围,那么宇宙的大尺度结构就不可能来自其他起源模式。

  最重要的是,根据格林的说法,天文学家确实有希望找到他和波尔托所描述的证据,只要它存在。第一步是寻找体现非随机性的新迹象,不管它们是由最开始的暴胀还是由随后的过程引起。格林估计,这样做可能需要将目前绘制星系位置的精度提高100倍。诚然,这是一个不容易达成的目标,但这还是比直接测量微小尺度的潜在信号容易得多。

  如果观察者成功地发现了非随机性,下一步他们需要分辨出与暴胀过程,而不是随后的事件相关的信号。格林说,这一步最困难。但也不是不可能。与暴胀有关的非随机形状类型,应该和由其他过程导致的非随机形状一样引人注目。因为暴胀结束后,其他作用会使这种非随机性更加明显,因此它们会变得更容易被发现。

  波尔托说:“你不必大海捞针。”如果没有任何明显的原始非随机性特征的线索,理论学家也无法通过混杂作用或者实验缺陷等理由解释为什么找不到这种理论上明显的信号。因此,如果找不到任何非随机形状的迹象,这可能是有利于暴胀理论和宇宙结构量子起源的证据。

  多雷同意,寻找非随机特征有着一个令人兴奋的前景,因为所需的测量似乎是可行的。特别是在未来5到10年内,天文学家将从几项新型的巡天和望远镜(如NASA将于2024年发射的SPHEREx卫星)任务中,制作出前所未有的高保真星系分布图。虽然这样的工作并不能保证回答宇宙质量的问题,但多雷认为现在是时候考虑这个问题了。他说:“这很难预测,但我认为对这些问题而言,现在是充满变化的时刻。目前出现了很多新的思路,我希望能够产生一些关键的想法。”

  波尔托表示同意:“现在有很多数据,也还有很多工作要做。”想要解开宇宙演化的研究人员现在可以从粒子物理学、数据科学和寻找引力波等方面寻找机会。波尔托说:“当所有理论统一的时候,是最激动人心的时刻。”

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