宇宙大爆炸之前发生了什么？让我们窥探原初宇宙

资料来源:沃肯明

大爆炸已经成为科学界的常识。然而，大爆炸之前在原始宇宙中发生了什么还没有确定。在两项研究中，物理学家发现由重粒子组成的原始标准时钟可能有助于我们窥探原始宇宙的形状。

2015年，陈心刚和王毅等研究人员在对原始宇宙模型的研究中发现，宇宙的大尺度不均匀性与标准时钟密切相关。在此基础上，最近，哈佛大学的冼玉忠志等人提出，标准时钟可以用一种更容易观察的方式与宇宙的非均匀性联系起来。在相关论文在PRL上发表后，他们从美国物理学会的网站上获得了亮点。为此，《全球科学》特别邀请了冼玉忠博士就此问题为读者撰写一篇详细的科普文章。

“大爆炸前”的原始宇宙

物理学家告诉我们，宇宙大约在137亿年前爆炸。“大爆炸”的说法众所周知，但在大爆炸之前？

这个问题乍一看似乎很荒谬，但物理学家近年来已经开始寻找答案。他们发现下一代宇宙学观测可能会给我们提供一个答案。

从上个世纪初到现在，观察和理论的积累已经使物理学家逐渐认识到，宇宙不是一个静止的固定阶段，而是在膨胀。宇宙中漂浮的星系彼此远离。

从目前的观测事实出发，在物理定律的指导下，我们可以沿着时间的长河逆流而上，去了解宇宙的演化历史。通过各种宇宙学观察和理论的相互反映，我们可以将宇宙的“忠实历史”追溯到100亿年前。那时，宇宙稠密而炽热，就像燃烧的天火。时间越早，火焰的温度越高。

大爆炸前发生了什么？让我们看看原始宇宙

直到大约137亿年前的某个时候，这支上游探险队将会遇到无限温度和密度的状态。今天的物理定律此刻都是无效的。物理学家称之为“大爆炸奇点”。自然，如果大爆炸被理解为大爆炸的奇点，那么谈论“大爆炸之前”就没有物理意义了。

然而，物理学家当然知道，通过这种简单的推断得出的结果并不完全正确。很可能宇宙的演化会在很早的时候偏离这个简化的推断。在这一刻之后，宇宙仍在按照标准的热膨胀图像进化。物理学家将这一已被观测或多或少证实的进化阶段称为“热大爆炸”阶段，但在此之前，需要新的理论来解释宇宙偏离热大爆炸的现象。这段时间，物理学家称之为“原始宇宙”。因此，当我们提到“大爆炸之前”，我们指的是原始宇宙。

飙升可能不是唯一的可能性

物理学家在过去几十年里提出了许多理论来描述原始宇宙的演化。其中一些还可以解决大爆炸的一些理论问题——例如，它们可以解释为什么我们的宇宙目前非常平坦。

然而，对今天的物理学家来说，原始宇宙理论最吸引人的地方在于，它们对解释我们自身的存在至关重要。我们知道物质在可见宇宙中的分布是相当均匀的，但不是完全均匀的。在宇宙历史的早期，时间和空间的异质性相当弱。此后，在万有引力的作用下，不均匀性逐渐扩大，物质的分布逐渐变成块状，逐渐出现星系和恒星，最后我们诞生了。

早期宇宙的微小异质性从何而来？这正是原始宇宙理论需要回答的问题。在这些理论中，被接受程度最高的是通货膨胀理论。根据这个理论，宇宙在大爆炸之前经历了一次非常短暂而疯狂的快速膨胀。在这段时间里，也许只有1万亿分之一秒，宇宙以大约1万亿倍的指数速度膨胀。因为驱动这种快速膨胀的能量非常大，时空本身也会经历明显的量子波动。这些量子波动迅速扩大并延伸到很远的地方，最终成为宇宙大规模异质性的种子。

通过测量宇宙的微波背景或星系的分布，我们现在已经了解了许多关于原始宇宙的不均匀性(也称为原始扰动)，并通过它们验证或证伪了不同的膨胀理论。因此，在大爆炸之前讨论宇宙不是一个错误的理论，而是一个真实的物理问题。

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然而，膨胀理论不是一个固定的理论，而是一组理论模型的总称:有各种方法来驱动宇宙的指数膨胀，每一种方法都可以预测原始扰动不均匀性的特殊模式。此外，物理学家还提出了各种非膨胀模型来解释宇宙在大爆炸前的演化。在这些模型中，原始宇宙以各种方式收缩或反弹。这些模型中的许多还可以解释宇宙的大规模异质性和各向异性。尽管他们可能仍有许多理论上的困难，但这些尝试表明，膨胀可能不是原始宇宙的唯一可能性。

原则上，通过仔细测量宇宙的大规模不均匀性，可以确定一个特定的暴涨模型。然而，事实上，通货膨胀模型的结构相当灵活。似乎无论物理学家是否观察到任何模式的不均匀性，理论学家总能构建一个飞速发展的模型来解释这种模式。所以有些人想知道，作为一种科学理论，飞速增长能被证伪吗？更具体地说，是原始宇宙的进化飞速发展，大反弹还是其他模型？有没有办法洞察大爆炸前的进化？

原始标准时钟:不同原始宇宙模型的标准

扩张还是收缩是个问题。然而，作为一个物理问题，我们不能通过冥想，而是通过天文观测来做决定。本文标题中的“原始标准钟”是通过天文观测解决这一问题的利器。

“标准钟”的工作原理与普通钟相同。不管是哪种类型的时钟，它都是一台以固定节奏运转的机器。所谓的计时是指计算节拍数。在最初的钟表中，节奏的来源是单摆。伽利略年轻时，他观察教堂里摆动的灯座，并意识到钟摆的固定节奏。这是一个众所周知的故事。现在普通的石英钟利用应时晶体的特性将电流转化为周期性振动。无论如何，只要有一个固定的频率，就可以用它来计时。

量子世界中的波粒二象性告诉我们，具有一定质量的粒子对应于具有固定振动频率的物质波，因此可以用作具有固定节奏的时钟。在原始宇宙中，携带质量的粒子可以以各种方式产生，并以物质波的形式振动。这种振动以各种方式影响时空本身的波动，从而留下宇宙大规模不均匀性的痕迹。在原始宇宙中，携带质量的重粒子无处不在。物理学家现在熟悉的基本粒子在原始宇宙中可能非常重，可能被用作原始标准时钟。[:宇宙学对撞机:两个极端的融合]

物理学家最近发现，作为标准时钟的重粒子将在今天宇宙的大规模不均匀性中留下痕迹。在2016年[1号发表的一篇文章中，哈佛大学的陈心刚和*·侯赛恩·南珠以及香港科技大学的王义发发现，原始宇宙中重粒子的量子涨落足以影响空间和时间本身的扰动。因此，今天宇宙中大尺度不均匀性的三点相关函数(也称为非高斯函数)可能携带标准时钟的信息。

在陈心刚、哈佛大学的亚伯拉罕·勒布和我[2]最近的一篇文章中，我们发现重粒子也会以不同的方式影响大规模不均匀性的两点相关函数(也称为功率谱)。这对试图找到标准时钟信号的实验者来说是个好消息。因为在实际观测中，功率谱测量比非高斯测量容易得多。

无论是功率谱还是非高斯谱，标准时钟影响宇宙大范围不均匀性的具体机制都是一个相当技术性的问题。幸运的是，它的物理本质可以通过下面的类比来理解。

在原始宇宙中以固定频率振动的重粒子就像以固定频率摆动的钟摆。我们在钟摆下放置一个纸带，使它在垂直于钟摆摆动的方向上移动，这样就代表了宇宙的膨胀或收缩。为了模拟重粒子和时空之间的相互作用，我们可以将墨水注入钟摆，从而在移动的纸带上做标记。现在，如果你把纸带拉向一端(图十中的蓝色箭头)，摆动的钟摆会画出一条摆动的轨迹。不难理解，如果纸带在一个方向上移动得越来越快，那么纸带上钟摆所画的轨迹就会变得越来越稀疏。另一方面，如果纸带以较慢的速度移动，钟摆画出的标记会变得越来越密集。因此，通过纸带上轨道的形状，我们可以推断纸带运动的速度。

这正是最初的标准时钟的工作方式:通过某种相互作用，重粒子在空间和时间本身的扰动中留下固定频率的振荡。今天，大爆炸前的重粒子已经完全衰变，但大爆炸前的振动痕迹仍留在时空背景的扰动中。通过寻找和识别这些遗迹的形状，我们可以推断出原始宇宙是在膨胀还是在收缩。如前所述，这些扰动已经成为我们当前宇宙中大规模不均匀性和各向异性的种子，最终决定了我们当前宇宙中的物质分布。下一代的星系测量，如美国的LSST和SPHEREx卫星以及欧洲的欧几里得卫星，将有机会大大改进大规模不均匀性的测量，从而有机会捕捉到今天宇宙物质分布中原始标准时钟脉动留下的痕迹。