最新研究表明，原初宇宙中重粒子的振蕩可以被用來作為標準時鐘，以此揭示宇宙大爆炸的起源。圖片來源：王一、陳新剛
（Christine Pulliam 撰文，王一 編譯）宇宙是怎樣起源的？大爆炸前又發生了什麼？自從發現宇宙正在膨脹以來，科學家一直在尋找這些問題的答案。可是秘密隱藏在宇宙的深處，就算用最先進的天文望遠鏡，發現它們也不是一件易事。儘管如此，經過不懈的努力，宇宙原初時的秘密開始逐漸展示在我們面前。最近，理論學家提出一個新的方案，希望通過天文觀測來決定，在關於時空起源的不同理論中，哪一個才是正確的。
關於宇宙的起源，最流行的理論是暴脹理論。在這個理論裡，原初宇宙在最早的一瞬間以指數增長的速率膨脹著。但是，理論學家也提出了一些完全不同的理論模型。在有些理論中，原初宇宙一開始是收縮的，經過反彈後才進入大爆炸階段。決定哪一個理論正確的關鍵在於實驗證據。
關於宇宙起源的一個非常寶貴的實驗數據來源是「宇宙微波背景輻射「（CMB） —— 這些從大爆炸中遺留下來的輝光充滿著整個空間。這些輝光粗看起來是均勻分布的，但是高精度的測量揭示出其中許多細微的空間變化。這些空間變化起源於原初宇宙中的量子漲落，隨著宇宙的膨脹，這些量子漲落被拉扯到現在的宏觀尺度。
根據鑑別不同理論的常規方案，科學家正在CMB中努力尋找原初宇宙留下的引力波痕跡。「這裡我們提出一個新的方案，它可以允許我們從天體物理信號裡直接揭示出原初宇宙演化的歷史。不同的歷史對應不同的原初宇宙理論，」研究合作者、美國哈佛－史密松天體物理中心和德克薩斯大學達拉斯分校的陳新剛（Xingang Chen）這樣說道。
現有的實驗和理論研究提供了許多關於原初宇宙空間變化的信息，但是對於另一個關鍵的因素——時間演化的信息——我們一無所知。沒有一個滴答作響的時鐘測量原初宇宙中時間的流逝，我們無法確認宇宙演化的歷史。
「設想你取出電影裡的每一幀畫面並將它們隨機疊在一起。如果這些畫面沒有任何時間標記，你就無法將它們按時間順序排列。原初宇宙是收縮的還是膨脹的？如果你不知道這電影是應該向前還是向後播放，你無法看出其中的區別，」陳新剛解釋道。
新的研究結果表明，這樣的「時鐘」確實存在，它可以被用來記錄宇宙誕生初期時間的流逝。這些時鐘以很多重粒子的方式存在著。在統一量子力學和廣義相對論的「終極理論」中，這樣的重粒子比比皆是。它們被稱作「原初標準時鐘」。
這些亞原子大小的重粒子就像鐘擺一樣，有規律地來回振蕩著。這種振蕩甚至不需要任何原始的動力，而是可以直接起源於量子漲落。這些滴答作響的時鐘將時間的標記加入到前面提到的電影畫面裡。
「滴答搖擺的原初標準時鐘會在宇宙微波背景輻射中誘發相應的振蕩模式。不同的模式對應不同的原初宇宙理論，」研究合作者、香港科技大學的王一這樣說道。
雖然現有的數據還沒有精確到能看到這些細小的變化，正在進行的很多實驗將提供相當可觀的前景。哈佛－史密松天體物理中心的項目，BICEP3和凱克陣列（Keck Array），以及國際上大量其它相關的實驗，將在尋找引力波痕跡的同時收集到高精度的CMB數據。如果原初標準時鐘產生的振蕩模式信號足夠強的話，在10年內就會被發現。證據也可能從其他不同類型的實驗中產生，這些實驗測量宇宙在大尺度上的結構分布，這些結構大到星系，小到氫原子。
另外，因為原初標準時鐘是「終極理論」的一部分，它的發現也將突破現有粒子物理模型的框架，它所能達到的能量也是地面加速器可望而不可及的。
這一研究成果的細節，將發表在《宇宙學和天體物理學學刊》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）上。
（編輯：Steed；排版：Sol_陽陽）
編譯來源：哈佛－史密松天體物理中心官網，Theorists Propose a New Method to Probe the Beginning of the Universe譯文來自果殼網，謝絕轉載
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