研究宇宙結構起源的一項新測試

許多宇宙學家認為，宇宙的結構是早期膨脹過程中發生的量子漲落的結果。然而，到目前為止，證實這一假設已被證明極具挑戰性，因為在分析現有的宇宙學數據時很難區分量子和經典原始波動。

波動是在宇宙早期膨脹（膨脹）期間產生的，並導致宇宙中的密度波動，例如此處顯示的宇宙微波背景中看到的溫度變化。原始非高斯性的一個特徵是天空中三個或三個以上點的溫度變化是相關的（相關的）。這種相關性的精確形式可以區分充氣過程中波動的經典起源或量子起源。

加利福尼亞大學和德國Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY的兩名研究人員最近基於原始非高斯性的概念設計了一種測試，可以幫助確定宇宙結構的起源。他們在《物理評論快報》上發表的論文中指出，檢測原始的非高斯性可以幫助確定宇宙的模式是起源於量子漲落還是經典漲落。

「在所有科學領域中，最美麗的想法之一是，我們在宇宙中觀察到的結構是由早期宇宙中的量子漲落引起的，然後由快速加速的擴張而擴展。」研究人員之一拉斐爾·波爾圖（Rafael Porto）表示。「這種&39;範式做出了許多已被數據證實的預測，但是原始種子的量子性質極其難以直接證明。」

證明宇宙結構的量子起源之所以如此困難的主要原因是，通貨膨脹也可能會拉伸經典的擾動，從而產生非常相似的星系分布。波爾圖和他的同事丹尼爾·格林（Daniel Green）在他們的論文中提出了這樣一個想法，即儘管量子和經典波動會導致相似的星系分布，但某些特定的模式在量子起源的結構上會有所不同。因此，觀察這些模式可以使研究人員測試宇宙結構的起源。

波爾圖解釋說：「我們用來研究天空中星系模式的許多形式主義類似於粒子物理學家研究對撞機散射過程的方式。」 「在宇宙學中，我們談論&39;，而在粒子物理學中，我們談論&39;，但是兩者之間有很多共同點。使用一些基本的物理原理和對稱性，我們證明了經典機制會產生大量的粒子，因此在星系模式中有非常特殊的特徵，例如對撞機數據中的「凸起」。」

波爾圖和格林表明，類似於對撞機數據中「凸點」的存在的宇宙學特徵可能表明宇宙的結構起源於經典的漲落。另一方面，沒有這些「碰撞」將表明零點量子漲落是形成宇宙結構的關鍵因素。

波爾圖補充說：「人們以前曾試圖為結構的量子起源尋找一個特徵，並發現該效應被抑制了115個數量級，即為0 ..... 115倍……為1的效應。」 「我們已經表明，儘管由於結構形成過程中來自其他來源的汙染而很難觀察到這一點，但是，如果根本沒有原始信號，那麼經典擾動的影響就是1階。這意味著我們已經取得了進步比以前的建議增加了115個數量級。」

近幾十年來，研究宇宙結構起源的宇宙學家主要是在宇宙微波背景（CMB）中尋找所謂的``B模式&39;極化，因為這種極化可能是膨脹期間原始量子引力效應的產物。波爾圖和格林沒有尋找「 B模式」極化作為量子引力效應的指標，而是扭轉了問題，發現另一種模式，即「相關函數的摺疊結構」，承載著經典波動的種子。

格林告訴說：「人們在實驗室中使用貝爾的不等式測試量子力學的歷史悠久。」 「基本思想是，如果您擁有量子系統，則可以執行某些類型的測量，這些測量將揭示狀態的真正量子力學性質。宇宙學面臨的挑戰是：（1）我們觀察到的宇宙基本上是經典的和（2）我們無法執行「實驗」，因為我們無法操縱宇宙的狀態。儘管有這些巨大的障礙，但遙遠的過去。」

波爾圖和格林最近的研究引入了一種新方法來檢驗宇宙結構具有量子性質的假設。本質上，研究人員得出的理論是，如果不能以所謂的非高斯相關函數的摺疊結構觀察到「碰撞」，那麼宇宙的結構將起源於量子零漲落，就像經典物理學中那樣，真空是空的。

他們論文中引入的石蕊測試與先前提出的量子力學測試有很大不同，因此規避了與這些測試相關的許多問題。在未來的工作中，Porto和Green計劃調查他們的測試是否也可以應用於基於量子系統的實驗室實驗。

「 Dan和我現在也在思考量子信息思想如何進一步查明原始種子的性質，並且從更實際的意義上講，還可以幫助我們提供一種更快的算法來模擬宇宙的演化，也許就像量子計算機將要完成的一天一樣」，波爾圖說。