宇宙大爆炸在科學(xué)界已經(jīng)成為一個(gè)常識(shí)，但是，宇宙大爆炸之前的原初宇宙到底發(fā)生了什么，卻一直沒有定論。在兩項(xiàng)研究中，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，重粒子構(gòu)成的原初標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘或許能幫助我們窺探原初宇宙的形態(tài)。

 

　　2015年，陳新剛與王一等研究人員在對原初宇宙模型的研究中發(fā)現(xiàn)，宇宙大尺度的不均勻性與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘有很密切的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，最近，哈佛大學(xué)的鮮于中之等人提出，可以通過一種更易觀測的方式，將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘與宇宙不均勻性聯(lián)系起來。相關(guān)論文在PRL上發(fā)表以后，得到了美國物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站的亮點(diǎn)報(bào)導(dǎo)。為此，《環(huán)球科學(xué)》特別邀請到了鮮于中之博士，請他對這一問題撰寫了詳盡的科普文章，以饗讀者。

 

　　“大爆炸之前”的原初宇宙

 

　　物理學(xué)家告訴我們，宇宙在大約137億年前發(fā)生過大爆炸。“宇宙大爆炸”的說法婦孺皆知，可是，大爆炸之前呢？

 

　　這問題初看起來荒誕不經(jīng)，但物理學(xué)家近年來已開始尋找回答它的線索。他們發(fā)現(xiàn)，下一代宇宙學(xué)觀測或許就能為我們提供答案。

 

　　從上世紀(jì)初至今，觀測與理論的積累使物理學(xué)家逐漸意識(shí)到，宇宙并非靜態(tài)不變的固定舞臺(tái)，而是在不斷膨脹。飄然浮游于宇宙中的星系，因之而彼此遠(yuǎn)離。

 

　　從現(xiàn)今的觀測事實(shí)出發(fā)，藉由物理定律的向?qū)В覀兊靡匝刂鴷r(shí)間的長河逆流而上，獲知宇宙演化的歷史。通過多種宇宙學(xué)觀測和理論的相互映證，我們能夠?qū)⒂钪娴?ldquo;信史”追溯到百億年前。那時(shí)的宇宙致密而熾熱，有如一團(tuán)燃燒的天火。時(shí)間越早，這團(tuán)火焰的溫度越高。

 

　　直到距今大約137億年前的某時(shí)刻，此番溯流而上的探險(xiǎn)會(huì)遇到溫度無窮高、密度無窮大的狀態(tài)?，F(xiàn)今的物理定律在此刻悉數(shù)失效，物理學(xué)家稱之為“大爆炸奇點(diǎn)”。自然，如果將宇宙大爆炸理解為大爆炸奇點(diǎn)，那么談?wù)?ldquo;大爆炸之前”是沒有物理意義的。

 

　　不過物理學(xué)家當(dāng)然知道，通過這樣簡單外推得到的結(jié)果并不完全正確。很可能，宇宙的演化在很早的某個(gè)時(shí)刻會(huì)偏離這種簡化的外推。在此時(shí)刻之后，宇宙仍然按照標(biāo)準(zhǔn)的熱膨脹圖像演化。物理學(xué)家將稱這一段或多或少得到觀測驗(yàn)證的演化歷史稱為“熱大爆炸”階段，而在此刻之前，則需要新的理論來解釋宇宙對熱大爆炸的偏離。這段時(shí)間，物理學(xué)家稱之為“原初宇宙”。因此，當(dāng)我們提到“大爆炸之前”，就是指原初宇宙。

 

　　暴漲或許并非唯一可能

 

　　物理學(xué)家在過去幾十年間提出了多種理論描繪原初宇宙的演化，其中一些還能解決大爆炸的若干理論疑難——比如可以解釋為什么目前我們的宇宙極其平坦。

 

　　不過，對于今天的物理學(xué)家而言，原初宇宙理論最為迷人之處在于，它們對解釋我們本身的存在至關(guān)重要。我們知道，物質(zhì)在可見宇宙中的分布相當(dāng)均勻、但又不完全均勻。在宇宙歷史的早期，時(shí)空的不均勻性相當(dāng)微弱。之后，在萬有引力的作用下，不均勻性逐漸被放大，物質(zhì)分布逐漸結(jié)團(tuán)成塊，漸漸出現(xiàn)了星系、恒星，最終才有了我們。

 

　　早期宇宙微小的不均勻性從何而來？這正是原初宇宙的理論需要回答的問題。在這些理論中，接受度最高的一種稱為暴漲理論。該理論認(rèn)為，宇宙在大爆炸之前，還曾經(jīng)歷過一段極為短暫而瘋狂的快速膨脹，在這段也許只有千萬億億億億分之一秒的時(shí)間內(nèi)，宇宙以指數(shù)速度膨脹了大約百億億億倍。由于驅(qū)動(dòng)這段急速膨脹的能量極其巨大，時(shí)空自身也會(huì)感受到明顯的量子漲落。這些量子漲落被飛速的膨脹迅速拉伸到很大的距離，最終成為宇宙在大尺度上不均勻性的種子。

 

　　通過測量宇宙微波背景或者星系的分布，我們?nèi)缃褚蚜私饬撕芏嚓P(guān)于原初宇宙不均勻性（也稱作原初擾動(dòng)）的信息，并通過它們驗(yàn)證或證偽不同的暴漲理論。因此，討論大爆炸之前的宇宙并不是虛妄之說，而是實(shí)實(shí)在在的物理問題。

 

　　不過，暴漲理論不是一種固定的理論，而是一群理論模型的總稱：驅(qū)動(dòng)宇宙指數(shù)膨脹的方式形形色色，各自都能預(yù)言一種特別的原初擾動(dòng)不均勻性的樣式。除此之外，物理學(xué)家也提出了各種非暴漲模型，解釋宇宙在大爆炸之前的演化。在這些模型中，原初宇宙或收縮、或反彈，花樣繁多，不一而足。這些模型有不少也能解釋宇宙在大尺度上的不均勻與各向異性。盡管它們或許還有不少理論上的困難，但這些嘗試提示我們，暴漲或許并非原初宇宙的唯一可能。

 

　　原則上，通過細(xì)致測量宇宙大尺度的不均勻性，可以判定具體的暴漲模型。然而實(shí)際上，暴漲模型的構(gòu)造相當(dāng)靈活。似乎，無論物理學(xué)家觀測到任何樣式的不均勻性，理論家總能構(gòu)造出一種暴漲模型來解釋這種樣式。于是有人懷疑，作為科學(xué)理論，暴漲究竟可以被證偽嗎？說得更明確一些，原初宇宙的演化究竟是暴漲、還是大反彈、還是其他模型呢？有沒有一種辦法可以洞察宇宙大爆炸之前的演化呢？

 

　　原初標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘：不同原初宇宙模型的判據(jù)

 

　　膨脹還是收縮，這是一個(gè)問題。不過作為物理問題，我們不可用冥想來決斷，而需以天文觀測作答。本文題目中的“原初標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘”，正是通過天文觀測解決這一問題的利器。

 

　　“標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘”的工作原理，與一般的時(shí)鐘無異。無論什么類型的鐘表，都是以固定的節(jié)律運(yùn)行的機(jī)器。所謂計(jì)時(shí)，就是記數(shù)節(jié)拍的數(shù)目。最初的鐘表，節(jié)律的來源是單擺。伽利略年輕的時(shí)候，曾在教堂觀察擺動(dòng)的燈架，意識(shí)到單擺的固定節(jié)律，這是一個(gè)廣為人知的故事。現(xiàn)在常見的石英鐘，則利用了石英晶體將電流轉(zhuǎn)化為周期振動(dòng)的性質(zhì)。無論如何，只要有固定的頻率，就有可能用來計(jì)時(shí)。

 

　　量子世界的波粒二象性告訴我們，具有一定質(zhì)量的粒子，對應(yīng)于振動(dòng)頻率固定的物質(zhì)波，從而可以被用作具有固定節(jié)律的時(shí)鐘。在原初宇宙中，攜帶質(zhì)量的粒子可以通過各種方式被制造出來，并以物質(zhì)波的形式產(chǎn)生振動(dòng)。這樣的振動(dòng)通過各種方式影響時(shí)空自身的漲落，從而在宇宙大尺度不均勻性上留下痕跡。原初宇宙中，攜帶質(zhì)量的重粒子比比皆是。物理學(xué)家目前熟知的基本粒子，在原初宇宙中可能就很重，也許就可以用作原初標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘。[參見鮮于中之：《宇宙學(xué)對撞機(jī)：兩個(gè)極端尺度的交融》]

 

　　物理學(xué)家近來發(fā)現(xiàn)，重粒子作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，將在今天宇宙的大尺度不均勻性中留下痕跡。在發(fā)表于2016年的一篇文章中[1]，哈佛大學(xué)的陳新剛、MohammadHosseinNamjoo，與香港科技大學(xué)的王一發(fā)現(xiàn)，原初宇宙中重粒子的量子漲落足以對時(shí)空自身的擾動(dòng)產(chǎn)生影響。因此，現(xiàn)今宇宙大尺度不均勻性的三點(diǎn)關(guān)聯(lián)函數(shù)（也稱為非高斯性）有可能攜帶標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的信息。

 

　　在陳新剛、哈佛大學(xué)的AbrahamLoeb與我最近的一篇文章中[2]，我們發(fā)現(xiàn)，重粒子還將通過一種不同的方式影響大尺度不均勻性的兩點(diǎn)關(guān)聯(lián)函數(shù)（也稱為功率譜）。對于試圖尋找標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的實(shí)驗(yàn)家而言，這是個(gè)好消息。因?yàn)樵趯?shí)際觀測中，測量功率譜遠(yuǎn)比非高斯性容易。

 

　　無論是功率譜還是非高斯性，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘影響宇宙大尺度不均勻性的具體機(jī)制，都是相當(dāng)技術(shù)性的問題。好在其物理本質(zhì)，可以通過下面的類比來理解。

 

　　原初宇宙中以固定頻率振動(dòng)的重粒子，仿佛以固定頻率擺動(dòng)的鐘擺。我們在鐘擺的下方放置一條紙帶，使它沿垂直于鐘擺擺動(dòng)的方向運(yùn)動(dòng)，以此代表膨脹或收縮的宇宙。為了模擬重粒子與時(shí)空的相互作用，我們可以在擺錘中灌注墨水，從而能夠在移動(dòng)的紙帶上劃出痕跡?，F(xiàn)在，如果你向一端（圖X中的藍(lán)色箭頭）拉動(dòng)紙帶，擺動(dòng)的鐘擺就會(huì)劃出一條振蕩的軌跡。不難理解，如果紙帶向一方運(yùn)動(dòng)得越來越快，那么鐘擺在紙帶上劃出的軌跡將越來越稀疏；反之，如果紙帶減速移動(dòng)，那么鐘擺劃出的痕跡將越來越密集。因此，通過紙帶上軌跡的形狀，我們就能推測出紙帶運(yùn)動(dòng)的速度。

 

　　這正是原初標(biāo)準(zhǔn)鐘工作的原理：通過某種相互作用，重粒子將它頻率固定的振蕩印刻在時(shí)空自身的擾動(dòng)中。如今，大爆炸前的重粒子已經(jīng)衰變殆盡，但它在大爆炸之前振動(dòng)的遺跡留在了時(shí)空背景的擾動(dòng)中。通過尋找和辨認(rèn)這些遺跡的形狀，就能夠推知原初宇宙究竟在膨脹還是收縮。前面已經(jīng)提到過，這些擾動(dòng)成為了我們現(xiàn)今宇宙大尺度上不均勻與各向異性的種子，最終決定了現(xiàn)今宇宙的物質(zhì)分布。下一代星系巡天觀測，如美國的LSST和SPHEREx衛(wèi)星、以及歐洲的Euclid，將有機(jī)會(huì)大幅改善對大尺度不均勻性的測量，從而有機(jī)會(huì)捕捉到原初標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的脈動(dòng)在如今宇宙的物質(zhì)分布中留下的蛛絲馬跡。