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音頻科普：兩個極端尺度的交融——宇宙學對撞機（下）
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音頻科普：兩個極端尺度的交融——宇宙學對撞機（下）
根據量子力學的不確定性原理，時空本身存在一種擾動，在宇宙學中，這種擾動被稱為“量子漲落”；緊接著，暴脹開始了，這種量子漲落被快速地膨脹迅速放大，最終為物質成團結塊、恒星聚集成星係創造了初始條件，所以，這些量子漲落就被稱為“原初漲落”。也就是說，沒有原初漲落，就不會有以後的星係、恒星，當然也不可能會有地球和生命。
物質漲落的演化史，就是一部物質運動與時空幾何交互影響的曆史。玻爾茲曼方程決定了物質團塊在彎曲時空中如何各自漫遊、相互衝撞，而愛因斯坦場方程決定了物質的分布如何扭曲時空的幾何。所以，從理論上來說，隻要我們能知道物質漲落的所有初始參數，原則上就可以利用計算機來模擬宇宙任何時刻的模樣，然後我們可以用今天實際的天文觀測結果與模擬的結果比對，從而又反過來幫助我們確定最初的那些參數設定的到底對不對。所以，這裏的關鍵問題就是要對今天宇宙中的物質分布的漲落作出精確地觀測。天文學家又是怎麽觀測的呢？
他們想出了很多招數。其中，最直接的辦法或許是盡可能地搜尋漫布天空中的星係，為它們繪製三維地圖。在宇宙學中，這幅地圖被稱為“大尺度結構”。還有另一種非常有效的辦法，是觀測宇宙從熾熱發光的童年時期留下來的餘暉。這些來自宇宙大爆炸之後幾萬年的光芒，如今已紅移到微波波段，這就是“宇宙微波背景輻射”。
總結一下，科學家們首先測量宇宙中物質在大尺度上的漲落，並經過已知的物理規律回溯到它們誕生之初的初始條件，實際上也就在測量這些誕生於宇宙暴脹時期極端高能條件下的原初漲落。掌握了這些原初漲落的情況，就如同探測到了對撞機中那些短壽命粒子的衰變後產物。
這裏需要給大家來舉例說明：在宇宙暴脹期間，一對“虛的”重粒子被時空的量子漲落創造出來，並被宇宙的指數膨脹迅速拉伸到很大的尺度。這些虛的重粒子同樣短壽，它們還沒有來得及存留到暴脹結束，就衰變得全無蹤影。幸好，在它們尚未完全消失前，這些重粒子會與時空本身的量子漲落發生相互作用。
時空本身的量子漲落中，有一種被稱為“曲率擾動”的模式，具有很長的壽命。這種曲率擾動被暴脹的宇宙撕扯到很大的尺度後就被凍結下來，形成了能被觀測到的物質漲落的初始條件。科學家們正是通過測量不同位置原初漲落間的相互關聯，間接推知宇宙在暴脹期間能量極高的條件下所發生過的物理過程。這就是 “宇宙學對撞機”的原理了。
當然，有了這套“宇宙學對撞機”的原理後，科學家們或許可以在接下的時間中，利用它來探索未知的物理規律。
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他們想出了很多招數。其中，最直接的辦法或許是盡可能地搜尋漫布天空中的星係，為它們繪製三維地圖。在宇宙學中，這幅地圖被稱為“大尺度結構”。還有另一種非常有效的辦法，是觀測宇宙從熾熱發光的童年時期留下來的餘暉。這些來自宇宙大爆炸之後幾萬年的光芒，如今已紅移到微波波段，這就是“宇宙微波背景輻射”。
總結一下，科學家們首先測量宇宙中物質在大尺度上的漲落，並經過已知的物理規律回溯到它們誕生之初的初始條件，實際上也就在測量這些誕生於宇宙暴脹時期極端高能條件下的原初漲落。掌握了這些原初漲落的情況，就如同探測到了對撞機中那些短壽命粒子的衰變後產物。
這裏需要給大家來舉例說明：在宇宙暴脹期間，一對“虛的”重粒子被時空的量子漲落創造出來，並被宇宙的指數膨脹迅速拉伸到很大的尺度。這些虛的重粒子同樣短壽，它們還沒有來得及存留到暴脹結束，就衰變得全無蹤影。幸好，在它們尚未完全消失前，這些重粒子會與時空本身的量子漲落發生相互作用。
時空本身的量子漲落中，有一種被稱為“曲率擾動”的模式，具有很長的壽命。這種曲率擾動被暴脹的宇宙撕扯到很大的尺度後就被凍結下來，形成了能被觀測到的物質漲落的初始條件。科學家們正是通過測量不同位置原初漲落間的相互關聯，間接推知宇宙在暴脹期間能量極高的條件下所發生過的物理過程。這就是 “宇宙學對撞機”的原理了。
當然，有了這套“宇宙學對撞機”的原理後，科學家們或許可以在接下的時間中，利用它來探索未知的物理規律。
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