将“砰”一声放在“大爆炸”中–“重新加热”宇宙的第一秒

随着“大爆炸”理论的发展，大约在138亿年前，宇宙爆炸成无限小而紧凑的物质火球，它随着膨胀而冷却，并引发反应，煮熟了第一批恒星和星系，以及所有形式的今天我们所看到（和现在）的事情。

物理学家认为，就在大爆炸将宇宙推向不断扩展的轨道之前，早期宇宙还有另一个更具爆炸性的阶段在起作用：持续不到一万亿分之一秒的宇宙通货膨胀。在此期间，物质（一种冷的，均匀的树冠）迅速膨胀，然后大爆炸的过程开始接管，以更缓慢地扩展和充实婴儿宇宙。

最近的观察独立地支持了“大爆炸”和宇宙通货膨胀的理论。但是，这两个过程之间存在着根本性的差异，以至于科学家们一直在努力地思考一个过程是如何彼此跟随的。

现在，麻省理工学院，肯永学院和其他地方的物理学家已经详细模拟了早期宇宙的中间阶段，该阶段可能将宇宙通货膨胀与大爆炸联系在一起。这个阶段称为“再加热”，发生在宇宙通货膨胀结束时，涉及将通货膨胀的冷而均匀的物质与大爆炸开始时就已经准备好的超热，复杂的汤搏斗的过程。

麻省理工学院Germeshausen科学史教授和物理学教授戴维·凯泽（David Kaiser）说：“通货膨胀后的再加热时期为大爆炸创造了条件，从某种意义上说，'大爆炸'使大爆炸成为可能。”“在这个过渡时期，所有的地狱都崩溃了，物质以一种简单的方式表现出来。”

凯撒和他的同事们详细模拟了通货膨胀结束后的混乱时期，多种物质如何相互作用。他们的模拟表明，导致通货膨胀的极端能量本可以以更快的速度重新分配，甚至可以在更短的几分之一秒内重新分配，并且以某种方式产生了大爆炸开始时所需的条件。

研究小组发现，如果量子效应改变了物质在非常高的能量下对重力的反应方式，从而偏离了爱因斯坦的广义相对论预测物质和引力应该相互作用的方式，那么这种极端的转变将会更快，更有效。

Kaiser说：“这使我们能够讲述一个通透的故事，从通货膨胀到通货膨胀后的时期，再到大爆炸等等。”“我们可以追踪一组连续的过程，所有这些过程都具有已知的物理学，可以说这是宇宙看起来像我们今天所看到的样子的一种可能的方式。”

该小组的结果今天显示在《物理评论快报》中。凯瑟（Kaiser）的合著者是肯扬学院的主要作者雷切尔·阮（Rachel Nguyen）和约翰·T·吉布林（John T. Giblin），以及荷兰莱顿大学的前麻省理工学院研究生Evangelos Sfakianakis和Jorinde van de Vis。

“与自己同步”

宇宙通货膨胀理论是由麻省理工学院的阿兰·古斯（Alan Guth）于1980年代首次提出的。魏斯科普夫（Weisskopf）物理学教授预测，宇宙的开始是一个非常小的物质斑点，可能大约是质子大小的千亿分之一。该斑点中充满了超高能量物质，其能量如此之大，以至于其中的压力产生了排斥性引力-导致通货膨胀的驱动力。就像引火线的火花一样，这种引力以前所未有的速度向外爆炸婴儿宇宙，使其膨胀到原始大小的近八十倍（即数字1，然后是26个零），不到万亿分之一。一秒。

凯撒（Kaiser）和他的同事们试图弄清楚最早的再加热阶段-宇宙通货膨胀结束时和大爆炸之前的桥梁间隔-可能是什么样子。

“最早的再加热阶段应以共振为标志。一种主要形式的高能物质占主导地位，并且它在广阔的空间中与自身同步来回摆动，导致爆炸性地产生新粒子。” Kaiser说。“这种行为不会永远持续下去，一旦它开始将能量转移到另一种形式的物质上，其自身的摆动将在整个空间内变得更加断断续续且不均匀。我们想要测量这种共振效应破裂，产生的粒子彼此散射并达到某种热平衡所需的时间，这让人想起了大爆炸的情况。”

该小组的计算机模拟代表了一个大格子，在格子上他们绘制了多种形式的物质，并跟踪了它们的能量和分布在空间和时间上随着科学家们改变某些条件而发生的变化。模拟的初始条件基于特定的通货膨胀模型-一组关于宇宙膨胀期间早期宇宙物质分布可能如何行为的预测。

科学家之所以选择这种特殊的通货膨胀模型，是因为它的预测与宇宙微波背景的高精度测量值非常吻合，宇宙微波背景是在大爆炸发生仅38万年后发出的残留辐射光，据信其中包含了通货膨胀时期的痕迹。

普遍的调整

该模拟跟踪了在充气过程中可能占主导地位的两种物质的行为，这与最近在其他实验中观察到的一种希格斯玻色子非常相似。

在进行模拟之前，研究小组对模型的重力描述进行了一些“调整”。尽管我们今天看到的普通物质就像爱因斯坦在广义相对论中所预言的那样对引力作出反应，但在高能状态下的物质（例如认为在宇宙膨胀中存在的物质）的行为应略有不同，以某种方式与引力相互作用由量子力学修改，或在原子尺度上相互作用。

在爱因斯坦的广义相对论中，重力的强度表示为一个常数，物理学家将其称为最小耦合，这意味着，无论特定粒子的能量如何，它都会以由通用常数。

但是，在宇宙膨胀中所预测的非常高的能量下，物质以稍微复杂得多的方式与重力相互作用。量子力学效应预测，当与超高能物质相互作用时，重力的强度会在空间和时间上发生变化，这种现象称为非最小耦合。

凯撒（Kaiser）和他的同事们在其通货膨胀模型中加入了一个非最小耦合项，并观察了当使量子效应向上或向下时，物质和能量的分布如何变化。

最后，他们发现，量子改性的引力作用对物质的影响越强，宇宙从膨胀中的冷的均匀物质转变为大爆炸所特有的更热，更直接的物质形式的转变就越快。

通过调整这种量子效应，他们可以使这一至关重要的转变发生在2到3次“电子折叠”中，指的是宇宙（大约）尺寸增加三倍所花费的时间。在这种情况下，他们设法在宇宙大小增加两倍至三倍的时间内模拟了再热阶段。相比之下，通货膨胀本身发生了大约60倍的电子折叠。

“重新加热是一个疯狂的时期，那时一切都乱了，” Kaiser说。“我们证明，物质在当时相互作用如此强烈，以至于它也可以相应迅速地放松下来，为大爆炸奠定了美丽的舞台。”我们不知道是这种情况，但这就是这些模拟中出现的东西，所有这些都具有已知的物理学。这对我们来说是令人兴奋的。

这项研究得到了美国能源部和国家科学基金会的部分支持。