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起源之问:宇宙到底源自大反弹还是大爆炸?

2017-09-14 10:41:28    中国经济网  参与评论()人

换句话说,从我们今天看到的CMB温度涨落,到星系、恒星、地球,乃至我们自己,都是由婴儿时期宇宙中的量子涨落演化而来。因此,在暴胀学说中当前宇宙的均匀性以及大尺度结构的形成得到了十分自然的解释,我们不再需要为热大爆炸宇宙设定各种苛刻的初始条件。

然而,大爆炸奇点在暴胀学说中依然是不可避免的。这意味着,暴胀本身是不完整的理论:我们不知道暴胀如何开始,也不知道在暴胀之前发生了什么。在这个背景下,一系列替代理论应运而生,其中最具代表性的就是反弹宇宙学。

实现反弹宇宙图像的理论模型有很多,例如加拿大麦吉尔大学的罗伯特·布兰登伯格教授与英国朴茨茅茨大学的大卫·沃兹于1999年提出物质反弹模型、中国科学院高能所张新民研究员及其团队于2007年提出的精灵反弹模型等。在笔者和多位同事的多年努力之下,藏在这些模型背后的反弹宇宙学扰动理论逐渐成型,并揭示了反弹学说同样可以解释热大爆炸宇宙学所面临的初始条件疑难。在这类理论图像中,大爆炸之前的宇宙处于一个收缩过程,体积越来越小,直到某一时刻宇宙收缩到一个极小值,然后反弹进入标准的热大爆炸膨胀阶段。由此可见,反弹学说的提出,不仅继承了热大爆炸宇宙学的成功之处,还避免了那个会让宇宙学家头皮发麻的时空奇点。因此,它进一步推动了热大爆炸宇宙学的理论发展。

验证起源学说,原初引力波说了算

CMB中的原初B模偏振可以帮助构建宇宙最初的模样。但人类一直没有找到它。科学家已在智利和南极展开或规划CMB观测,我国阿里原初引力波望远镜也将瞄准这一“宇宙级”问题。

宇宙在极早期所经历的究竟是哪一种过程呢?暴胀,反弹,抑或二者的结合?对于研究极早期宇宙的物理学家来说,一个至关重要的任务就是通过实验观测来进行检验区分。上述模型给出的理论预言,正好可以通过对CMB的高精度测量来加以检验。

由于宇宙早期光子与电子会发生汤姆森散射,CMB光子不仅携带着前文提到的黑体谱和温度涨落的信息,还会有偏振状态,它们形成两种截然不同的图样:电场型E模式和磁场型B模式。

宇宙学家在研究CMB的偏振涨落时发现,原初宇宙中的张量扰动(即原初引力波)可以直接导致CMB拥有B模式的偏振信号。换言之,寻找原初引力波的B模偏振,能为极早期宇宙的研究提供线索。

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