科學(xué)探索：是什么決定了宇宙的結(jié)構(gòu)？

量子漲落可能是早期宇宙中大尺度宇宙結(jié)構(gòu)(如星系團(tuán))的溫床。（圖片來(lái)源：NASA, ESA, Hubble and RELICS）
大約138億年前，宇宙從我們熟知的大爆炸中誕生。那時(shí)，極度熾熱、稠密的能量和物質(zhì)充斥在宇宙中，推動(dòng)了宇宙的膨脹。很多物理學(xué)家認(rèn)為，在隨后的短暫時(shí)間內(nèi)，宇宙經(jīng)歷了一個(gè)急速膨脹的階段，這個(gè)階段也被叫做暴脹（inflation）。暴脹理論最神奇的一個(gè)預(yù)言是，宇宙中我們能夠想象出的最大結(jié)構(gòu)的分布，比如所有星系的排列，是由發(fā)生在可測(cè)量的最小尺度的事件決定的。這個(gè)最小尺度就是量子領(lǐng)域。
不過(guò)，這個(gè)觀點(diǎn)的支持者長(zhǎng)期以來(lái)面對(duì)著一個(gè)棘手的問(wèn)題：我們只能看到宏觀上的物質(zhì)分布，在這種情況下，我們能否證實(shí)這個(gè)微觀層面的起源故事？
檢驗(yàn)暴脹理論
美國(guó)普林斯頓高級(jí)研究所的弦論學(xué)家、宇宙學(xué)家胡安·馬爾達(dá)西那（Juan Maldacena）說(shuō)：“宇宙結(jié)構(gòu)的量子起源問(wèn)題是科學(xué)中最有趣的問(wèn)題之一?！彼推渌芯空哌€沒(méi)得出一個(gè)定論，但新的研究工作會(huì)為這個(gè)問(wèn)題的解決提供希望——研究表明，從星系分布中獲得的信息有可能檢驗(yàn)暴脹理論。
按照暴脹理論的預(yù)測(cè)，我們應(yīng)該會(huì)發(fā)現(xiàn)星系在宇宙中的分布是幾乎完全隨機(jī)的。這種隨機(jī)性是由于星系的溫床本身有一個(gè)純粹隨機(jī)的來(lái)源：量子真空漲落（quantum vacuum fluctuation）。量子真空是遍布宇宙的量子場(chǎng)。它并不是“空”的。在量子真空中，場(chǎng)的短暫激發(fā)不斷出現(xiàn)，然后消失，形成了一種量子靜態(tài)。
如果沒(méi)有宇宙膨脹，這樣的靜態(tài)結(jié)構(gòu)不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間存在。然而，隨著暴脹，空間不可思議的膨脹把這些微觀量子信號(hào)放大到宏觀尺寸。隨著它們的增大，量子真空漲落無(wú)法回到混沌的真空，而是保持永恒存在。它們進(jìn)入了經(jīng)典物理學(xué)領(lǐng)域，也就是說(shuō)它們不再遵循量子力學(xué)的定律，而是開(kāi)始遵循愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論所闡明的引力作用。因此，在暴脹結(jié)束后，殘留的靜態(tài)會(huì)改變宇宙中原本均勻的物質(zhì)分布。這種模式有助于星系的形成：當(dāng)物質(zhì)在引力的吸引下聚集在更高密度區(qū)域時(shí)，星系就會(huì)在此產(chǎn)生。
這個(gè)理論使我們得出了一個(gè)非常富有詩(shī)意的結(jié)論：星系和星系團(tuán)——這些宇宙中最為巨大、最為不朽的結(jié)構(gòu)，必須來(lái)自最小、最短暫的量子振蕩。
但這個(gè)美妙的故事是真實(shí)的嗎？當(dāng)然還存在其他可能性：暴脹也許不是從量子真空中出現(xiàn)，而是由某種長(zhǎng)壽命的量子粒子引發(fā)；或者可能存在一個(gè)比暴脹更早的過(guò)程，使得暴脹之前的嬰兒宇宙已經(jīng)具有某種經(jīng)典結(jié)構(gòu)。因此，暴脹并非創(chuàng)造出宇宙結(jié)構(gòu)，而是將其放大了。這兩種情況都意味著，我們需要從根本上改變對(duì)宇宙最初發(fā)生的事情的理解。
尋找信號(hào)
從20世紀(jì)80年代初暴脹理論開(kāi)始發(fā)展以來(lái)，宇宙學(xué)家一直在思考如何解開(kāi)這個(gè)謎題。大多數(shù)的嘗試都在試圖找到量子真空起源的直接證據(jù)，以及是否可以被測(cè)量。然而迄今為止，他們還沒(méi)有找到一個(gè)令人滿意的答案。因此許多人懷疑這種方法是否可行。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的宇宙學(xué)家?jiàn)W利維耶·多雷（Olivier Doré）在仔細(xì)研究了這個(gè)問(wèn)題之后說(shuō)：“這很難。這是一個(gè)非常微弱的效應(yīng)?！倍嗬缀退暮献髡哒J(rèn)為，暴脹會(huì)將量子真空的任何信號(hào)都限制在遠(yuǎn)低于能夠?qū)嶋H測(cè)量的水平。他說(shuō)：“很難想到可以測(cè)量出什么?！?br> 如果無(wú)法指望收集到量子真空的直接證據(jù)，研究人員可以反其道而行之，去尋找反對(duì)量子真空起源的證據(jù)。多雷和馬爾達(dá)西那也認(rèn)為搜集直接證據(jù)的方法似乎沒(méi)有什么希望，他們都提到了一項(xiàng)新研究。這項(xiàng)研究由加州大學(xué)圣地亞哥分校的宇宙學(xué)家丹尼爾·格林（Daniel Green）和德國(guó)電子同步加速器研究所的拉斐爾·波爾托（Rafael Porto）完成，現(xiàn)已被《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）接收。研究表明，通過(guò)研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中任何非隨機(jī)特征，能夠更容易地找到宇宙非量子真空起源的證據(jù)。
事實(shí)上，如果我們生活在一個(gè)源自暴脹的宇宙中，而在這個(gè)宇宙中，星系是從量子混沌中產(chǎn)生的，那么我們應(yīng)該期望證實(shí)它們隨機(jī)地散布在整個(gè)空間中。宇宙學(xué)家已經(jīng)在大尺度結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了一些非隨機(jī)特征。但這些非隨機(jī)性可以由暴脹之后發(fā)生的事件來(lái)解釋?zhuān)热缫?duì)星系團(tuán)生長(zhǎng)的影響。挑戰(zhàn)在于，我們需要找到只能由早期宇宙事件解釋的非隨機(jī)特征。這些“原始”跡象可能會(huì)揭示暴脹出現(xiàn)的細(xì)節(jié)，也可能會(huì)讓我們對(duì)這一時(shí)期發(fā)生的事情有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。
繪制星系的非隨機(jī)分布
舉個(gè)例子，研究人員可以通過(guò)研究多個(gè)星系組成的幾何形狀來(lái)檢驗(yàn)隨機(jī)性。任何3個(gè)星系可以組成一個(gè)三角形。那么另外再隨機(jī)選擇3個(gè)星系，這3個(gè)星系組成的新三角形是否會(huì)和前者形狀相同？通過(guò)系統(tǒng)搜索，可以統(tǒng)計(jì)每一個(gè)三角形的形狀，并覆蓋天區(qū)的每一個(gè)點(diǎn)，宇宙學(xué)家期望從中發(fā)現(xiàn)不同的星系所組成的不同三角形形狀的出現(xiàn)概率。如果某些形狀出現(xiàn)的概率更大，都意味著宇宙的宏觀物質(zhì)分布存在非隨機(jī)性。由此，宇宙學(xué)家會(huì)問(wèn)：“是什么導(dǎo)致了這樣的結(jié)果？”
格林和波爾托認(rèn)為，如果宇宙結(jié)構(gòu)的溫床不是來(lái)自量子真空，而是來(lái)自非量子態(tài)或起源于暴脹之前的經(jīng)典態(tài)，那么將改變最初星系溫床的模式。這些新的模式會(huì)在大尺度結(jié)構(gòu)中傾向于形成某些特定形狀。反之，如果天文學(xué)家找不到證據(jù)證明這些構(gòu)型的出現(xiàn)頻率超過(guò)隨機(jī)概率所允許的范圍，那么宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)就不可能來(lái)自其他起源模式。
最重要的是，根據(jù)格林的說(shuō)法，天文學(xué)家確實(shí)有希望找到他和波爾托所描述的證據(jù)，只要它存在。第一步是尋找體現(xiàn)非隨機(jī)性的新跡象，不管它們是由最開(kāi)始的暴脹還是由隨后的過(guò)程引起。格林估計(jì)，這樣做可能需要將目前繪制星系位置的精度提高100倍。誠(chéng)然，這是一個(gè)不容易達(dá)成的目標(biāo)，但這還是比直接測(cè)量微小尺度的潛在信號(hào)容易得多。
如果觀察者成功地發(fā)現(xiàn)了非隨機(jī)性，下一步他們需要分辨出與暴脹過(guò)程，而不是隨后的事件相關(guān)的信號(hào)。格林說(shuō)，這一步最困難。但也不是不可能。與暴脹有關(guān)的非隨機(jī)形狀類(lèi)型，應(yīng)該和由其他過(guò)程導(dǎo)致的非隨機(jī)形狀一樣引人注目。因?yàn)楸┟浗Y(jié)束后，其他作用會(huì)使這種非隨機(jī)性更加明顯，因此它們會(huì)變得更容易被發(fā)現(xiàn)。
波爾托說(shuō)：“你不必大海撈針?！比绻麤](méi)有任何明顯的原始非隨機(jī)性特征的線索，理論學(xué)家也無(wú)法通過(guò)混雜作用或者實(shí)驗(yàn)缺陷等理由解釋為什么找不到這種理論上明顯的信號(hào)。因此，如果找不到任何非隨機(jī)形狀的跡象，這可能是有利于暴脹理論和宇宙結(jié)構(gòu)量子起源的證據(jù)。
多雷同意，尋找非隨機(jī)特征有著一個(gè)令人興奮的前景，因?yàn)樗璧臏y(cè)量似乎是可行的。特別是在未來(lái)5到10年內(nèi)，天文學(xué)家將從幾項(xiàng)新型的巡天和望遠(yuǎn)鏡（如NASA將于2024年發(fā)射的SPHEREx衛(wèi)星）任務(wù)中，制作出前所未有的高保真星系分布圖。雖然這樣的工作并不能保證回答宇宙質(zhì)量的問(wèn)題，但多雷認(rèn)為現(xiàn)在是時(shí)候考慮這個(gè)問(wèn)題了。他說(shuō)：“這很難預(yù)測(cè)，但我認(rèn)為對(duì)這些問(wèn)題而言，現(xiàn)在是充滿變化的時(shí)刻。目前出現(xiàn)了很多新的思路，我希望能夠產(chǎn)生一些關(guān)鍵的想法?！?br> 波爾托表示同意：“現(xiàn)在有很多數(shù)據(jù)，也還有很多工作要做。”想要解開(kāi)宇宙演化的研究人員現(xiàn)在可以從粒子物理學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)和尋找引力波等方面尋找機(jī)會(huì)。波爾托說(shuō)：“當(dāng)所有理論統(tǒng)一的時(shí)候，是最激動(dòng)人心的時(shí)刻?！?br> 撰文：Brendan Z. Foster
翻譯：賀白
編輯：吳非
文章來(lái)源：科學(xué)美國(guó)人
文章鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/did-galaxies-grow-from-quantum-static/


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