大爆炸前发生了什么

宇宙大爆炸和演化示意图。图中从左到右是时间进程的方向。垂直于时间轴的维度代表宇宙继续膨胀的空间。资料来源:美国宇航局官方网站“宇宙从何而来？它是如何变成今天的样子的？

这个现在被科学家广泛接受的故事始于大约138亿年前。当时，一个密度很大的点被充气了。然后大爆炸开始了。宇宙膨胀冷却了。原子核和原子开始形成，直到我们今天看到布满星星的天空。

尽管这个故事充满了戏剧性的巧合和激烈的冲突，但仍然有一个漏洞:这两个截然不同的时期是如何联系在一起的？几十年来，这一直是困扰科学家的迷雾。最近，一个国际研究小组模拟了宇宙演化的这一关键过渡时期，并得出结论，所谓的“再加热”过程可能是早期宇宙两个阶段之间的“桥梁”，但这一过程的确凿证据仍需进一步研究。

宇宙的“两面”:膨胀和大爆炸

提到宇宙的起源，最著名的是大爆炸理论(Big Bang Theory)，它在理论上基于爱因斯坦的广义相对论，并得到了今天最广泛、最精确的科学实验观察的支持。

根据这个理论，我们的宇宙大约诞生于138亿年前。从一个微小、密集的“火球”开始，它膨胀并慢慢冷却。渐渐地，我们今天看到的原子，我们周围的鸟和花，以及满天闪烁的星星和星系形成了。

然而，现在物理学中普遍认为在大爆炸之前有宇宙膨胀。宇宙膨胀理论是由日本的佐藤胜彦博士和美国的艾伦·哈维·格斯博士提出的。该理论认为，在宇宙诞生之初不到万亿分之一秒的时间里，宇宙从一个几乎无穷小的点飙升了1027倍。然后，宇宙发生了大爆炸，并逐渐演变成今天的样子。

分散的粒子“重新加热”宇宙。

那么，宇宙如何能在从通货膨胀到大爆炸的如此短的时间内迅速“变脸”？这两个时期之间有什么联系？

据美国有趣科学网站报道，为了解决宇宙演化中的这个难题，来自肯扬学院、麻省理工学院(MIT)和荷兰莱顿大学的研究人员模拟了——“再加热”时期，即宇宙膨胀和大爆炸之间的关键过渡时期。

在他们的模型中，研究主要作者雷切尔·阮和她的同事模拟了被称为“充气”的物质形式的行为。他们认为假想的“膨胀”本质上与希格斯玻色子相似，并创造了驱动宇宙膨胀的能量场。在适当的条件下，“膨胀”的能量可以被有效地重新分配，从而产生重新加热宇宙所需的各种粒子。

大卫·凯泽，麻省理工学院的研究人员和物理教授之一，说:“宇宙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”被置于大爆炸之中。在这个过渡时期，宇宙颠倒了，一切都混乱了，物质表现的形式非常复杂。”

雷切尔解释说，在宇宙膨胀时期，所有的物质都分散在各处，使宇宙成为一个寒冷而空旷的地方，缺少点燃大爆炸所需的“热粒子汤”。在“再加热”阶段，推动宇宙爆炸的能量衰减并“变形”成粒子。

雷切尔说:“一旦这些粒子诞生，它们就会四处碰撞，相互碰撞，传递动量和能量。正是这种能量再次加热了寒冷的宇宙，并为大爆炸奠定了基础。”

引力波或延迟中的关键证据

那么，除了指出“再加热”过程是宇宙膨胀和大爆炸之间的桥梁之外，最新的模拟还能给我们什么呢？

研究合作者汤姆·吉布林是凯尼恩学院的物理学副教授，他说:“从寒冷的膨胀时期到炽热的大爆炸时期，应该有关键的证据证明哪些粒子能够以如此高的能量水平存在。”

此外，在宇宙膨胀期间，万有引力在极端能量状态下的“行为”是什么？这个基本问题也让物理学家“辗转反侧”

爱因斯坦的广义相对论认为重力“平等对待所有物质”，与粒子能量无关。呵

哪个观点是正确的？研究小组调整了粒子和重力之间的相互作用强度，并将上述假设纳入模型。结果表明，在大爆炸期间，重力增加得越多，“充气机”传递能量以产生热物质粒子的效率越高。

现在，研究人员需要找到支持这个模型的证据。

吉布林说:“我们用模拟来预测宇宙的‘形状’。这个再加热阶段应该会在宇宙的某个地方留下印记。我们所要做的就是找到它。”

但是找到这个标记可能不容易。研究人员说，宇宙最早的“一瞥”来自宇宙微波背景辐射(CMB)——。宇宙大约380岁时产生的电磁波辐射一直在宇宙中传播。它们的“余辉”是我们今天看到的宇宙微波背景辐射。然而，吉布林表示，中巴只是保留了宇宙早期的外观，并希望未来的引力波观测将提供最终线索。