摘要：大多数物理学家认为，在 138 亿年前大爆炸发生后的一瞬间，新生宇宙的大小急剧膨胀，从小于质子跃升至大于垒球。这种指数级扩张可能看起来很小，但它相当于手掌中的一颗葡萄膨胀到可观测宇宙的数万倍。这个被称为宇宙膨胀的奇怪而短暂的时期通常被认为是近乎虚无的扩张，因为

作者：Stephanie Pappas 编辑：Lee Billings

理论家发现，宇宙膨胀的“暖”版本与已知物理学相一致，并将其与寻找暗物质联系起来

大多数物理学家认为，在 138 亿年前大爆炸发生后的一瞬间，新生宇宙的大小急剧膨胀，从小于质子跃升至大于垒球。这种指数级扩张可能看起来很小，但它相当于手掌中的一颗葡萄膨胀到可观测宇宙的数万倍。这个被称为宇宙膨胀的奇怪而短暂的时期通常被认为是近乎虚无的扩张，因为在那时，宇宙中的大多数基本粒子还没有诞生。换句话说，宇宙膨胀的标准观点认为，宇宙并不是从一个炽热、致密的火球开始的，而是一个寒冷的空洞，后来通过某种不太了解的过程重新加热成等离子粒子汤。

但发表在《物理评论快报》上的一项新理论研究表明，宇宙膨胀可能从一开始就是温暖的。事实上，研究人员发现，一段温暖的膨胀期，开始在宇宙中填充物质，可能是由物理学标准模型（描述宇宙中基本力和基本粒子的理论）内部的相互作用自然产生的。

“我们这篇论文表明，在暴胀期间保持温暖其实极其普遍，也极其简单，”该论文的主要作者、加州理工学院理论物理学博士后金·伯格豪斯（Kim Berghaus）说道。她表示，解决冷暴胀问题只需要一种未经证实的粒子。“这让我们达到了‘这可能确实在自然界中发生过，我们可以去寻找它’的境界，”伯格豪斯补充道。

宇宙膨胀本身就是一个巨大的谜团。大多数物理学家认为它发生在宇宙时间的第一个 0.0000000000000000000000000000000000001 秒（10-32秒）内，此时宇宙已经膨胀了 10-50 倍。人们之所以认真对待这个令人难以置信的想法，是因为它可以解释大爆炸本身无法解释的问题——即为什么宇宙在非常大的尺度上显得如此极其均匀。对大爆炸余辉的研究表明，宇宙微波背景辐射 (CMB) 在任何地方都基本相同。解释这种超自然平滑度的最直接方法是一段膨胀期，这段时间让婴儿宇宙有时间达到均匀的温度。

与此同时，暴胀也会放大早期宇宙中微小的随机波动，造成原始等离子体的密度变化。这些变化成为宇宙结构的种子；随着它们的引力将更多物质聚集在一起，密度更高的区域最终会发展成为充满恒星的星系和星系团。

迄今为止，尚无暴胀的直接观测证据，因此理清其细节是理论物理学家的任务。最初，物理学家设想暴胀是一个冷过程，其中涉及弥漫于整个空间的能量场。它由一种具有高势能的场驱动，称为暴胀场，其行为有点像一个球从山上滚下来，并在下降过程中将其势能转化为动能。起初，这座“山坡”平缓，几乎平坦，随着暴胀“球”滚下，呈指数级膨胀的宇宙密度迅速降低。当膨胀的宇宙被稀释到接近真空时，“山坡”最终触底。此时，滚动的暴胀“球”基本上可以在由此产生的“谷底”周围弹跳，释放其动能，从而产生许多基本粒子并重新加热宇宙。只有到那时，“新生宇宙如火球”的场景才会得以实现。

但麦吉尔大学客座教授、伊朗布阿里西纳大学副教授瓦希德·卡马利（Vahid Kamali）表示，这一重新加热步骤究竟是如何发生的，目前尚不清楚。卡马利研究早期宇宙学，并未参与这项新研究。物理学家们想知道这一步骤是否必要，或者是否有办法让整个膨胀过程保持温暖。

爱丁堡大学理论物理学家阿尔琼·贝雷拉（Arjun Berera）也未参与这项新研究，他在1995年首次提出了暖暴胀理论。贝雷拉表示，冷暴胀在某些方面过于简单。“当系统相互作用时，我们预计会有摩擦和粒子产生，”他说，“但在标准的暴胀理论中，这些并不存在。”

贝雷拉的第一个模型最初被驳回。批评者认为，暖暴胀实际上会自我燃尽，过早地产生相互作用的粒子，从而消耗其势能。用山丘的类比来说，暴胀“球”会突然从过于陡峭的斜坡上坠落，使整个过程戛然而止。

“一直以来的挑战是如何找到能够产生粒子但又不会形成如此陡峭山坡的模型，”贝雷拉说。

贝雷拉和他的同事在2016年发表了一篇论文，他们发现了一个类似的模型，该模型使用了与标准模型中已知的相互作用和场类似的相互作用。伯格豪斯和她的合著者——比利时鲁汶天主教大学的马可·德鲁斯（Marco Drewes）以及慕尼黑大学的塞巴斯蒂安·泽尔（Sebastian Zell）——在他们的新论文中更进一步，将暖暴胀牢牢地定位在标准模型本身中。他们的计算表明，暴胀场和被称为胶子的基本粒子之间微弱的相互作用足以使暴胀变暖。胶子携带着强核力，这种核力将被称为夸克的基本粒子粘合在一起，形成质子和中子。

“他们所做的就是将暖膨胀与标准模型相互作用联系起来，”巴西里约热内卢州立大学的理论物理学家鲁德内·拉莫斯 (Rudnei Ramos) 说，他是 2016 年论文的合著者，但未参与这项新研究。

这些标准模型相互作用会加热暴胀宇宙，从而避免后续需要重新加热阶段的复杂性。贝雷拉表示，在冷暴胀中，最初的涨落都小得不可思议，而且是量子涨落，之后在重新加热过程中必然会转变为更大的、所谓的经典相互作用。问题在于，没有人真正理解这个过程是如何展开的。但在暖暴胀中，“这不是什么大问题，”他说，“因为它们已经是经典的了。”

新模型有一个关键的局限性：产生暴胀场的粒子目前尚未被发现。伯格豪斯表示，它是一种非常轻、不带电荷的粒子，称为轴子。几十年来，物理学家一直在寻找轴子，因为这些粒子的某些变体可能构成了宇宙中大部分甚至全部的暗物质。一些迹象表明轴子可能存在，例如2022年“新视野号”探测器探测到的微弱太空背景光。如果轴子确实存在，那么太阳系每一立方厘米的空间中都应该漂浮着数万亿个轴子。目前，一些项目，例如由华盛顿大学、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和其他机构合作开展的“轴子暗物质实验”，正在利用强磁场将这些粒子转化为可探测的微波光子，从而寻找轴子。

新模型对轴子的依赖表明，最终通过实验验证有两种途径——一是通过未来对宇宙微波背景辐射的观测来检验该模型的一些预测，二是通过正在进行的基于实验室的对这些难以捉摸的粒子的搜索。

卡马利表示，尽管可检验性使这一新模型令人振奋，但要使其与其他宇宙学理论相协调，仍有许多工作要做。他举例说，新模型中暴胀场的大小与弦理论的预测不符。即便如此，在标准模型的既定框架内彻底解释宇宙暴胀的诱惑力，对渴望探索的理论家和实验家来说，恐怕依然难以抗拒。

“我们的研究有机会发现能够探究粒子物理学与宇宙大爆炸之间联系的奥秘，”伯格豪斯说。“因为我们提出的理论与标准模型紧密相关，所以它是可以检验的。”

来源：人工智能学家