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來歷：舉世科學

國際大爆破在科學界現已成為一個知識，但是，國際大爆破之前的原初國際終究發作了什么，卻一向沒有結論。在兩項研討中，物理學家發現，重粒子構成的原初規范時鐘或許能協助咱們窺視原初國際的形狀。

2015年，陳新剛與王一等研討人員在對原初國際模型的研討中發現，國際大規范的不均勻性與規范時鐘有很親近的聯系。在此基礎上，最近，哈佛大學的鮮于中之等人提出，可以經過一種更易觀測的方法，將規范時鐘與國際不均勻性聯系起來。相關論文在PRL上宣布今后，得到了美國物理學會網站的亮點報道。為此，《舉世科學》特別約請到了鮮于中之博士，請他對這一問題撰寫了翔實的科普文章，以饗讀者。

“大爆破之前”的原初國際

物理學家通知咱們，國際在大約137億年前發作過大爆破。“國際大爆破”的說法家喻戶曉，但是，大爆破之前呢？

這問題初看起來荒誕不經，但物理學家近年來已開端尋覓答復它的頭緒。他們發現，下一代國際學觀測或許就能為咱們供給答案。

從上世紀初至今，觀測與理論的堆集使物理學家逐步意識到，國際并非靜態不變的固定舞臺，而是在不斷脹大。飄然浮游于國際中的星系，因之而互相遠離。

從現在的觀測現實動身，藉由物理規律的導游，咱們得以沿著時刻的長河逆流而上，獲悉國際演化的前史。經過多種國際學觀測和理論的彼此映證，咱們可以將國際的“信史”追溯到百億年前。那時的國際細密而火熱，有如一團焚燒的天火。時刻越早，這團火焰的溫度越高。

 

直到距今大約137億年前的某時刻，此番溯流而上的探險會遇到溫度無量高、密度無量大的狀況。現在的物理規律在此時全部失效，物理學家稱之為“大爆破奇點”。天然，假如將國際大爆破了解為大爆破奇點，那么議論“大爆破之前”是沒有物理含義的。

不過物理學家當然知道，經過這樣簡略外推得到的成果并不完全正確。很或許，國際的演化在很早的某個時刻會違背這種簡化的外推。在此時刻之后，國際依然依照規范的熱脹大圖畫演化。物理學家將稱這一段或多或少得到觀測驗證的演化前史稱為“熱大爆破”階段，而在此時之前，則需求新的理論來解說國際對熱大爆破的違背。這段時刻，物理學家稱之為“原初國際”。因而，當咱們說到“大爆破之前”，便是指原初國際。

暴升或許并非僅有或許

物理學家在曩昔幾十年間提出了多種理論描繪原初國際的演化，其間一些還能處理大爆破的若干理論疑問——比方可以解說為什么現在咱們的國際極點平整。

不過，關于今日的物理學家而言，原初國際理論最為誘人之處在于，它們對解說咱們本身的存在至關重要。咱們知道，物質在可見國際中的散布適當均勻、但又不完全均勻。在國際前史的前期，時空的不均勻性適當弱小。之后，在萬有引力的效果下，不均勻性逐步被擴大，物質散布逐步結團成塊，逐漸呈現了星系、恒星，終究才有了咱們。

前期國際細小的不均勻性從何而來？這正是原初國際的理論需求答復的問題。在這些理論中，承受度最高的一種稱為暴升理論。該理論以為，國際在大爆破之前，還曾經歷過一段極為時間短而張狂的快速脹大，在這段或許只需千萬億億億億分之一秒的時刻內，國際以指數速度脹大了大約百億億億倍。由于驅動這段急速脹大的能量極點巨大，時空本身也會感受到顯著的量子漲落。這些量子漲落被飛速的脹大敏捷拉伸到很大的間隔，終究成為國際在大規范上不均勻性的種子。

經過丈量國際微波布景或許星系的散布，咱們現在已了解了許多關于原初國際不均勻性（也稱作原初擾動）的信息，并經過它們驗證或證偽不同的暴升理論。因而，評論大爆破之前的國際并不是虛妄之說，而是實實在在的物理問題。

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不過，暴升理論不是一種固定的理論，而是一群理論模型的總稱：驅動國際指數脹大的方法五花八門，各自都能預言一種特別的原初擾動不均勻性的款式。除此之外，物理學家也提出了各種非暴升模型，解說國際在大爆破之前的演化。在這些模型中，原初國際或縮短、或反彈，花樣繁多，不勝枚舉。這些模型有不少也能解說國際在大規范上的不均勻與各向異性。雖然它們或許還有不少理論上的困難，但這些測驗提示咱們，暴升或許并非原初國際的僅有或許。

原則上，經過詳盡丈量國際大規范的不均勻性，可以斷定詳細的暴升模型。但是實踐上，暴升模型的結構適當靈敏。好像，不管物理學家觀測就任何款式的不均勻性，理論家總能結構出一種暴升模型來解說這種款式。所以有人置疑，作為科學理論，暴升終究可以被證偽嗎？說得更清晰一些，原初國際的演化終究是暴升、仍是大反彈、仍是其他模型呢？有沒有一種方法可以洞悉國際大爆破之前的演化呢？

原初規范時鐘：不同原初國際模型的判據

脹大仍是縮短，這是一個問題。不過作為物理問題，咱們不可用冥想來決斷，而需以地理觀測作答。本文題目中的“原初規范時鐘”，正是經過地理觀測處理這一問題的利器。

“規范時鐘”的作業原理，與一般的時鐘無異。不管什么類型的掛鐘，都是以固定的節律運轉的機器。所謂計時，便是記數節拍的數目。開始的掛鐘，節律的來歷是單擺。伽利略年青的時分，曾在教堂調查搖擺的燈架，意識到單擺的固定節律，這是一個廣為人知的故事。現在常見的石英鐘，則利用了石英晶體將電流轉化為周期振蕩的性質。不管如何，只需有固定的頻率，就有或許用來計時。

量子國際的波粒二象性通知咱們，具有必定質量的粒子，對應于振蕩頻率固定的物質波，然后可以被用作具有固定節律的時鐘。在原初國際中，帶著質量的粒子可以經過各種方法被制造出來，并以物質波的方法發生振蕩。這樣的振蕩經過各種方法影響時空本身的漲落，然后在國際大規范不均勻性上留下痕跡。原初國際中，帶著質量的重粒子舉目皆是。物理學家現在熟知的基本粒子，在原初國際中或許就很重，或許就可以用作原初規范時鐘。[拜見鮮于中之：《國際學對撞機：兩個極點規范的融合》]

物理學家近來發現，重粒子作為規范時鐘，將在今日國際的大規范不均勻性中留下痕跡。在宣布于2016年的一篇文章中[1]，哈佛大學的陳新剛、Mohammad Hossein Namjoo，與香港科技大學的王一發現，原初國際中重粒子的量子漲落足以對時空本身的擾動發生影響。因而，現在國際大規范不均勻性的三點相關函數（也稱為非高斯性）有或許帶著規范時鐘的信息。

在陳新剛、哈佛大學的Abraham Loeb與我最近的一篇文章中[2]，咱們發現，重粒子還將經過一種不同的方法影響大規范不均勻性的兩點相關函數（也稱為功率譜）。關于企圖尋覓規范時鐘信號的試驗家而言，這是個好消息。由于在實踐觀測中，丈量功率譜遠比非高斯性簡單。

不管是功率譜仍對錯高斯性，規范時鐘影響國際大規范不均勻性的詳細機制，都是適當技術性的問題。好在其物理實質，可以經過下面的類比來了解。

原初國際中以固定頻率振蕩的重粒子，似乎以固定頻率搖擺的鐘擺。咱們在鐘擺的下方放置一條紙帶，使它沿垂直于鐘擺搖擺的方向運動，以此代表脹大或縮短的國際。為了模仿重粒子與時空的彼此效果，咱們可以在擺錘中灌注墨水，然后可以在移動的紙帶上劃出痕跡。現在，假如你向一端（圖X中的藍色箭頭）拉動紙帶，搖擺的鐘擺就會劃出一條振蕩的軌道。不難了解，假如紙帶向一方運動得越來越快，那么鐘擺在紙帶上劃出的軌道將越來越稀少；反之，假如紙帶減速移動，那么鐘擺劃出的痕跡將越來越密布。因而，經過紙帶上軌道的形狀，咱們就能推測出紙帶運動的速度。

 

這正是原初規范鐘作業的原理：經過某種彼此效果，重粒子將它頻率固定的振蕩印刻在時空本身的擾動中。現在，大爆破前的重粒子現已衰變殆盡，但它在大爆破之前振蕩的遺址留在了時空布景的擾動中。經過尋覓和辨認這些遺址的形狀，就可以推知原初國際終究在脹大仍是縮短。前面現已說到過，這些擾動成為了咱們現在國際大規范上不均勻與各向異性的種子，終究決議了現在國際的物質散布。下一代星系巡天觀測，如美國的LSST和SPHEREx衛星、以及歐洲的Euclid，將有時機大幅改進對大規范不均勻性的丈量，然后有時機捕捉到原初規范時鐘的脈動在現在國際的物質散布中留下的蛛絲馬跡。