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宇宙大爆炸再起波澜,粒子物理学能成为揭开其面纱的钥匙吗?

(2019-12-31 09:28:01)
标签:

杂谈

林家乐生命学




宇宙大爆炸再起波澜,粒子物理学能成为揭开其面纱的钥匙吗?



来源:宇宙科学室

月球现在正在远离地球,造成这一切的原因是什么?那就是宇宙膨胀,宇宙膨胀时各天体,甚至是各星系之间的距离都在增加,虽然速度比较慢,但这一切却是无法避免的一件事。宇宙膨胀自从宇宙大爆炸结束后就已经开始了,我们仅仅知道宇宙大爆炸,那么宇宙大爆炸的前一刻又是什么呢?

宇宙大爆炸再起波澜,粒子物理学能成为揭开其面纱的钥匙吗?

宇宙大爆炸的前一刻,在科学界都有很多说法,这些说法不能说全对,也不能说全错,因为没有谁知道到底哪一个说法是真正符合宇宙大爆炸前时刻。针对这一问题,全球的众多国家和一些民间组织都一直在研究。在面对宇宙大爆炸这一问题时,绝大部分的科学家都将其与黑洞类比,表示宇宙大爆炸前宇宙是一个密度无穷大且能量巨大的奇点,然后在137亿年前的某一时刻产生了爆炸,并且开始膨胀,形成了现在的宇宙。

可观测宇宙的膨胀

欧洲高能(粒子)物理研究所针对这些问题也研究了很长时间,宇宙大爆炸的形式与粒子对撞非常相似,只是宇宙大爆炸可能只是一个粒子,而粒子对撞则是两个不同或者相同的粒子。其实不仅仅外国在研究,中国现在也在逐步的往这方面快速前进,中国高能物理研究所正准备建造大型粒子对撞机,来研究宇宙起源和宇宙微波背景辐射的相关问题。

宇宙大爆炸再起波澜,粒子物理学能成为揭开其面纱的钥匙吗?

高能物理学,粒子对撞

“前宇宙”观点

现在,我们先不把宇宙伊始当做一个奇点,我们将其当做前宇宙,当然,这只是一种观点,不具有权威性。为什么说将其当做前宇宙呢?我们不妨这样想,我们借助一个密封的大盒子,在内部放一个气球,气球内部装满水,然后将盒子内抽成真空,在将盒子内部加热,当达到水沸点的时候,气球就会爆炸,爆炸完成之后,水仍然还在盒子内,并且成了一滴滴的水珠,由于内部是真空,这些水珠仍然在其中悬浮,因为水沸腾所放出的气体仍然保存在水当中。

那么有没有可能宇宙大爆炸和现在的宇宙也是这样的呢?宇宙大爆炸前仍然是一个小宇宙,不过这个小宇宙正在存储能量,当能量达到最大的那一刻时,这个宇宙爆炸了,爆炸之后所形成的新宇宙就开始了另一种膨胀。这种观点是完全有可能的,只是尚未有科学家将这种观点纳入新的研究,所以并没有经过证实和处理。不过目前揭开宇宙起源最好的办法仍然是高能物理学的相关研究。

宇宙大爆炸再起波澜,粒子物理学能成为揭开其面纱的钥匙吗?

高能物理研究是最接近宇宙的一种研究,一个分子其结构与星系结构相似,中子就像是行星,原子核就是恒星,而分子组成的任何事物就相当于一个小宇宙,而研究高能物理,是现在揭开宇宙起源所必须经过的路,所以它也有另一个名称叫做粒子物理。

关于我们的宇宙是如何发展的,一直都有一个说法,这个说法和上述观点类似,不过这个说法有两个阶段,首先,宇宙像气球一样被充气迅速膨胀,当气球(宇宙)达到最大张力的那一刻,气球爆炸了,但是,这两个时期是如何联系的,物理学家尚无定论。不过现在,一项新的研究提出了一种将两个时联系起来的方法。

宇宙大爆炸再起波澜,粒子物理学能成为揭开其面纱的钥匙吗?

“再加热”理论使针对宇宙大爆炸前时刻的研究推入了一个新的轨道

在第一时期,宇宙的大小在不到一万亿分之一秒的时间内从几乎无限的小点增长到近八十亿倍(即1后面是27个零)。在这个膨胀时期之后,是一个更为渐进但暴力的扩张时期,我们称之为大爆炸。在大爆炸期间,质子,中子和电子等基本粒子难以置信地膨胀并冷却,形成了我们今天看到的原子,恒星和星系。

在大爆炸理论时期,它描述了宇宙膨胀,仍然是最广泛支持的解释我们的宇宙是如何开始的,但科学家们还在这些完全不同的扩张时期是如何连接的困惑。为了解决这一宇宙难题,肯尼恩学院,麻省理工学院(MIT)和荷兰莱顿大学的一组研究人员模拟了宇宙通货膨胀与大爆炸之间的关键转变,这一时期被称为“再加热”。麻省理工学院物理学教授戴维·凯泽在一份声明中说: “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,将'大爆炸'置于大爆炸之中”。

宇宙大爆炸再起波澜,粒子物理学能成为揭开其面纱的钥匙吗?

当宇宙在宇宙膨胀期间瞬间旋转时,所有存在的物质都散开了,使宇宙处于寒冷而空旷的地方,没有点燃大爆炸所需的热粒子。在“再加热”期间,推动膨胀的能量会分解成颗粒,而在这过程中,一旦产生了这些热粒子,它们就会反弹并相互撞击,传递动量和能量。这就是使宇宙热化和再加热,为大爆炸设定初始条件的原因。这些假想的热粒子本质上类似于希格斯玻色子,创造了推动宇宙膨胀的能量场。在适当的条件下,可以有效地重新分配玻色子的能量,从而产生使宇宙重新加热所需的各种粒子。

宇宙大爆炸再起波澜,粒子物理学能成为揭开其面纱的钥匙吗?

当我们研究早期宇宙时,我们真正要做的是在非常高的温度下进行粒子实验。从寒冷的膨胀时期到炎热的时期的转变,人类应该掌握一些关键证据,以证明在这些极高能量下真正存在的有哪些粒子。现在困扰物理学家的一个基本问题是,重力如何作用于膨胀期间存在的极端能量。在爱因斯坦的广义相对论中,所有物质都被认为以相同的方式受到引力的影响,引力的强度是恒定的,而与粒子的能量无关。但是,由于量子力学的不确定性,科学家们认为,在非常高的能量下,物质对重力的反应会有所不同。

宇宙大爆炸再起波澜,粒子物理学能成为揭开其面纱的钥匙吗?

某团队通过调整粒子与重力的相互作用程度,当增加地心引力的强度越大,“充气气球”传递能量的效率就越高,从而产生出在大爆炸期间发现的热物质粒子。

这个“再加热期”可能会在宇宙中的某个地方留下印记。我们只需要找到它即可。我们对宇宙的最早了解是在大爆炸之后几十万年留下的辐射气泡,称为宇宙微波背景辐射。然而,宇宙微波背景辐射只是在出生的最初几个关键时刻暗示着宇宙的状态。而通过高能物理研究,暗物质探测和引力波探测,再结合宇宙微波背景辐射,宇宙大爆炸前时刻与大爆炸原因这个面纱,就会被很快揭开!

宇宙大爆炸再起波澜,粒子物理学能成为揭开其面纱的钥匙吗?

 

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