一組科學(xué)家提出了一個(gè)關(guān)于膨脹宇宙的強(qiáng)有力新測試，該理論認(rèn)為宇宙在大爆炸后的瞬間瞬間急劇膨脹，研究目標(biāo)是深入研究一個(gè)長期存在的難題：大爆炸之前的宇宙是什么樣子？

雖然宇宙膨脹因解決了一些關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)和演化的重要謎題而聞名，但其他非常不同的理論也能解釋這些謎題。在其中一些理論中，大爆炸之前的宇宙狀態(tài)（所謂的原始宇宙）正在收縮而不是膨脹，因此大爆炸是大反彈的一部分。

博科園-科學(xué)科普：為了幫助在宇宙膨脹和其他觀點(diǎn)之間做出選擇，不可避免地出現(xiàn)了可證偽性的問題，即一個(gè)理論是否可以通過檢驗(yàn)來潛在地證明它是錯(cuò)誤的。研究人員包括馬薩諸塞州劍橋市天體物理學(xué)中心的艾維·勒布(Avi Loeb)。這引發(fā)了人們對宇宙膨脹的擔(dān)憂，表明其看似無窮無盡的適應(yīng)性，使得它幾乎不可能得到恰當(dāng)?shù)臋z驗(yàn)?？勺C偽性應(yīng)該是任何科學(xué)理論的一個(gè)標(biāo)志，目前的膨脹宇宙形勢是，這是一個(gè)非常靈活的想法，無法通過實(shí)驗(yàn)加以證明。

不管人們用什么來衡量某種可觀察到的屬性，總有一些宇宙膨脹模型可以解釋它?，F(xiàn)在，由CfA的陳新剛、勒布和哈佛大學(xué)物理系的鐘志賢宇領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，將他們所謂的“原始標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘”概念應(yīng)用到非膨脹理論中，并提出了一種可能被用來在實(shí)驗(yàn)中模擬膨脹的方法，這項(xiàng)研究將作為編輯的建議發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上。為了找到一些能將膨脹理論與其他理論區(qū)分開來的特征，研究小組首先確定了各種理論的定義性質(zhì)——原始宇宙大小的演化。

例如，在膨脹期間，宇宙的大小呈指數(shù)增長，在其他一些理論中，宇宙的大小會(huì)收縮，有些很慢，而另一些很快。到目前為止，人們提出用來測量的屬性通常很難區(qū)分不同理論，因?yàn)樗鼈兣c原始宇宙大小的演化沒有直接關(guān)系，所以想找出哪些可觀察到的屬性可以直接與定義屬性相關(guān)聯(lián)。原始標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生的信號就可以達(dá)到這個(gè)目，那個(gè)鐘是原始宇宙中任何一種重基本粒子。這樣的粒子在任何理論中都應(yīng)該存在，它們的位置應(yīng)該以一定的頻率振蕩，就像鐘擺的滴答聲一樣。

原始宇宙并非完全一致，在極小的尺度上存在著微小密度不規(guī)則性，這些不規(guī)則性形成了今天宇宙中觀測到大規(guī)模結(jié)構(gòu)的種子。這是物理學(xué)家了解大爆炸之前發(fā)生事情所依賴的主要信息來源。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的滴答聲產(chǎn)生信號被印在這些不規(guī)則結(jié)構(gòu)中。不同原始宇宙理論中標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘預(yù)測不同的信號模式，因?yàn)橛钪嫜莼瘹v史是不同的。如果把迄今為止我們所知道關(guān)于宇宙大爆炸之前發(fā)生的一切信息都想象成一卷膠片，那么標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘就會(huì)告訴我們這些膠片應(yīng)該如何播放。

沒有任何時(shí)鐘信息，就不知道電影應(yīng)該向前還是向后播放，快還是慢，就像我們不確定原始宇宙是膨脹還是收縮，以及膨脹的速度有多快一樣。這就是問題所在，當(dāng)電影在大爆炸前拍攝時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘會(huì)在每一幀上蓋上時(shí)間戳，并告訴我們?nèi)绾尾シ胚@部電影。研究小組計(jì)算了這些標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號在非膨脹理論中應(yīng)該是什么樣子，并建議在天體物理觀測中應(yīng)該如何尋找它們。如果發(fā)現(xiàn)一種表示宇宙收縮的信號模式，就會(huì)證明整個(gè)宇宙膨脹理論是錯(cuò)誤的。

這個(gè)想法的成功在于實(shí)驗(yàn)，這些信號很難探測到，所以我們可能不得不在許多不同的地方進(jìn)行搜索。宇宙微波背景輻射就是這樣一個(gè)地方，而星系的分布又是另一個(gè)地方，已經(jīng)開始尋找這些信號，已經(jīng)有一些有趣的候選信號，但我們需要更多的數(shù)據(jù)。未來的許多星系研究，如美國主導(dǎo)的LSST、歐洲的Euclid以及美國宇航局新近批準(zhǔn)的SphereX項(xiàng)目，有望提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，用于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?哈佛史密森尼天體物理中心

參考期刊文獻(xiàn):《物理評論快報(bào)》,《arXiv》

Cite: arXiv:1809.02603

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