宇宙学对撞机：两个极端尺度的交融（下）--中国数字科技馆

宇宙学对撞机：两个极端尺度的交融（下）

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最新发布时间： 2017-12-17

根据量子力学的不确定性原理，时空本身存在一种扰动，在宇宙学中，这种扰动被称为“量子涨落”；紧接着，暴胀开始了，这种量子涨落被快速地膨胀迅速放大，最终为物质成团结块、恒星聚集成星系创造了初始条件，所以，这些量子涨落就被称为“原初涨落”。也就是说，没有原初涨落，就不会有以后的星系、恒星，当然也不可能会有地球和生命。

物质涨落的演化史，就是一部物质运动与时空几何交互影响的历史。玻尔兹曼方程决定了物质团块在弯曲时空中如何各自漫游、相互冲撞，而爱因斯坦场方程决定了物质的分布如何扭曲时空的几何。所以，从理论上来说，只要我们能知道物质涨落的所有初始参数，原则上就可以利用计算机来模拟宇宙任何时刻的模样，然后我们可以用今天实际的天文观测结果与模拟的结果比对，从而又反过来帮助我们确定最初的那些参数设定的到底对不对。所以，这里的关键问题就是要对今天宇宙中的物质分布的涨落作出精确地观测。天文学家又是怎么观测的呢？

他们想出了很多招数。其中，最直接的办法或许是尽可能地搜寻漫布天空中的星系，为它们绘制三维地图。在宇宙学中，这幅地图被称为“大尺度结构”。还有另一种非常有效的办法，是观测宇宙从炽热发光的童年时期留下来的余晖。这些来自宇宙大爆炸之后几万年的光芒，如今已红移到微波波段，这就是“宇宙微波背景辐射”。

总结一下，科学家们首先测量宇宙中物质在大尺度上的涨落，并经过已知的物理规律回溯到它们诞生之初的初始条件，实际上也就在测量这些诞生于宇宙暴胀时期极端高能条件下的原初涨落。掌握了这些原初涨落的情况，就如同探测到了对撞机中那些短寿命粒子的衰变后产物。

这里需要给大家来举例说明：在宇宙暴胀期间，一对“虚的”重粒子被时空的量子涨落创造出来，并被宇宙的指数膨胀迅速拉伸到很大的尺度。这些虚的重粒子同样短寿，它们还没有来得及存留到暴胀结束，就衰变得全无踪影。幸好，在它们尚未完全消失前，这些重粒子会与时空本身的量子涨落发生相互作用。

时空本身的量子涨落中，有一种被称为“曲率扰动”的模式，具有很长的寿命。这种曲率扰动被暴胀的宇宙撕扯到很大的尺度后就被冻结下来，形成了能被观测到的物质涨落的初始条件。科学家们正是通过测量不同位置原初涨落间的相互关联，间接推知宇宙在暴胀期间能量极高的条件下所发生过的物理过程。这就是 “宇宙学对撞机”的原理了。

当然，有了这套“宇宙学对撞机”的原理后，科学家们或许可以在接下的时间中，利用它来探索未知的物理规律。

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