目前，人類(lèi)探索宇宙起源的主要科技手段是搜尋來(lái)自宇宙創(chuàng)生時(shí)期的時(shí)空漣漪，也就是原初引力波。這是因?yàn)樵跻Σň褪怯钪娲蟊ǖ膭?chuàng)世余暉，它就像留聲機(jī)一樣忠實(shí)地記錄了宇宙在古早時(shí)期所發(fā)生的一切。

近日，在一項(xiàng)最新的科學(xué)研究中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蔡一夫教授所帶領(lǐng)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了嬰兒宇宙處在高能物理的“沙漠”能區(qū)時(shí)，存在著發(fā)生原初引力波非線性共振的理論現(xiàn)象。

在一些原本被認(rèn)為幾乎不可能被探明的宇宙起源理論模型中，原初引力波的信號(hào)可以通過(guò)這個(gè)非線性的現(xiàn)象過(guò)程，被共振放大4至6個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至可以更大，從而被原初引力波探測(cè)器所檢測(cè)到。這就猶如在深谷中高聲語(yǔ)，未見(jiàn)其人，已聞其聲。這一最新研究成果為目前國(guó)際上正在積極推進(jìn)的原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)建設(shè)提供了重要的科學(xué)目標(biāo)；同時(shí)也為搜尋超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的高能新物理打開(kāi)了一扇窗口。

該研究成果發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

高能物理的“沙漠”能區(qū)

我們的宇宙，猶如一名正在成長(zhǎng)的孩童，夜幕下能看得見(jiàn)的那些璀璨繁星都是依附在物質(zhì)和暗物質(zhì)共同組成的大尺度結(jié)構(gòu)這一宇宙“骨骼”上生長(zhǎng)出來(lái)的。

不妨閉上眼睛想象一下，如果逆著時(shí)間之矢追根溯源，宇宙中所有的物質(zhì)和暗物質(zhì)，都曾經(jīng)以極為微小的基本粒子形態(tài)存在于嬰兒時(shí)期的宇宙中。由于那時(shí)的宇宙溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在，因此描繪這些基本粒子的物理屬性已經(jīng)超出了目前教科書(shū)上所介紹的知識(shí)范疇，這也就意味著當(dāng)時(shí)宇宙所發(fā)生和所經(jīng)歷的一切都屬于粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型之外的高能區(qū)新物理。與此同時(shí)，由于當(dāng)前人類(lèi)科技能力的約束，在高能物理實(shí)驗(yàn)中能制備的或者能觸及的最高溫度（也就是能標(biāo)），遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于嬰兒時(shí)期的宇宙能標(biāo)。這就導(dǎo)致了人類(lèi)想要探明這片陌生的物理世界時(shí)變得十分被動(dòng)。因此，科學(xué)家常常將這一時(shí)期稱為高能物理的“沙漠”能區(qū)。

目前，人類(lèi)探索宇宙起源的主要科技手段是搜尋來(lái)自宇宙創(chuàng)生時(shí)期的時(shí)空漣漪，也就是原初引力波。這是因?yàn)樵跻Σň褪怯钪娲蟊ǖ膭?chuàng)世余暉，它就像留聲機(jī)一樣忠實(shí)地記錄了宇宙在古早時(shí)期所發(fā)生的一切。

這些時(shí)空波動(dòng)的幅度大小直接由嬰兒時(shí)期的宇宙能標(biāo)所決定的，所以是否有機(jī)會(huì)探測(cè)到這些時(shí)空波動(dòng)的關(guān)鍵，就是看人類(lèi)能否觸及到當(dāng)時(shí)的宇宙能標(biāo)。

引力波探測(cè)也是人類(lèi)尋找超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的手段之一。引力波探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)，還有相變引力波、原初黑洞誘生引力波等。除了原初引力波外，其他科學(xué)目標(biāo)要么離高能物理的“沙漠”能區(qū)相差甚遠(yuǎn)，探測(cè)不到新物理；要么其背后的物理還存在著理論上的不確定性。只有原初引力波存在的前提假設(shè)，只需熱大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)成立即可，而這一點(diǎn)早已被多個(gè)宇宙學(xué)觀測(cè)所佐證。因此，對(duì)原初引力波的科學(xué)探索成為了人類(lèi)走出嬰兒宇宙的“沙漠”能區(qū)并找到新物理的關(guān)鍵線索。

“少了”原初引力波的暴脹學(xué)說(shuō)

作為宇宙起源的主流學(xué)說(shuō)，同時(shí)也是高能區(qū)新物理的代表性學(xué)說(shuō)，暴脹宇宙的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，我們的宇宙在大爆炸創(chuàng)生之后約10-30秒的一瞬間，體積被急劇地放大了約1080倍。這個(gè)時(shí)候的宇宙生機(jī)勃勃，不斷快速地自我復(fù)制繁殖，并迅速成長(zhǎng)壯大。

這一觀點(diǎn)能夠從科學(xué)觀測(cè)上找到蛛絲馬跡：宇宙在嬰兒時(shí)期所形成的原初物質(zhì)以及伴隨產(chǎn)生的量子漲落，最終演化形成了大尺度結(jié)構(gòu)，正如本文開(kāi)端所提到的夜幕繁星和這背后看不見(jiàn)的暗物質(zhì)等結(jié)構(gòu)，恰好跟人類(lèi)目前所能探明的大尺度結(jié)構(gòu)不謀而合；此外，原初物質(zhì)分布決定了今天的宇宙溫度，原初的量子漲落也決定了今天的宇宙溫度當(dāng)中存在著漣漪，這恰好為人類(lèi)的微波探測(cè)技術(shù)提供了另一個(gè)探究嬰兒宇宙的重要線索，即宇宙微波背景輻射天圖。

然而，暴脹學(xué)說(shuō)的另一個(gè)重要預(yù)言——原初引力波，卻遲遲未能在科學(xué)探測(cè)中被捕獲。不過(guò)，2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)花落雙黑洞并合所產(chǎn)生的引力波實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)者，為人類(lèi)進(jìn)一步尋找原初引力波注入了強(qiáng)大的科研信心。因此，目前原初引力波已成為了國(guó)內(nèi)外多個(gè)宇宙學(xué)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)搜尋對(duì)象。一旦人類(lèi)能夠成功捕獲原初引力波，將為宇宙是否發(fā)生過(guò)極早期的暴脹過(guò)程進(jìn)行蓋棺定論性的檢驗(yàn)，并能精確測(cè)定超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的高能區(qū)新物理所發(fā)生的能標(biāo)。然而，如前文所述，如果暴脹恰好發(fā)生在嬰兒宇宙的高能物理“沙漠”能區(qū)，高于當(dāng)前人類(lèi)能觸及的最高能標(biāo)，也就是對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)軜?biāo)，但又遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相互作用大統(tǒng)一的理論能標(biāo)（一般認(rèn)為這個(gè)理論能標(biāo)是新物理封頂?shù)淖罡吣軜?biāo)），那么相應(yīng)產(chǎn)生的原初引力波信號(hào)幅度會(huì)變得非常小，幾乎不可能被目前的宇宙學(xué)探測(cè)技術(shù)所察覺(jué)。因此傳統(tǒng)的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，在這個(gè)能區(qū)范圍去搜尋原初引力波以及它背后的新物理將是“不可能完成的任務(wù)”。

新物質(zhì)場(chǎng)“放大”原初引力波

在此次研究中，蔡一夫國(guó)際團(tuán)隊(duì)引入了一個(gè)具有參數(shù)共振演化行為的重場(chǎng)，這個(gè)新引入的物質(zhì)場(chǎng)并不會(huì)對(duì)背景演化以及當(dāng)前的宇宙學(xué)觀測(cè)進(jìn)行干擾，但是它可以與原初引力波發(fā)生非線性的相互耦合，這樣就可以為原初引力波的共振增益提供充足的能量來(lái)源。并且，由于暴脹背景演化的特殊動(dòng)力學(xué)性質(zhì)（慢滾暴脹動(dòng)力學(xué)），導(dǎo)致了被引入的重場(chǎng)和傳統(tǒng)的原初物質(zhì)擾動(dòng)之間幾乎互不干擾。因此，這就確保了暴脹學(xué)說(shuō)與當(dāng)前的宇宙學(xué)觀測(cè)能夠保持完美的契合。在上述研究論文中，作者通過(guò)構(gòu)造一個(gè)具體的模型，精準(zhǔn)地論證了即便嬰兒宇宙是在超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的“沙漠”能區(qū)經(jīng)歷的暴脹過(guò)程，也能夠產(chǎn)生足夠大的原初引力波，從而理論上說(shuō)明高能物理的“沙漠”也可能存在生機(jī)盎然的新物理“綠洲”。

值得一提的是，根據(jù)該研究的預(yù)分析，通過(guò)非線性共振過(guò)程產(chǎn)生原初引力波的新理論起源機(jī)制有望在將來(lái)的宇宙微波背景輻射偏振實(shí)驗(yàn)當(dāng)中進(jìn)行觀測(cè)檢驗(yàn)，這類(lèi)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)在宇宙微波背景輻射的偏振天圖中進(jìn)行觀察分析其圖像信息來(lái)提取原初引力波信號(hào)。這就為當(dāng)前正在如火如荼地發(fā)展當(dāng)中的原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)，如中國(guó)的阿里原初引力波實(shí)驗(yàn)等，提供了重要的科學(xué)目標(biāo)。

（作者：王晴晴　系中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系博士生）