宇宙大爆炸之前发生了什么?让我们窥探原初宇宙

renwen 提交于 周日, 2019/06/09 - 23:50
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  无论是功率谱还是非高斯性,标准时钟影响宇宙大尺度不均匀性的具体机制,都是相当技术性的问题。好在其物理本质,可以通过下面的类比来理解。

  原初宇宙中以固定频率振动的重粒子,仿佛以固定频率摆动的钟摆。我们在钟摆的下方放置一条纸带,使它沿垂直于钟摆摆动的方向运动,以此代表膨胀或收缩的宇宙。为了模拟重粒子与时空的相互作用,我们可以在摆锤中灌注墨水,从而能够在移动的纸带上划出痕迹。现在,如果你向一端(图X中的蓝色箭头)拉动纸带,摆动的钟摆就会划出一条振荡的轨迹。不难理解,如果纸带向一方运动得越来越快,那么钟摆在纸带上划出的轨迹将越来越稀疏;反之,如果纸带减速移动,那么钟摆划出的痕迹将越来越密集。因此,通过纸带上轨迹的形状,我们就能推测出纸带运动的速度。

  这正是原初标准钟工作的原理:通过某种相互作用,重粒子将它频率固定的振荡印刻在时空自身的扰动中。如今,大爆炸前的重粒子已经衰变殆尽,但它在大爆炸之前振动的遗迹留在了时空背景的扰动中。通过寻找和辨认这些遗迹的形状,就能够推知原初宇宙究竟在膨胀还是收缩。前面已经提到过,这些扰动成为了我们现今宇宙大尺度上不均匀与各向异性的种子,最终决定了现今宇宙的物质分布。下一代星系巡天观测,如美国的LSST和SPHEREx卫星、以及欧洲的Euclid,将有机会大幅改善对大尺度不均匀性的测量,从而有机会捕捉到原初标准时钟的脉动在如今宇宙的物质分布中留下的蛛丝马迹。