1.

根據大爆炸理論，我們的宇宙誕生於138億年前，從一個無限小的緻密“火球”，不斷地擴張膨脹，並慢慢冷卻。漸漸地，宇宙中形成了第一批恆星、星系，以及我們現在所見到的所有形式的物質。

物理學家相信，就在大爆炸將宇宙推向不斷膨脹的程序之前，早期宇宙還經歷了另一個更具爆炸性的階段——宇宙暴脹。這個過程持續的時間不到萬億分之一秒，但膨脹的速度卻是以指數級增長的。

○ 上個世紀80年代，物理學教授Alan Guth首次提出了宇宙膨脹理論，該理論預測宇宙最初是一個極微小的物質點，其大小可能只有質子的千億分之一。這個點中充滿了超高能物質，能量非常之大，以至於內部的壓力產生了一種排斥性的引力——這就是暴脹背後的驅動力。就像火花之於引信一樣，這種引力以前所未有的速度將新生的宇宙向外推，在不到萬億分之一秒的時間內，使宇宙膨脹到接近原始大小的10²⁷倍。圖片顯示的是Guth的筆記。

許多天文觀測結果都支援了大爆炸和宇宙暴脹理論。但是，這是兩個截然不同的過程，科學家們一直難以理解其中一個是如何緊隨另一個之後出現的。

在一項新的研究中，物理學家詳細地模擬了早期宇宙中一個可能連線了宇宙暴脹和大爆炸的中間階段。這個階段被稱為“再熱”，這一過程出現在宇宙暴脹末期和大爆炸開始之前的階段，將暴脹產生的冷的、均勻的物質轉變成超熱的、複雜的物質湯。

論文的作者David Kaiser說：“後暴脹再熱時期為大爆炸創造了條件，在某種意義上，是它啟動了‘爆炸’，正是在這個橋樑時期，所有的事物都開始鬆動，物質的行為變得非常複雜。”

2.

對於這個連線了宇宙暴脹和大爆炸的橋樑階段，研究人員很好奇它最初會是什麼樣子。

Kaiser說：“再熱的最初階段應該用共振來標記。一種高能物質佔據主導地位，它在廣闊的空間中與自身同步來回擺動，導致爆炸式地產生新的粒子。但這種行為不會永遠持續下去，一旦它開始將能量轉移到另一種形式的物質上，它自身的擺動將在空間中變得更加起伏不平。我們想要測量的是，需要多長的時間共振效應才會破裂，產生的粒子才會彼此分散並且達到某種熱平衡，讓人想起大爆炸發生時的情況。”

他們的計算機模擬中展示了一個很大的晶格，在這個晶格上，他們繪製了多種形式的物質，並追蹤了當某些條件被改變時，能量和分佈會如何隨之在空間和時間上發生變化。模擬的初始條件是基於一個特定的暴脹模型而設定的，這個模型是一組關於早期宇宙的物質分佈在宇宙暴脹期間的行為得到一系列預測。

他們之所以選擇這一特定的暴脹模型，是因為它的預測與高精度的宇宙微波背景測量結果非常吻合。

3.

在模擬中，他們研究了兩種可能在暴脹期間占主導地位的物質的行為，這些物質與希格斯玻色子非常相似。

在進行模擬之前，研究人員對模型中的引力描述進行了一個微小的調整。我們現在看到的普通物質在引力下的作用應正如愛因斯坦在廣義相對論中所預測的那樣；但在更高的能量下，比如在宇宙暴脹期間，物質的行為或許會略有不同，與之產生相互作用的引力是由量子力學修正過的。

在廣義相對論中，引力的強度被表示為一個常數，物理學家稱之為是最小耦合，這意味著，無論一個特定粒子的能量為何，它都會以一個由普適常數所設定的強度對引力效應做出反應。

然而，在宇宙暴脹的高能量下，物質與引力的相互作用會以一種更為複雜的方式進行。而量子力學效應預測，當與超高能物質發生相互作用時，引力的強度在空間和時間中會發生變化，這是一種被稱為非最小耦合的現象。

研究人員將這一個非最小耦合項納入了他們的暴脹模型中，並觀察了物質和能量的分佈是如何隨著量子效應的漲落變化的。

最後他們發現，量子修正過的引力效應對物質的影響越強，宇宙就會越快地從暴脹中寒冷、均勻的物質過渡到更熱、更多樣的大爆炸過程中特有的物質。

“再熱是一個瘋狂的過程，一切都不受控制。我們發現，當時物質之間的相互作用非常強烈，以至於它可以相應地快速放鬆下來，為大爆炸創造了合適的條件。我們以前並不知道會是這個樣子，但這些都是我們用已知的物理學從模擬中得出的結論。這正是讓我們興奮的地方。”

對於新的發現，其他物理學家認為，關於造成了暴脹階段的提議有數百種，但從暴脹階段到所謂的‘熱大爆炸’之間的過渡卻是人們最不了解的部分，而這篇論文則通過包含多個獨立的場和複雜的動力學在模型中精確地模擬後暴脹階段，開闢了新的領域。這是極具挑戰性的數值模擬，併為研究早期的宇宙非線性動力學提供了最新的技術。

http://news.mit.edu/2019/putting-bang-in-big-bang-1025