宇宙的起源是什麼？你可能會回答，是大爆炸。

那麼，大爆炸的起源又是什麼呢？或者說，這個爆炸，是怎麼“點燃”的呢？這是一個困擾了科學家們幾十年的問題。天文學家可以模擬出宇宙從大爆炸開始之後所經歷過的 138 億年的漫長曆程，但卻對大爆炸本身是怎麼啟動的——這個宇宙的時間零點，知之甚少。

10 月 31 日，Science 雜誌刊登了一篇論文，其研究成果第一次對這個問題給出了一個可能的答案。美國中佛羅里達大學機械與宇航工程系助理教授 Kareem Ahmed 的團隊，在研究超高音速發動機時，“無意”中發現了 Ia 超新星（Type Ia supernova）爆炸的關鍵機理。

他們首次在實驗室裡製造出了“小型的宇宙大爆炸”，並結合理論分析與計算模擬，給出了 Ia 超新星點火、出現爆轟的條件。中佛羅里達大學的報道稱，這正是科學家們用來理解宇宙起源的模型中，無比重要、卻又一直求而不得的關鍵所在。

圖 | 研究人員在實驗室裡完成了“宇宙小爆炸”，揭開了宇宙起源的奧祕；右一為中佛羅里達大學機械與宇航工程系助理教授 Kareem Ahmed（來源：UCF）

大爆炸的點火之謎

“宇宙大爆炸”，這個從愛因斯坦的相對論裡推出來的理論，是關於宇宙起源最可信、也是得到了最多研究和觀測支援的最精確的理論。大爆炸理論認為，距今約 138 億年前，一個密度極大、溫度極高的“太初狀態”發生了一場不知從何而起的大爆炸，誕生了我們現在已知的宇宙裡的一切。對大爆炸模型做出了許多重要貢獻的“宇宙學之父”吉姆·皮布林斯（Jim Peebles），更是在今年獲得了諾貝爾物理學獎。

然而，到底是什麼點燃了這個意義非比尋常的爆炸，卻一直不為科學家們所知。

我們雖然沒法直接觀測到宇宙大爆炸，但我們卻可以觀測到超新星爆炸。一些恆星在自己生命的最後時刻，會經歷這種劇烈的爆炸，釋放大量的能量。在地球所在的銀河系，差不多每 50 年就會發生一次超新星大爆炸。如果可以搞清楚超新星的爆炸是怎麼開始的，我們就可能理解宇宙大爆炸是如何啟動的。

舉個例子，超新星分類中的一種—— Ia 超新星，由於有著穩定的最大光度，被科學家們用來當作測量宇宙中星系距離的“標準燭光”。科學家們的一個共識是，它的爆炸本質上是白矮星的熱核反應。所謂的白矮星，是一種密度很高的恆星。大小如地球的白矮星，其品質可能重如太陽。

根據天文學家當前的 Ia 超新星爆炸模型，白矮星在生命的最後階段會開始燃燒。之後，燃燒的過程會突然加速，出現所謂的“爆轟”，把白矮星中絕大部分的品質轉變為巨大的能量，在超新星爆炸中解除恆星的束縛。

而在這個過程中十分關鍵的“爆轟”，是一種伴有大量能量釋放的反應傳輸過程。其實，人們所使用的炸藥，其本質就是一個液、固相的爆轟系統。原本只是星星之火，一旦點燃的是炸藥，呈現出來的就不只是燎原之勢，而是劇烈的爆炸了。這個轉換的過程，叫做“燃燒轉爆轟（deflagration-to-detonation transition，DDT）”，是炸藥爆炸的關鍵機理。

然而，對於白矮星的熱核反應來說，火焰為什麼會突然加速並形成爆轟，一直是一個不解之謎。因此，描述 Ia 超新星爆炸的各種模型裡，只能簡單地假設超新星爆炸必然存在一個爆轟的“點火”，至於為什麼會有這樣的一個點火，何時何地會出現這樣的點火，就完全不知道了。如此一來，這些預測超新星爆炸的模型效力自然大打折扣，想通過這些模型來理解宇宙起源，也是無從談起。

從超高音速發動機到超新星爆炸

而解開這個謎團的 Ahmed 團隊，卻純屬“歪打正著”。

Ahmed 團隊一開始研究的物件，並不是超新星爆炸，而是在美國空軍的資助下，研究一個看上去和超新星爆炸風馬牛不相及的東西：超高音速發動機。

超高音速是比超音速還要高出許多的飛行速度。通常，飛行速度達到或者超過 5 倍音速，才可以被稱之為超高音速。而現在最常用的渦輪噴氣發動機，在飛行速度大於 3.5 倍音速之後，效能就會迅速下降。因此，超高音速發動機的研製，不僅具有巨大的科學價值，更具有明顯的軍事價值，一直是各大國在航空航天領域競爭的焦點之一。

圖 | 中國在國慶 70 週年閱兵中展示的東風 17 導彈；這是世界上最早投入使用的超高音速導彈之一，是“東風快遞”家族中速度最快的“小哥”（來源：Wikipedia）

發動機的工作原理，是燃料與氧氣充分混合、點火、燃燒、爆轟，在短時間內釋放大量的能量，推動飛行器前進。作為專業背景屬於機械與航空領域的團隊，Ahmed 他們一開始想要了解的，是超音速條件下的燃燒反應機理：在什麼樣的條件下，超高音速發動機裡原本被動燃燒的火焰，可以主動吸收能量，自發維持爆轟，從而讓飛機或者航天器達到超高音速的飛行狀態。

應該說，如果可以發現超高音速發動機燃燒轉爆轟的關鍵指標，就已經可以算是一個很不錯的研究成果了。然而，隨著他們對這個現象展開進一步的探究，他們發現了一件更了不得的事情——超高音速發動機裡燃燒的原理，可能就是宇宙起源的原理。

研究人員找到了讓被動燃燒轉變為超高音速爆轟的關鍵——湍流。當高強度的湍流裹挾著化學反應的火焰，速度超過一定程度的時候，火焰就可以自發地進行加速，產生激波或者爆轟。中佛羅里達大學有著全美唯一的一臺研究超高音速化學反應的實驗裝置——激波管。在這個截面大小隻有差不多 4.5 cm× 4.5 cm 的實驗平臺裡，研究人員用高強度的湍流，把被動燃燒的火焰變成了5倍音速的爆轟。

而發動機燃燒反應的燃燒波，和超新星爆炸熱核反應的燃燒波一樣，都是由相同的物理原理所決定的。因此，理解了發生在實驗室裡的超高音速發動機的燃燒原理，就可以用來理解宇宙中白矮星熱核反應的爆轟轉化。從這個意義上說，Ahmed 團隊在實驗室裡製造出的，就是一個超新星爆炸。

因此，在化學反應火焰的研究基礎上，研究人員又對超新星熱核反應的火焰進行了計算模擬和理論分析。結果顯示，湍流驅動的爆燃轉爆轟，在密度為 107~108 克每立方厘米的情況下幾乎是不可避免的。而可能性最大的密度區間，出現在 3×107 克每立方厘米左右，這是太陽密度的差不多 2 千萬倍。 這便是發生燃燒轉爆轟的關鍵條件。

圖 | 湍流火焰發展成爆轟的過程（來源：Alexei Y. Poludnenko, Jessica Chambers, Kareem Ahmed, Vadim N.Gamezo, Brian D. Taylor, Rendering by the U.S. Department of Defense HighPerformance Computing Modernization Program Data Analysis and AssessmentCenter）

至此，科學家們就通過實驗、計算、理論的三重方法，複製出了很可能導致了宇宙誕生的過程。

接“地”氣的“天”文研究

更為難能可貴的是， Ahmed 團隊的這個研究成果，除了可能揭開了宇宙的誕生之謎，更在相比於“遠在天邊”的超新星而言要“接地氣”得多的地球上，有著非常廣闊的直接應用前景。

首先，這個理論本來的研究物件，就是超高音速發動機裡的化學反應。因此，它可以直接用於基於爆轟的超高音速推進器設計，進而有望實現在大氣層和外太空中的超高音速飛行。

其次， 燃燒轉爆轟的原理，也可以反過來用來防止爆炸的發生。研究人員稱，許多大規模的工業事故中，都很可能伴隨有燃燒轉爆轟的過程。因此，Ahmed 團隊的研究成果，可以用於提高煤礦開採、燃料儲存、核電站、涉及到易燃易爆物質的化工廠等許多領域內工業生產的安全性。

此外，這個原理還可以用來發電。就像飛機上使用的航空發動機，和發電廠裡使用的燃氣輪機，本質上是一回事一樣，超高音速發動機的研究，也可以用來設計全新的超高效發電系統。

而更進一步，這個理論描述的恆星從品質到能量的過程，除了可以是初級宇宙射線的主要來源之一，更是一個幾乎零排放的高效能源轉化過程。在我們現在所依賴的發電技術中，煤炭、石油、天然氣等化石燃料燃燒後會排放二氧化碳，而核電站反應後會留下核廢料。

但這項研究中的熱核反應，在反應過後幾乎剩不下多少東西——絕大多數的品質都轉化為能量了，這可比常規發電廠裡的化學反應，甚至是核電站裡的核裂變反應所能釋放的能量要高得多得多。因此，他們的研究成果甚至有可能可以為原理類似的可控核聚變發電系統設計提供思路。