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圖片來源：Nathan Musoke

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撰文：Mark P.Hertzberg

翻譯：王麟濤

審校：戴晨

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現(xiàn)代宇宙學(xué)的一個(gè)基本任務(wù)是，理解宇宙結(jié)構(gòu)從最初到現(xiàn)在的形成過程。其中一個(gè)主流的觀點(diǎn)是宇宙膨脹，它能合適地解釋我們觀測到的許多宇宙特征，如從宇宙的平坦性到各向同性。膨脹產(chǎn)生了一個(gè)極其均勻的宇宙，但量子漲落會(huì)使不同的地方出現(xiàn)密度差異。這些密度差異正是當(dāng)今宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成的開端。

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然而，我們很難解釋宇宙初始漲落是如何以數(shù)量級的幅度增長，并導(dǎo)致如今的密度差異。新西蘭奧克蘭大學(xué)的Nathan Musoke等人，利用高精度的數(shù)值計(jì)算來預(yù)測初始較小的量子漲落如何演化。通過只關(guān)注一個(gè)時(shí)間非常早、空間非常小的特定區(qū)域，他們能夠通過自洽計(jì)算追蹤這些量子漲落的演變。他們預(yù)測發(fā)展后的復(fù)雜結(jié)構(gòu)比初始的密度要大了幾個(gè)數(shù)量級。研究結(jié)果揭示了宇宙在膨脹后的第一階段形成的結(jié)構(gòu)。這或可以幫助研究人員確定新觀測信號中那些來自宇宙膨脹最早期的信號。這項(xiàng)研究被發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上。

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宇宙膨脹的基本假設(shè)是早期宇宙中充滿了處于簡并量子態(tài)的玻色子。這些被稱為暴脹子的無自旋粒子形成了一個(gè)原始的量子場，攜帶有巨大的勢能，驅(qū)動(dòng)宇宙呈指數(shù)級膨脹。研究人員已經(jīng)證明，如果他們在愛因斯坦場方程中加入暴漲場，他們可以預(yù)測一個(gè)快速指數(shù)膨脹的階段，在這個(gè)階段，宇宙的大小會(huì)增長30多個(gè)數(shù)量級。

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這種膨脹的擴(kuò)展將導(dǎo)致暴漲子均勻地充滿宇宙。對于最簡單的宇宙膨脹模型來說，描述指數(shù)膨脹階段的暴漲子分布的演變是相當(dāng)簡單的。由初始量子漲落引起的不均勻性是很小的，局域密度的偏差約為十萬分之一。在這種情況下，相應(yīng)的愛因斯坦方程可以簡化到只考慮線性擾動(dòng)項(xiàng)。

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然而，要理解宇宙膨脹過后會(huì)發(fā)生什么，難度要大得多。在宇宙后膨脹時(shí)代（由于沒有任何光子，也被稱為原始黑暗時(shí)代），雖然宇宙的能量密度主要由暴漲子控制，但各種非線性效應(yīng)很快變得重要并放大了不均勻性。暴漲子之間可以產(chǎn)生相互作用，這會(huì)導(dǎo)致它們聚集起來，在空間中聚合形成明顯的塊狀。暴漲子也可以衰變并耦合到標(biāo)準(zhǔn)模型粒子。

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為了深入了解這一時(shí)期，Musoke等人遵循先前探索的方法，只關(guān)注一個(gè)非線性因素：暴漲子之間的相互作用。近年來，人們對這一時(shí)期進(jìn)行了數(shù)值研究，但目前的工作將更進(jìn)一步，通過改進(jìn)了數(shù)值程序，以盡可能準(zhǔn)確地跟蹤宇宙從線性到非線性的演化過程。

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Musoke 等人用高精度數(shù)值求解與重力耦合的相應(yīng)的場方程，以研究暴漲子分布的演化。在這個(gè)階段中，暴漲子分裂成一個(gè)高度不均勻的結(jié)構(gòu)，隨著粒子的波長延長和動(dòng)量減小，系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)非相對論狀態(tài)。研究人員稱之為物質(zhì)主導(dǎo)階段，通過從傳統(tǒng)物質(zhì)中觀察到的現(xiàn)象反映這一過程的演化。然而，由于系統(tǒng)仍然是高度簡并的，它不能用經(jīng)典粒子物理學(xué)來描述，而是用經(jīng)典場論來描述。為了描述這些情況，Musoke等人使用了可以數(shù)值求解的薛定諤-泊松方程組。他們依靠被稱為PyUltraLight的數(shù)值代碼，對薛定諤-泊松方程進(jìn)行更精確的數(shù)值處理。

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在物質(zhì)主導(dǎo)階段，密度隨時(shí)間增長而波動(dòng)。這是因?yàn)橐哂形?，所以高密度的區(qū)域會(huì)吸引周圍的事物，進(jìn)而變得更加稠密。從非常小的初始波動(dòng)開始，Musoke 等人觀察到波動(dòng)被放大了幾個(gè)數(shù)量級，在一些空間尺度上達(dá)到或超過統(tǒng)一性。這個(gè)區(qū)域正是線性近似（linear approximations）失效的地方。由于高精度三維數(shù)值計(jì)算，該小組可以處理這一區(qū)域，并獲得形成的暴漲子分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

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這一研究工作只專注于暴漲子及其自身的相互作用，因此適合于描述一個(gè)由這些粒子支配的非常早期的宇宙。下一步的研究將包括暴漲子與標(biāo)準(zhǔn)模型粒子和其他粒子（包括暗物質(zhì)）的相互作用，這些物質(zhì)可由暴漲子最終衰變產(chǎn)生。當(dāng)考慮這種相互作用時(shí)，研究人員能夠?qū)⑴蛎浥c由重子物質(zhì)和暗物質(zhì)組成的后宇宙時(shí)代聯(lián)系起來。接下來，研究人員需要擴(kuò)大計(jì)算的時(shí)間范圍，以描述我們現(xiàn)在看到的大尺度宇宙結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。盡管這些后期形成的區(qū)域與原始黑暗時(shí)代有很大的不同，但這一研究中使用的一些計(jì)算技術(shù)可能有助于這項(xiàng)任務(wù)的研究。

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最后，重要的是要確定是否有任何可觀察的特征，可以讓研究人員探索這一早期的后膨脹階段。Musoke等人認(rèn)為這些特征是存在的。他們認(rèn)為早期漲落的增長可能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的引力場，從而產(chǎn)生可探測的引力波。這些波會(huì)以類似于宇宙微波背景的隨機(jī)背景出現(xiàn)。根據(jù)膨脹的能量強(qiáng)度，這些引力波的頻率可能在現(xiàn)有探測器（如LIGO和Virgo）或未來的天基探測器（如計(jì)劃于2034年發(fā)射的激光干涉儀空間天線（LISA））可探測的頻率范圍內(nèi)。

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原文鏈接：https://physics.aps.org/articles/v13/16

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