繼承霍金大爆炸理論：英美女科學(xué)家試圖模擬宇宙

據(jù)外媒最新報(bào)道，英國(guó)諾丁漢大學(xué)的女科學(xué)家希爾珂·魏因富特納和她的科研團(tuán)隊(duì)，正試圖從無(wú)到有模擬宇宙的創(chuàng)造過(guò)程。

目前為止，宇宙大爆炸是最為廣泛接受的宇宙起源理論，但即使是該理論的支持者，對(duì)爆炸發(fā)生的具體機(jī)制也難下定論。該理論的基礎(chǔ)是，宇宙起源時(shí)存在一個(gè)假象中的量子場(chǎng)，以極快的速度將宇宙朝各個(gè)方向延伸，即我們所說(shuō)的宇宙膨脹。但我們無(wú)法直接證實(shí)這一量子場(chǎng)是否存在過(guò)。正因?yàn)槿绱?，魏因富特納打算在實(shí)驗(yàn)室中模擬這一過(guò)程。

如果大爆炸理論是正確的，那么早期宇宙便產(chǎn)自微弱的“漣漪”，即所謂的“量子波動(dòng)”。量子波動(dòng)隨著宇宙膨脹得到拉伸，最終形成了物質(zhì)、輻射或光。科學(xué)家認(rèn)為，這些波動(dòng)最終擴(kuò)大到了宇宙級(jí)尺度，播下了星系、恒星和行星的種子。魏因富特納利用超大超導(dǎo)磁線圈想要模擬的正是這種微弱的漣漪。她在磁線圈內(nèi)部放置了一個(gè)直徑6厘米的圓形容器，并注入水和丁醇（這兩種液體密度不同，因此會(huì)分層、而不會(huì)相融）。

接下來(lái)，該研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)行人工引力干預(yù)。“磁場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)隨位置變化。”該研究的共同作者之一、理查德·希爾（Richard Hill）指出，“我們將液體移至磁場(chǎng)的不同區(qū)域，有效引力便可隨之增強(qiáng)或減弱，甚至方向變得完全相反。”

該團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)改變引力、讓液體產(chǎn)生漣漪，但與池塘中的漣漪不同，這種漣漪會(huì)出現(xiàn)在兩種液體之間。“通過(guò)仔細(xì)調(diào)整漣漪的速度，我們便可建立一個(gè)膨脹宇宙的模型，”另一名團(tuán)隊(duì)成員阿納斯塔西奧斯·阿弗古斯提蒂斯（Anastasios Avgoustidis）表示。在宇宙膨脹過(guò)程中，宇宙體積迅速擴(kuò)張，物質(zhì)漣漪以常速向外傳播。而在此次實(shí)驗(yàn)中，液體體積不變，漣漪的傳播速度迅速衰減。“兩種情況下，描述漣漪傳播速度的等式一模一樣。” 阿弗古斯提蒂斯指出。

這一點(diǎn)很重要：如果這種波動(dòng)似乎能激發(fā)與宇宙中類似的結(jié)構(gòu)，我們也許便能對(duì)宇宙膨脹的機(jī)制多一分了解。

這并非科學(xué)家首次嘗試模擬小規(guī)模的宇宙現(xiàn)象。各國(guó)天體物理學(xué)家紛紛投身實(shí)驗(yàn)室中，研究越來(lái)越復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置，讓聲波模擬光波在強(qiáng)引力場(chǎng)中的傳播情況，或用磁鐵引發(fā)液體和氣體波動(dòng)等。

去年六月，魏因富特納借助一個(gè)中間有出水口的大水槽，模擬了另一種難以觀測(cè)的現(xiàn)象，即黑洞的超輻射。而在1981年，現(xiàn)任職于加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家威廉·恩拉（William Unruh）最先提出了在實(shí)驗(yàn)室中模擬引力的概念。畢竟正如恩拉所說(shuō)：“我們無(wú)法讓時(shí)間倒流、回到宇宙剛剛形成的時(shí)候，就算我們能做到，也沒(méi)人能活那么久。”

自恩拉的首次實(shí)驗(yàn)以來(lái)，模擬引力實(shí)驗(yàn)變得日益復(fù)雜。恩拉當(dāng)時(shí)用液體模擬引力，認(rèn)為這種“聲學(xué)黑洞”事件邊界對(duì)聲音的影響就相當(dāng)于真正的黑洞對(duì)光線的影響。換句話說(shuō)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中的測(cè)量與表達(dá)結(jié)果可以用于探索真正的黑洞特性。就連著名的霍金輻射也可通過(guò)這種方法進(jìn)行研究?；艚疠椛涫侵福诙磿?huì)不斷向外輻射熱量，最終徹底蒸發(fā)。幾年前，以色列理工學(xué)院的杰夫·施泰因豪爾（Jeff Steinhauer）發(fā)現(xiàn)了霍金輻射的聲學(xué)類似物。

科學(xué)家還利用模擬手段研究了宇宙膨脹的其它方面。幾年前，由法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的克里斯托弗·韋斯特布魯克（Christoph Westbrook）帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)“扭動(dòng)”環(huán)狀玻色·愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)物質(zhì)，分析了量子粒子的形成過(guò)程。在宇宙膨脹過(guò)程中，宇宙溫度先是急劇下降，膨脹終止后再開(kāi)始所謂的“重加熱”過(guò)程，溫度重新升高，隨即進(jìn)入正常的大爆炸擴(kuò)張期。

去年十月，由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所和馬里蘭大學(xué)共同成立的聯(lián)合量子研究所同樣利用玻色·愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)觀察了聲波的拉伸，這類似于宇宙膨脹時(shí)的光線紅移現(xiàn)象。該團(tuán)隊(duì)由物理學(xué)家史蒂芬·埃克爾（Stephen Eckel）帶領(lǐng)。除聲波拉伸現(xiàn)象外，他們還觀察到了類似“重加熱”過(guò)程的效應(yīng)。

魏因富特納表示，她的“全新”裝置不需要借助玻色·愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)物質(zhì)。雖然恩拉認(rèn)為，這將意味著系統(tǒng)溫度過(guò)高、無(wú)法直接觀察到量子波動(dòng)現(xiàn)象。但該研究作者們指出，他們可以通過(guò)系統(tǒng)中的熱噪聲觀察波動(dòng)，因?yàn)闊嵩肼暠闶橇孔釉肼暤念愃莆铩?/p>

研究作者們表示，他們的方法能夠模擬長(zhǎng)期擴(kuò)張，用專業(yè)用語(yǔ)表達(dá)，便是能達(dá)到“多個(gè)e-折時(shí)間”（一種用于衡量膨脹時(shí)間長(zhǎng)短的參數(shù)）。研究人員認(rèn)為，僅僅毫秒之間，宇宙便擴(kuò)張到了原先的1026倍，或者說(shuō)超過(guò)60個(gè)e折。這項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)若能成功，模擬膨脹的時(shí)間將遠(yuǎn)超此前實(shí)驗(yàn)，“足以得出確鑿無(wú)疑的結(jié)論”。紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的伊安·莫斯（Ian Moss）表示，“你需要給系統(tǒng)安排一些額外的時(shí)間，讓系統(tǒng)忘掉原始狀態(tài)，并充分適應(yīng)膨脹波動(dòng)期的狀態(tài)。”

“他們也許能發(fā)現(xiàn)新的物理理論，對(duì)今后的宇宙模型有所啟發(fā)。”?？藸栔赋?，“或者反過(guò)來(lái)檢驗(yàn)未來(lái)宇宙模型的正確性。”