繼承霍金大爆炸理論：英美女科學(xué)家試圖模擬宇宙

據(jù)外媒最新報道，英國諾丁漢大學(xué)的女科學(xué)家希爾珂·魏因富特納和她的科研團隊，正試圖從無到有模擬宇宙的創(chuàng)造過程。

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，對爆炸發(fā)生的具體機制也難下定論。該理論的基礎(chǔ)是，宇宙起源時存在一個假象中的量子場，以極快的速度將宇宙朝各個方向延伸，即我們所說的宇宙膨脹。但我們無法直接證實這一量子場是否存在過。正因為如此，魏因富特納打算在實驗室中模擬這一過程。

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”。量子波動隨著宇宙膨脹得到拉伸，最終形成了物質(zhì)、輻射或光?？茖W(xué)家認為，這些波動最終擴大到了宇宙級尺度，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，因此會分層、而不會相融）。

接下來，該研究團隊將進行人工引力干預(yù)。“磁場的強度會隨位置變化。”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的不同區(qū)域，有效引力便可隨之增強或減弱，甚至方向變得完全相反。”

該團隊希望通過改變引力、讓液體產(chǎn)生漣漪，但與池塘中的漣漪不同，這種漣漪會出現(xiàn)在兩種液體之間。“通過仔細調(diào)整漣漪的速度，我們便可建立一個膨脹宇宙的模型，”另一名團隊成員阿納斯塔西奧斯·阿弗古斯提蒂斯（Anastasios Avgoustidis）表示。在宇宙膨脹過程中，宇宙體積迅速擴張，物質(zhì)漣漪以常速向外傳播。而在此次實驗中，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。

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

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

去年六月，魏因富特納借助一個中間有出水口的大水槽，模擬了另一種難以觀測的現(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）最先提出了在實驗室中模擬引力的概念。畢竟正如恩拉所說：“我們無法讓時間倒流、回到宇宙剛剛形成的時候，就算我們能做到，也沒人能活那么久。”

自恩拉的首次實驗以來，模擬引力實驗變得日益復(fù)雜。恩拉當(dāng)時用液體模擬引力，認為這種“聲學(xué)黑洞”事件邊界對聲音的影響就相當(dāng)于真正的黑洞對光線的影響。換句話說，我們在實驗室中的測量與表達結(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這種方法進行研究。霍金輻射是指，黑洞會不斷向外輻射熱量，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，由法國國家科學(xué)研究中心的克里斯托弗·韋斯特布魯克（Christoph Westbrook）帶領(lǐng)的研究團隊通過“扭動”環(huán)狀玻色·愛因斯坦凝聚態(tài)物質(zhì)，分析了量子粒子的形成過程。在宇宙膨脹過程中，宇宙溫度先是急劇下降，膨脹終止后再開始所謂的“重加熱”過程，溫度重新升高，隨即進入正常的大爆炸擴張期。

去年十月，由美國國家標(biāo)準技術(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·愛因斯坦凝聚態(tài)觀察了聲波的拉伸，這類似于宇宙膨脹時的光線紅移現(xiàn)象。該團隊由物理學(xué)家史蒂芬·?？藸枺⊿tephen 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·愛因斯坦凝聚態(tài)物質(zhì)。雖然恩拉認為，這將意味著系統(tǒng)溫度過高、無法直接觀察到量子波動現(xiàn)象。但該研究作者們指出，他們可以通過系統(tǒng)中的熱噪聲觀察波動，因為熱噪聲便是量子噪聲的類似物。

研究作者們表示，他們的方法能夠模擬長期擴張，用專業(yè)用語表達，便是能達到“多個e-折時間”（一種用于衡量膨脹時間長短的參數(shù)）。研究人員認為，僅僅毫秒之間，宇宙便擴張到了原先的1026倍，或者說超過60個e折。這項新實驗若能成功，模擬膨脹的時間將遠超此前實驗，“足以得出確鑿無疑的結(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)安排一些額外的時間，讓系統(tǒng)忘掉原始狀態(tài)，并充分適應(yīng)膨脹波動期的狀態(tài)。”

“他們也許能發(fā)現(xiàn)新的物理理論，對今后的宇宙模型有所啟發(fā)。”埃克爾指出，“或者反過來檢驗未來宇宙模型的正確性。”