（Christine Pulliam 撰文，王一 編譯）宇宙是怎樣起源的？大爆炸前又發(fā)生了什么？自從發(fā)現宇宙正在膨脹以來(lái)，科學(xué)家一直在尋找這些問(wèn)題的答案?？墒敲孛茈[藏在宇宙的深處，就算用最先進(jìn)的天文望遠鏡，發(fā)現它們也不是一件易事。盡管如此，經(jīng)過(guò)不懈的努力，宇宙原初時(shí)的秘密開(kāi)始逐漸展示在我們面前。最近，理論學(xué)家提出一個(gè)新的方案，希望通過(guò)天文觀(guān)測來(lái)決定，在關(guān)于時(shí)空起源的不同理論中，哪一個(gè)才是正確的。
關(guān)于宇宙的起源，最流行的理論是暴脹理論。在這個(gè)理論里，原初宇宙在最早的一瞬間以指數增長(cháng)的速率膨脹著(zhù)。但是，理論學(xué)家也提出了一些完全不同的理論模型。在有些理論中，原初宇宙一開(kāi)始是收縮的，經(jīng)過(guò)反彈后才進(jìn)入大爆炸階段。決定哪一個(gè)理論正確的關(guān)鍵在于實(shí)驗證據。
關(guān)于宇宙起源的一個(gè)非常寶貴的實(shí)驗數據來(lái)源是“宇宙微波背景輻射“（CMB） —— 這些從大爆炸中遺留下來(lái)的輝光充滿(mǎn)著(zhù)整個(gè)空間。這些輝光粗看起來(lái)是均勻分布的，但是高精度的測量揭示出其中許多細微的空間變化。這些空間變化起源于原初宇宙中的量子漲落，隨著(zhù)宇宙的膨脹，這些量子漲落被拉扯到現在的宏觀(guān)尺度。
根據鑒別不同理論的常規方案，科學(xué)家正在CMB中努力尋找原初宇宙留下的引力波痕跡?！斑@里我們提出一個(gè)新的方案，它可以允許我們從天體物理信號里直接揭示出原初宇宙演化的歷史。不同的歷史對應不同的原初宇宙理論，”研究合作者、美國哈佛－史密松天體物理中心和德克薩斯大學(xué)達拉斯分校的陳新剛（Xingang Chen）這樣說(shuō)道。
現有的實(shí)驗和理論研究提供了許多關(guān)于原初宇宙空間變化的信息，但是對于另一個(gè)關(guān)鍵的因素——時(shí)間演化的信息——我們一無(wú)所知。沒(méi)有一個(gè)滴答作響的時(shí)鐘測量原初宇宙中時(shí)間的流逝，我們無(wú)法確認宇宙演化的歷史。
“設想你取出電影里的每一幀畫(huà)面并將它們隨機疊在一起。如果這些畫(huà)面沒(méi)有任何時(shí)間標記，你就無(wú)法將它們按時(shí)間順序排列。原初宇宙是收縮的還是膨脹的？如果你不知道這電影是應該向前還是向后播放，你無(wú)法看出其中的區別，”陳新剛解釋道。
新的研究結果表明，這樣的“時(shí)鐘”確實(shí)存在，它可以被用來(lái)記錄宇宙誕生初期時(shí)間的流逝。這些時(shí)鐘以很多重粒子的方式存在著(zhù)。在統一量子力學(xué)和廣義相對論的“終極理論”中，這樣的重粒子比比皆是。它們被稱(chēng)作“原初標準時(shí)鐘”。
這些亞原子大小的重粒子就像鐘擺一樣，有規律地來(lái)回振蕩著(zhù)。這種振蕩甚至不需要任何原始的動(dòng)力，而是可以直接起源于量子漲落。這些滴答作響的時(shí)鐘將時(shí)間的標記加入到前面提到的電影畫(huà)面里。
“滴答搖擺的原初標準時(shí)鐘會(huì )在宇宙微波背景輻射中誘發(fā)相應的振蕩模式。不同的模式對應不同的原初宇宙理論，”研究合作者、香港科技大學(xué)的王一這樣說(shuō)道。
雖然現有的數據還沒(méi)有精確到能看到這些細小的變化，正在進(jìn)行的很多實(shí)驗將提供相當可觀(guān)的前景。哈佛－史密松天體物理中心的項目，BICEP3和凱克陣列（Keck Array），以及國際上大量其它相關(guān)的實(shí)驗，將在尋找引力波痕跡的同時(shí)收集到高精度的CMB數據。如果原初標準時(shí)鐘產(chǎn)生的振蕩模式信號足夠強的話(huà)，在10年內就會(huì )被發(fā)現。證據也可能從其他不同類(lèi)型的實(shí)驗中產(chǎn)生，這些實(shí)驗測量宇宙在大尺度上的結構分布，這些結構大到星系，小到氫原子。
另外，因為原初標準時(shí)鐘是“終極理論”的一部分，它的發(fā)現也將突破現有粒子物理模型的框架，它所能達到的能量也是地面加速器可望而不可及的。
這一研究成果的細節，將發(fā)表在《宇宙學(xué)和天體物理學(xué)學(xué)刊》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）上。（編輯：Steed）
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