物理学家认为，就在大爆炸将宇宙推向不断膨胀的轨道之前，早期宇宙还有另一个更具爆炸性的阶段在起作用:宇宙膨胀，持续时间不到万亿分之一秒。在此期间，物质——一种冷的、均匀的粘稠物——在大爆炸过程接管之前以指数速度膨胀，以更慢的速度膨胀，并使婴儿宇宙多样化。

最近的观测分别支持了大爆炸理论和宇宙膨胀理论。但是，这两个过程是如此截然不同，以至于科学家们很难想象一个过程是如何紧随另一个过程的。

现在，麻省理工学院、凯尼恩学院和其他地方的物理学家详细模拟了早期宇宙的一个中间阶段，这个阶段可能连接了宇宙膨胀和大爆炸。这一阶段被称为“再加热”，发生在宇宙暴胀的末期，涉及到将暴胀的冷而均匀的物质转变成大爆炸开始时的超热、复杂的汤的过程。

麻省理工学院Germeshausen科学史教授、物理学教授大卫·凯泽(David Kaiser)说:“通货膨胀后的再加热期为大爆炸创造了条件，从某种意义上说，它把‘爆炸’放在了大爆炸中。”“在这个过渡时期，一切都失控了，物质的行为绝不简单。”

凯泽和他的同事们详细模拟了在暴胀末期的混乱时期，多种形式的物质是如何相互作用的。他们的模拟表明，推动暴胀的极端能量可以在更短的时间内以同样快的速度重新分配，并以某种方式产生了大爆炸开始所需的条件。

研究小组发现，如果量子效应改变了物质在非常高的能量下对引力的反应方式，而不是爱因斯坦广义相对论预测的物质和引力应该相互作用的方式，那么这种极端的转变将会更快、更有效。

“这使我们能够讲述一个完整的故事，从暴胀到后暴胀时期，再到大爆炸以及之后，”凯撒说。“我们可以追溯一系列连续的过程，所有这些都是已知的物理学，可以说这是宇宙形成我们今天所看到的样子的一种合理方式。”

研究小组的研究结果今天在物理评论快报。凯泽的合著者是凯尼恩学院的首席作者雷切尔·阮和约翰·t·吉布林，以及荷兰莱顿大学的前麻省理工学院研究生伊万杰洛斯·斯法基纳基斯和约林德·范·德·维斯。

“与自身同步”

宇宙膨胀理论最早是由麻省理工学院的物理学教授艾伦·古斯(Alan Guth)在20世纪80年代提出的，他预测宇宙最初是一个极小的物质微粒，可能只有质子大小的1000亿分之一。这个斑点充满了超高能量的物质，能量如此之大，以至于内部的压力产生了排斥的引力——这是通货膨胀背后的驱动力。就像引信上的火花一样，这种引力以前所未有的速度向外爆炸了婴儿期的宇宙，在不到万亿分之一秒的时间里，宇宙膨胀到其原始大小的近一万亿倍(即数字1后面跟着26个零)。

凯泽和他的同事们试图弄清楚重新加热的最早阶段——宇宙膨胀结束和大爆炸之前的那个桥梁间隔——可能是什么样子的。

“再加热的最初阶段应该以共振为标志。一种形式的高能物质占主导地位，它在广阔的空间中与自己同步来回摇晃，导致新粒子的爆炸性产生，”凯撒说。“这种行为不会永远持续下去，一旦它开始将能量转移到第二种形式的物质上，它自己的摆动将在空间中变得更加起伏不平。”我们想要测量共振效应破裂需要多长时间，以及产生的粒子相互散射并达到某种热平衡需要多长时间，让人想起大爆炸的条件。”

该团队的计算机模拟呈现了一个大晶格，他们在上面绘制了多种形式的物质，并跟踪了它们的能量和分布在空间和时间上的变化，因为科学家改变了某些条件。模拟的初始条件是基于一个特定的暴胀模型——一组关于早期宇宙物质分布在宇宙暴胀期间可能表现的预测。

科学家们之所以选择这种特殊的暴胀模型，是因为它的预测与宇宙微波背景辐射的高精度测量结果非常吻合。宇宙微波背景辐射是大爆炸后38万年发出的一种残余辐射，被认为包含了暴胀时期的痕迹。

一个通用的调整

模拟跟踪了两种物质的行为，这两种物质可能在暴胀期间占主导地位，与最近在其他实验中观察到的一种粒子希格斯玻色子非常相似。

在进行模拟之前，研究小组对模型对重力的描述进行了轻微的“调整”。虽然我们今天看到的普通物质对引力的反应就像爱因斯坦在他的广义相对论中所预测的那样，但能量更高的物质，比如被认为存在于宇宙膨胀期间的物质，其行为应该略有不同，它们与引力的相互作用方式被量子力学或原子尺度上的相互作用所修正。

在爱因斯坦的广义相对论中，引力的强度被表示为一个常数，物理学家称之为最小耦合，这意味着，无论一个特定粒子的能量有多大，它都会以一个由普遍常数设定的强度来响应引力效应。

然而，在宇宙暴胀中预测的非常高的能量下，物质与重力的相互作用以一种稍微复杂的方式进行。量子力学效应预测，当与超高能量物质相互作用时，引力的强度会在空间和时间上发生变化——这种现象被称为非最小耦合。

凯泽和他的同事们在他们的暴胀模型中加入了一个非最小耦合项，并观察了物质和能量的分布如何随着量子效应的上升或下降而变化。

最后，他们发现，影响物质的量子修正引力效应越强，宇宙就越快地从膨胀中的寒冷、均匀物质转变为更热、更多样的物质形式，这是大爆炸的特征。

通过调整这种量子效应，他们可以让这个关键的转变在2到3个“e倍”的时间内发生，e倍指的是宇宙(大约)扩大三倍所需的时间。在这种情况下，他们成功地模拟了宇宙膨胀两到三倍所需时间内的再加热阶段。相比之下，通货膨胀本身发生了大约60倍。

“重新加热是一个疯狂的时期，一切都变得混乱，”凯撒说。“我们证明，当时物质的相互作用是如此强烈，以至于它也可以相应地迅速放松，为大爆炸奠定了完美的基础。我们不知道情况会是这样，但这就是从这些模拟中得出的结果，所有这些模拟都是基于已知的物理原理。这就是让我们兴奋的地方。”

这项研究得到了美国能源部和国家科学基金会的部分支持。