4月20日消息，物理學家正在努力弄清宇宙剛剛誕生數秒時是什麼模樣。然而，這個問題可謂極其復雜。盡管我們已經取得了很大進展，但仍有許多不明之處。從迷你黑洞到各種奇異的相互作用，嬰兒時期的宇宙可是個極盡繁忙之處。
已知信息
讓我們先來了解一下基本情況：137.7億年前，我們的宇宙溫度極高（超過1024度），且體積極小（只有一個桃子那麼大）。天文學家猜測，當宇宙形成尚不足一秒時，它經歷了一段速度極快的擴張期，名叫「宇宙暴脹」。
圖為藝術家繪制的宇宙大爆炸概念圖，圖中粒子正從一個明亮的核心高速射出
宇宙暴脹也許是宇宙歷史上轉變最為激烈的一次事件。僅僅瞬息之間，宇宙的體積就發生了急劇膨脹（增長了至少1052倍）。這段快速擴張期平息後，一開始導致宇宙暴脹的事物（我們還不清楚為何物）發生了衰變，使宇宙中充滿了物質和輻射（我們也不清楚是以何種方式做到的）。
幾分鍾後，宇宙中的第一批元素誕生了。在此之前，宇宙太過熾熱和稠密，無法形成任何穩定物質，僅僅是一大堆夸克（原子核的基本構件）和膠子（強核力的載體）的混合物。但宇宙形成十幾分鍾後，體積已經擴張到了足夠大，溫度也冷卻到了足夠低，夸克才得以結合在一起，形成了第一批質子和中子。這些質子和中子進而構成了第一批氫和氦（以及少量的鋰）。又過了數億年，這些元素才進一步構成了第一批恆星和星系。
從這些元素的形成可以了解到，宇宙先是經歷了擴張和冷卻，最終形成了等離子體，隨後又轉化成了中性氣體。
雖然我們知道這個故事梗概是正確的，但也很清楚其中缺少了許多細節，尤其是第一批元素形成之前的那段時間。在宇宙剛剛形成的幾秒鍾里，也許有一些神奇的物理學在發揮作用。雖然我們目前還不了解這些理論，但並不會因此停止嘗試的腳步。
未知信息
近日，在一篇發表在預印網站arXiv上、後被The Open Journal of Astrophysics期刊接收的論文中，研究人員針對宇宙誕生之初的場景提出了一些設想。
以暗物質為例。我們雖不知道暗物質由何物構成，但知道它占宇宙物質總質量的80%以上。對於普通物質在宇宙中的起源過程，我們已經有了一套站得住腳的說法；但對於暗物質是何時、以及如何出現的，我們卻毫無頭緒。它們是在宇宙誕生的最初幾秒鍾里出現的嗎？它們干涉了第一批元素的形成過程嗎？我們都不得而知。
圖為以宇宙大爆炸和宇宙暴脹理論為基礎的宇宙時間線
然後還有宇宙暴脹的問題。我們不知道是何物為其提供了能量來源，也不清楚這起事件為何剛好持續了這麼長時間，更不明白是什麼最終讓它停了下來。也許宇宙暴脹的時間比我們之前假定的要久，可能持續了整整一秒鍾、而不是我們之前以為的「瞬息之間」。
此外還有梗在每位宇宙學家心頭的一根刺——物質-反物質不平衡。我們從實驗中觀察到，物質與反物質之間有著完美的平衡關系，宇宙中通過反應形成的每一個物質粒子，都擁有一個對應的反物質粒子。但縱觀宇宙，我們只能看到一堆又一堆的物質，卻看不到一丁點兒反物質。因此在宇宙剛剛誕生的幾秒鍾里，一定發生了一件大事，打破了這種平衡。但至於背後推手是誰、確切機制如何，我們還無法確定。
不僅如此，早期宇宙中也許還形成了大量小型黑洞。現代宇宙（即過去130億年以來的宇宙）中的黑洞全部由大型恆星死亡時形成，只有這種情境下的物質密度才能達到促成黑洞形成的關鍵閾值。但在早期宇宙中，某些位置點或許也達到了足夠的密度，從而跳過了整個恆星形成過程、直接激發了黑洞的誕生。不過，這些都還只是假設而已。
更進一步
雖然我們的宇宙大爆炸理論得到了大量觀測數據的支持，但宇宙仍有許多未解之謎，滿足著一代又一代宇宙學家的好奇心。幸好，我們在試圖了解宇宙之初的這起重大事件時，還不至於一無所知。
例如，就算我們無法直接觀察到剛形成幾秒鍾時的宇宙狀態，但我們可以在強大的粒子對撞機中重現這些情景。雖不完美，但至少可以讓我們對這類環境中的物理機制有一定了解。
我們還可以尋找宇宙最初幾秒鍾留存下來的線索。當時發生的事件一定會在後續宇宙中留下印記。假如當時暗物質的量有所不同、或是宇宙暴脹的時間有所延長，都會對氫和氦的形成產生重大影響，而這兩種元素是我們如今可以進行測量的。
此外，宇宙在誕生38萬年時經歷了從等離子體到中性氣體的轉變。當時釋放的光線以宇宙微波背景的形式留存了下來。假如宇宙早期真的形成了許多小型黑洞，也會對這些光線造成影響。
我們甚至有望直接觀察到宇宙暴脹這一史詩級事件。只不過藉助的不是光線，而是引力波。宇宙暴脹時必定產生了劇烈的時空漣漪，而這些漣漪就像宇宙微波背景一樣，也可以留存至今。我們目前的技術暫時無法對這些引力波進行直接觀測，但每過一日，我們都離這一目標更近了一步。
等到目標實現的那一天，我們將真的有幸一窺初生的宇宙。（葉子）
來源：cnBeta
