最新研究表明，原初宇宙中重粒子的振荡可以被用来作为标准时钟，以此揭示宇宙大爆炸的起源。图片来源：王一、陈新刚

（Christine Pulliam 撰文，王一 编译）宇宙是怎样起源的？大爆炸前又发生了什么？自从发现宇宙正在膨胀以来，科学家一直在寻找这些问题的答案。可是秘密隐藏在宇宙的深处，就算用最先进的天文望远镜，发现它们也不是一件易事。尽管如此，经过不懈的努力，宇宙原初时的秘密开始逐渐展示在我们面前。最近，理论学家提出一个新的方案，希望通过天文观测来决定，在关于时空起源的不同理论中，哪一个才是正确的。

关于宇宙的起源，最流行的理论是暴胀理论。在这个理论里，原初宇宙在最早的一瞬间以指数增长的速率膨胀着。但是，理论学家也提出了一些完全不同的理论模型。在有些理论中，原初宇宙一开始是收缩的，经过反弹后才进入大爆炸阶段。决定哪一个理论正确的关键在于实验证据。

关于宇宙起源的一个非常宝贵的实验数据来源是“宇宙微波背景辐射“（CMB） —— 这些从大爆炸中遗留下来的辉光充满着整个空间。这些辉光粗看起来是均匀分布的，但是高精度的测量揭示出其中许多细微的空间变化。这些空间变化起源于原初宇宙中的量子涨落，随着宇宙的膨胀，这些量子涨落被拉扯到现在的宏观尺度。

根据鉴别不同理论的常规方案，科学家正在CMB中努力寻找原初宇宙留下的引力波痕迹。“这里我们提出一个新的方案，它可以允许我们从天体物理信号里直接揭示出原初宇宙演化的历史。不同的历史对应不同的原初宇宙理论，”研究合作者、美国哈佛－史密松天体物理中心和德克萨斯大学达拉斯分校的陈新刚（Xingang Chen）这样说道。

现有的实验和理论研究提供了许多关于原初宇宙空间变化的信息，但是对于另一个关键的因素——时间演化的信息——我们一无所知。没有一个滴答作响的时钟测量原初宇宙中时间的流逝，我们无法确认宇宙演化的历史。

“设想你取出电影里的每一帧画面并将它们随机叠在一起。如果这些画面没有任何时间标记，你就无法将它们按时间顺序排列。原初宇宙是收缩的还是膨胀的？如果你不知道这电影是应该向前还是向后播放，你无法看出其中的区别，”陈新刚解释道。

新的研究结果表明，这样的“时钟”确实存在，它可以被用来记录宇宙诞生初期时间的流逝。这些时钟以很多重粒子的方式存在着。在统一量子力学和广义相对论的“终极理论”中，这样的重粒子比比皆是。它们被称作“原初标准时钟”。

这些亚原子大小的重粒子就像钟摆一样，有规律地来回振荡着。这种振荡甚至不需要任何原始的动力，而是可以直接起源于量子涨落。这些滴答作响的时钟将时间的标记加入到前面提到的电影画面里。

“滴答摇摆的原初标准时钟会在宇宙微波背景辐射中诱发相应的振荡模式。不同的模式对应不同的原初宇宙理论，”研究合作者、香港科技大学的王一这样说道。

虽然现有的数据还没有精确到能看到这些细小的变化，正在进行的很多实验将提供相当可观的前景。哈佛－史密松天体物理中心的项目，BICEP3和凯克阵列（Keck Array），以及国际上大量其它相关的实验，将在寻找引力波痕迹的同时收集到高精度的CMB数据。如果原初标准时钟产生的振荡模式信号足够强的话，在10年内就会被发现。证据也可能从其他不同类型的实验中产生，这些实验测量宇宙在大尺度上的结构分布，这些结构大到星系，小到氢原子。

另外，因为原初标准时钟是“终极理论”的一部分，它的发现也将突破现有粒子物理模型的框架，它所能达到的能量也是地面加速器可望而不可及的。

这一研究成果的细节，将发表在《宇宙学和天体物理学学刊》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）上。（编辑：Steed）