探索婴儿宇宙的原始引力波 在高能物理的“沙漠”中寻找“绿洲”

目前人类探索宇宙起源的主要科技手段是寻找宇宙创生时期的时空涟漪，即原始引力波。这是因为原始引力波是BIGBANG创造的余辉，它忠实地记录了古代宇宙中发生的一切，就像留声机一样。

最近，在最近的一项科学研究中，中国科学技术大学蔡一夫教授领导的国际合作团队发现，当婴儿宇宙处于高能物理的“沙漠”能量区时，存在原始引力波非线性共振的理论现象。

在一些原本被认为几乎不可能被证明的宇宙起源理论模型中，原始引力波信号可以通过这种非线性现象过程被共振放大4到6个数量级甚至更大，从而被原始引力波探测器探测到。就像在幽深的山谷里大声说话，不是看到人，而是听到他们的声音。这一最新研究成果为正在国际上积极推广的原始引力波探测实验的建设提供了重要的科学目标。同时，它也为寻找超越粒子物理标准模型的新高能物理打开了一扇窗。

研究结果发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

高能“沙漠”物理能量区

我们的宇宙就像一个成长中的孩子。夜晚能看到的明亮恒星，附着在由物质和暗物质组成的宇宙大尺度结构“骨架”上。

闭上眼睛，想象一下，如果逆着时间之箭追溯源头，宇宙中所有的物质和暗物质都曾经以微小的基本粒子的形式存在于婴儿宇宙中。因为当时宇宙的温度比现在高很多，描述这些基本粒子的物理性质已经超出了现行教科书介绍的知识范围，这意味着当时宇宙中发生和经历的一切都属于粒子物理标准模型之外的高能区新物理。同时，由于目前人类科技能力的限制，在高能物理实验中可以制备或触及的最高温度(即能量标准)远低于婴儿期的普遍能量标准。这就导致了这样一个事实，人类在试图找出这个奇怪的物理世界时变得非常被动。因此，科学家们经常把这个时期称为高能物理的“沙漠”能量区。

目前人类探索宇宙起源的主要科技手段是寻找宇宙创生时期的时空涟漪，即原始引力波。这是因为原始引力波是BIGBANG创造的余辉，它忠实地记录了古代宇宙中发生的一切，就像留声机一样。

这些时空波动的大小是由婴儿期的宇宙能量标准直接决定的，所以探测这些时空波动的关键在于当时人类能否触碰到宇宙能量标准。

引力波探测也是人类发现超越粒子物理标准模型的新物理的手段之一。引力波探测的科学目标包括相变引力波、原始黑洞诱发的引力波等。除了原来的引力波，其他科学目标都远离高能物理的“沙漠”能量区，无法探测到新的物理。或者背后的物理学存在理论上的不确定性。只有原始引力波存在的前提才能被热大爆炸的宇宙学理论所证明，这已经被许多宇宙学观测所证明。因此，对原始引力波的科学探索成为人类走出婴儿宇宙“沙漠”能量带、寻找新物理的关键线索。

“邵”原初引力波的膨胀理论

作为宇宙起源的主流理论和高能区新物理的代表理论，膨胀宇宙的学术观点认为我们宇宙的体积是d

这个观点可以从科学观察中找到线索：宇宙在婴儿期形成的原始物质和伴随的量子涨落最终演化成大尺度结构，就像本文开头提到的夜星及其背后的隐形暗物质，与人类目前所能发现的大尺度结构不谋而合；另外，原始的物质分布决定了今天的宇宙温度，原始的量子涨落也决定了今天的宇宙温度存在涟漪，这恰好为人类微波探测技术探索婴儿宇宙提供了另一条重要线索，即宇宙微波背景辐射天图。

然而，膨胀理论的另一个重要预测，最初的引力波——，在科学探索中已经很久没有被捕捉到了。然而，2017年诺贝尔物理学奖两个黑洞合并产生引力波的实验发现者，为进一步寻找原始引力波注入了强大的科研信心。因此，目前，原始引力波已经成为国内外许多宇宙学实验的焦点。一旦人类能够成功捕捉到原始引力波，将是对宇宙是否经历过极其早期的膨胀过程的一次决定性检验，能够在粒子物理标准模型之外的高能区精确测量新物理的能量标准。但是，如上所述，如果在婴儿宇宙的高能物理“沙漠”能量带中，恰好发生了膨胀，这个能量带高于人类目前所能达到的最高能量标准，即对撞机的实验能量标准，但又远低于相互作用统一的理论能量标准(一般认为是新物理封顶的最高能量标准)，那么相应的原始引力波信号的振幅就会变得很小，几乎不可能被目前的宇宙学探测技术探测到。因此，传统学术观点认为，在这个能量区寻找原始引力波及其背后的新物理将是一项“不可能完成的任务”。

新的物质场“放大”了原始引力波

在这项研究中，蔡一夫的国际团队引入了一个具有参数共振演化行为的重场。这种新引入的物质场不会干扰背景演化和当前宇宙学观测，但可以与原始引力波非线性耦合，为原始引力波的共振增益提供足够的能量来源。此外，由于膨胀背景演化的特殊动力学性质(慢滚动膨胀动力学)，引入的重场和传统的原始物质扰动几乎不相互干扰。因此，这确保了膨胀理论能够与当前的宇宙学观测保持完美一致。在上述研究论文中，作者准确地论证了即使婴儿宇宙在粒子物理标准模型之外的“沙漠”能量区经历了膨胀过程，也能产生足够多的原始引力波，理论证明是很高的。

值得一提的是，根据该研究的预分析，通过非线性共振过程产生原初引力波的新理论起源机制有望在将来的宇宙微波背景辐射偏振实验当中进行观测检验，这类实验是通过在宇宙微波背景辐射的偏振天图中进行观察分析其图像信息来提取原初引力波信号。这就为当前正在如火如荼地发展当中的原初引力波探测实验，如中国的阿里原初引力波实验等，提供了重要的科学目标。