我国学者提出“精灵反弹暴涨模型”解释宇宙起源

近日，从中国科学院高能物理研究所获悉，该所研究员夏俊卿、副研究员李虹、研究员张新民与加拿大麦吉尔大学博士蔡一夫组成的宇宙学研究团队在宇宙微波背景辐射和早期宇宙研究方面取得了新的进展，利用最新的宇宙学观测数据发现，大爆炸前宇宙或源自收缩时空，相关成果发表在物理国际权威期刊《物理评论快报》上。

2014年3月18日，哈佛-史密森天体物理中心称，南极BICEP2望远镜首次探测到来自宇宙大爆炸的原初引力波疑似信号。当代宇宙学研究表明，宇宙在极早期曾经历过短暂的剧烈膨胀过程，称之为暴涨，而原初引力波正是时空在这一时期产生的涟漪。在此理论框架下，宇宙学家相信原初引力波会在宇宙微波背景辐射中留下特殊的极化B模式信号，这很可能正是最近BICEP2望远镜探测到的。然而，这一结果与去年欧洲空间局Planck实验卫星公布的第一批观测结果存在着冲突，要么实验数据的准确性有待商榷，要么有可能揭示了宇宙早期相关新物理的冰山一角。

中科院高能所宇宙学研究团队，对最新的BICEP2的实验数据与之前的Planck卫星数据进行分析，提出利用“精灵反弹暴涨模型”来为BICEP2与Planck实验观测提供统一的诠释。

夏俊卿说，基于该模型预言的宇宙微波背景辐射温度各向异性功率谱的压低效应，使两个实验观测在原初引力波上的结果趋于一致，其解释了BICEP2和Planck实验结果不一致的原因，使用该模型，原本两个实验数据结果之间的冲突就不存在了。此外，该模型还预言了宇宙微波背景辐射极化Ｂ模式功率谱的压低效应，这可被将来的宇宙微波背景辐射实验所检验。

据了解，“精灵反弹暴涨模型”是通过假设宇宙中有一种“精灵”物质从而将上述两种理论——“暴涨”理论和“大反弹”理论结合起来的模型。在该模型中，宇宙首先由一个收缩的时空发生“反弹”，然后再进入暴涨阶段，逐渐被观测到。

夏俊卿说，从理论上讲，该模型中宇宙演化的两个阶段——“反弹”和“暴涨”互相弥补了对方的缺点，“反弹”填补了“暴涨”之前宇宙演化的空白，“暴涨”为“反弹”的后续演化提供了可观测的依据。“由于‘反弹’之后宇宙一直在膨胀，越早期产生的信号离我们越远，需要越久的时间被探测到。目前的观测水平只能观测到‘暴涨’时期，如果将来能观测到更早期的‘反弹’时期信息，便是对模型的一种肯定。”他说。

宇宙早期相关问题是当前物理学和天文学的一大热点课题。多年来，该宇宙学研究团队逐渐建立起了一套“精灵反弹宇宙学”的理论新体系，并基于有效微扰场论的方法分析研究了来自宇宙创生时的扰动信息。

2004年，由高能所研究员张新民领导的宇宙学研究团队提出宇宙中存在一种“精灵”物质，该物质能使宇宙演化速度发生较大的改变。2007年，该团队提出了“精灵反弹宇宙学”的理论体系，认为“精灵”可完美地给出宇宙“大反弹”时的图像。

夏俊卿说，该体系表明，在大爆炸之前宇宙源自于一个收缩的时空，在极端高能环境下宇宙的动力学会由于时空的量子行为而发生改变并触发了大爆炸，这一学说有效避免了宇宙创生那一刻的时空奇点。

“时空奇点是一个体积无限小、密度无限大、时空曲率无限大的点，根据广义相对论，在大爆炸发生以前，字宙的初始状态为一奇点，而在‘反弹’理论中，收缩宇宙若在到达奇点之前便发生反弹变成膨胀宇宙，便不会撞上那个可怕的奇点。此时的宇宙便好像一辆赛车，需要在撞上前方的障碍之前突然调头并沿另一条路继续前行，由于完成这一动作需要‘赛车’的速度发生巨大的改变，非驾驶技术娴熟的‘赛车手’是无法完成的，而‘精灵’正是能胜任这一任务的角色。”夏俊卿说。

该理论体系发表后，在宇宙学界引起了巨大的反响。此外，该团队又分析了该模型在宇宙的早期产生的时空涟漪，以及宇宙微波背景辐射中的可观测信号等等，并在国际权威综述期刊《物理评论》上评述了精灵宇宙学。