研究宇宙结构起源的一项新测试

许多宇宙学家认为,宇宙的结构是早期膨胀过程中发生的量子涨落的结果。然而,到目前为止,证实这一假设已被证明极具挑战性,因为在分析现有宇宙学数据时很难区分量子和经典原始波动。

加利福尼亚大学和德国Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY的两名研究人员最近基于原始非高斯性的概念设计了一种测试,可以帮助确定宇宙结构的起源。他们在《物理评论快报》上发表的论文中指出,检测原始的非高斯性可以帮助确定宇宙的模式是起源于量子涨落还是经典涨落。

“在所有科学领域中,最美丽的想法之一是,我们在宇宙中观察到的结构是由早期宇宙中的量子波动引起的,然后由快速加速的膨胀而扩展,”研究人员之一拉斐尔·波尔图(Rafael Porto)这项研究告诉Phys.org。“这种“通货膨胀”范式做出了许多已被数据证实的预测,但是原始种子的量子性质极其难以直接证明。”

证明宇宙结构的量子起源之所以如此困难的主要原因是,通货膨胀也可能会拉伸经典的扰动,从而产生非常相似的星系分布。波尔图和他的同事丹尼尔·格林(Daniel Green)在他们的论文中提出了这样一个想法,即尽管量子和经典波动会导致相似的星系分布,但某些特定的模式在量子起源的结构上会有所不同。因此,观察这些模式可以使研究人员测试宇宙结构的起源。

波尔图解释说:“我们用来研究天空中星系模式的许多形式主义类似于粒子物理学家研究对撞机散射过程的方式。” “在宇宙学中,我们谈论'相关性',而在粒子物理学中,我们谈论'振幅',但是两者之间有很多共同点。使用一些基本的物理原理和对称性,我们证明了经典机理会产生大量的粒子,因此在星系模式中有非常特殊的特征,例如对撞机数据中的“凸点”。”

波尔图和格林证明,类似于对撞机数据中“凸点”的存在的宇宙学特征可能表明宇宙的结构起源于经典的涨落。另一方面,没有这些“碰撞”将表明零点量子涨落是形成宇宙结构的关键因素。

波尔图补充说:“人们以前曾试图为结构的量子起源寻找一个特征,并发现该效应被抑制了115个数量级,即0 ...... 115倍……1的效应。” “我们已经表明,尽管由于结构形成过程中来自其他来源的污染而很难观察到这一点,但是,如果根本没有原始信号,那么经典扰动的影响就是1阶。这意味着我们已经取得了进步比以前的建议增加了115个数量级。”

近几十年来,研究宇宙结构起源的宇宙学家主要是在宇宙微波背景(CMB)中寻找所谓的``B模式''极化,因为这种极化可能是膨胀期间原始量子引力效应的产物。波尔图和格林没有寻找“ B模式”极化作为量子引力效应的指标,而是扭转了问题,发现另一种模式,即被称为“相关函数的折叠结构”,承载着经典波动的种子。

格林告诉Phys.org:“在实验室中人们使用贝尔的不等式测试量子力学的历史悠久。” “基本思想是,如果您拥有量子系统,则可以执行某些类型的测量,这些测量将揭示状态的真正量子力学性质。宇宙学面临的挑战是:(1)我们观察到的宇宙基本上是经典的和(2)我们无法执行“实验”,因为我们无法操纵宇宙的状态。我们工作的新颖之处在于我们证明了您仍然可以说它来自于量子力学状态。尽管有这些巨大的障碍,但遥远的过去。”

波尔图和格林最近的研究引入了一种新方法来检验宇宙结构具有量子性质的假设。本质上,研究人员得出的理论是,如果不能以所谓的非高斯相关函数的折叠结构观察到“碰撞”,那么宇宙的结构将起源于量子零涨落,就像经典物理学中那样,真空是空的。

他们论文中引入的石蕊测试与先前提出的量子力学测试有很大不同,因此规避了与这些测试相关的许多问题。在未来的工作中,Porto和Green计划调查他们的测试是否也可以应用于基于量子系统的实验室实验。

“ Dan和我现在也在思考量子信息思想如何进一步查明原始种子的性质,并且从更实际的意义上讲,还可以帮助我们提供一种更快的算法来模拟宇宙的演化,也许就像量子计算机将在一天之内完成一样”,波尔图说。

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