研究宇宙结构起源的一项新测试

量子认知

发布时间：08-0323:53百家榜创作者，学者 代表作: 戒瘾论，优质创作者

许多宇宙学家认为，宇宙的结构是早期膨胀即大暴涨过程中发生的量子涨落的结果。迄今为止，证实这一假设极具挑战性，因为在分析现有的宇宙学数据时很难区分是量子和经典原始涨落。

在量子力学中，量子涨落，英语：quantum fluctuation，指在空间任意位置对于能量的暂时变化。从海森堡不确定性原理可以推导出这结论。根据这原理的一种表述，能量的不确定性ΔE与能量改变所需的时间Δt两者之间的关系式为ΔEΔt≈/2，其中是约化普朗克常数。

量子涨落（quantum fluctuation）

这意味着能量守恒定律好像被违反了，但是仅持续很短的时间。因此，在空间生成了由粒子和反粒子组成的虚粒子对。粒子对借取能量而生成，又在短时间内湮灭归还能量。这些产生的虚粒子的物理效应是可以被测量的。

量子涨落对于宇宙大尺度结构的起源非常重要，可以解释宇宙为什么会出现超星系团、纤维状结构这一类结构的问题：根据宇宙暴胀理论，宇宙初期是均匀的，均匀宇宙存在的微小量子涨落在暴胀之后被放大到宇宙尺度，成为最早的星系结构的种子。

美国和德国的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波动还是经典波动。

非高斯性，英语：Non-Gaussianity，在物理学中是校正修改该预期的高斯函数估计用于测量一个物理量。在物理宇宙学中，无论是从理论上还是从实验上来说，宇宙微波背景的涨落都是近似高斯的。但是，大多数理论都预测原始密度场中存在一定程度的非高斯性。对这些非高斯特性的检测将允许区分各种暴涨模型及其替代方案。

如图所示该研究认为涨落是在宇宙早期膨胀即暴涨期间产生的，并导致宇宙中的密度波动，例如此处显示的宇宙微波背景中看到的温度变化。原始非高斯性的一个特征是天空中三个或三个以上点的温度变化是相关的。这种相关性的精确形式可以区分充气过程中波动的经典起源或量子起源。

研究人员说， “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涨落引起的，然后由快速加速的膨胀而扩展，”“这种大暴涨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，大暴涨也可能会拉伸经典的扰动，从而产生非常相似的星系分布。研究人员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。

研究人员解释说：“我们用来研究天空中星系模式的许多方式都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，我们证明了经典机制会产生大量的粒子，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“碰撞”（bumps in collider data）。”

对撞机数据中的“碰撞”

研究表明，类似于对撞机数据中“碰撞”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宇宙结构形成的关键因素。

研究人员补充说：“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0.1的115次方的效应。” “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比以前所建议的增加了115个数量级的进步。”

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（'B mode' polarization），因为这种极化可能是膨胀期间原始量子引力效应的产物。该研究没有寻找“B模式”极化作为量子引力效应的指标，而是转向了问题而发现另一种模式，即“相关函数的折叠结构”（folded configuration for the correlation functions），承载着经典波动的种子。

研究人员表示：“长期以来人们在实验室中使用贝尔不等式来测试量子力学。” “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）我们无法进行“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，尽管有这些巨大的障碍，我们展示了仍然可以分辨出它来自于遥远过去的量子力学状态。”

该最新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。

该论文中引入的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。在他们的未来工作中，研究人员计划研究他们的测试是否也可以应用于基于量子系统的实验室的实验中。

研究人员表示：“我们现在在思考量子信息思想如何进一步查明宇宙原始种子的性质，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”。

该最新研究结果论文，题为：“量子宇宙的信号”，发表在在《物理评论快报》上。

参考：Signals of a Quantum Universe, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.251302量子认知 | 简介科学新知识，敬请热心来关注