对于声波来说，宇宙的稠度就像巧克力糖浆。
这是研究大爆炸的科学家们通过一种将宇宙中的物质视为一种特殊流体的新方法而取得的一项发现。他们已经计算出了表征宇宙行为和演化特性的参数，包括其粘度，即对声波和其他扰动的变形的抵抗力。
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“宇宙的粘度是 20 帕斯卡秒，”斯坦福大学物理学助理教授莱昂纳多·塞纳托雷说——就像冰淇淋配料一样。
粘度计算可以帮助宇宙学家侦查大爆炸的细节，并可能在未来某天确定其触发因素，这通过使他们能够将宇宙的流体状流动追溯到 138 亿年前的初始状态。
随着探测大爆炸的其他技术达到其灵敏度极限，宇宙学家正在从粒子物理学和凝聚态物理学中借用流体方法，这种方法被称为“有效场论”，这两个领域已经使用该方法几十年了。宇宙学家表示，通过将整个空间中旋转的物质建模为粘性流体，他们可以精确地计算出流体在重力作用下是如何演化的，然后将这种宇宙演化倒退到最初的状态。“使用这种方法，您可以真正放大宇宙的初始条件，并开始提出越来越精确的问题，”普林斯顿大学的博士后研究员恩里科·帕耶说道，他最近有一篇关于该技术的论文被《宇宙学和天体粒子物理学杂志》接受。
天文学家收集的关于星系在整个空间中分布的信息越多（称为宇宙的“大规模结构”），流体模型就越准确。而且，数据正在涌入。 1980 年代存在的几个附近星系的粗略散点图已经让位于一个更丰富的数百万个星系地图，并且计划中的望远镜将很快把计数推至数十亿。支持者认为，通过这些数据点的调整，流体模型可能会在 10 或 15 年内变得足够精确，以证明或驳斥一种有前途的大爆炸理论，称为“慢滚暴胀”，该理论认为宇宙在被称为暴胀场的实体从一种状态缓慢滑动到另一种状态时膨胀存在。“长期以来，一直有一个庞大的社区试图进行这种类型的计算，”新泽西州普林斯顿高级研究所的宇宙学教授马蒂亚斯·扎尔达里亚加说。研究人员说，在未来，将有效场论应用于更大的数据集可能会揭示暴胀场的特性，这将有助于物理学家建立一种理论来解释它。
“这显然是应该使用的正确工具，”斯坦福大学的理论物理学家约翰·约瑟夫·卡拉斯科说。“现在正是时候。”
塞纳托雷、卡拉斯科和他们在斯坦福大学的合作者马克·赫茨伯格首次在2012 年发表在《高能物理学杂志》上的一篇论文中提出了对宇宙的大规模结构进行建模的流体方法，其动机是它可能帮助他们从日益庞大的数据集中收集到的大爆炸细节。此后，其他研究人员也加入了进来，在一系列的论文、演讲和即将举行的研讨会中帮助改进了该方法。“我们是一小群顽强的人，他们相信这是前进的方向，”加州理工学院的理论宇宙学家肖恩·卡罗尔说。
流体宇宙
在水、巧克力糖浆和其他流体中，物质在大尺度上平滑分布，并在小尺度上划分为块，例如原子或分子。为了计算水在人类尺度上的行为（水在人类尺度上是一种流体），没有必要考虑 H₂O 分子在原子尺度上的每次碰撞。事实上，这样做会使计算变得不可能。相反，所有分子相互作用在原子尺度上的集体效应可以平均，并在流体方程中表示为“体积”特性。（例如，粘度是粒子之间摩擦力的度量，取决于它们的大小和形状以及它们之间的力。）
类似的技巧也适用于对宇宙大规模结构的演化进行建模。
就像水一样，宇宙在大尺度上是平滑的：一个十亿光年宽的区域中的物质数量与下一个区域中的物质数量相同。当你放大时，会出现物质分布的轻微变化，例如密度更高和更低的星系区域。在短距离上，变化变得极端：单个星系被空隙包围，而在星系内部，恒星像针头一样刺破空旷的空间。随着重力导致恒星、星系和星系团聚集在一起，暗能量拉伸它们之间的空间，物质分布在每个尺度上不断变化。通过对这些变化进行建模，宇宙学家可以使用输出（星系分布数据）来推断输入（宇宙的初始条件）。
在第一近似中，每个距离尺度（从大到小）的物质分布都可以被视为独立演化。然而，正如水面上的小波纹会影响大波的演化一样，宇宙中较小的物质团块（例如星系团）也会以引力影响包围它们的较大团块（例如超星系团）。在宇宙演化模型中考虑这种相互作用是有问题的，因为在最短距离尺度上的引力效应（在这个尺度上，宇宙不像流体那样平滑，而是凝聚成孤立的、类似粒子的物体）会破坏计算。
有效场论通过仅考虑尺度之间的相互作用（降至星系之间距离的几倍）来解决这个问题。“小于该长度尺度的所有事物，我们都将其视为复杂且难以理解，并且那些小尺度上发生的所有事情都可以捆绑到一个大的影响中，”卡罗尔解释说。小尺度上物质的平均引力效应表示为流体的粘度；因此，宇宙与巧克力糖浆之间存在联系。
尽管前者稀疏而寒冷，而后者浓稠且通常是温热的，但根据数据和模拟计算，它们的粘度几乎完全相等。这个数字意味着这两种流体都会立即抑制入射声波。“它只是‘咚’的一声，然后就消失了，”帕耶说。
终极探测器
“对于大规模结构的有效场论来说，现在还处于早期阶段，”约翰·霍普金斯大学的物理学和天文学教授马克·卡米奥科夫斯基说，他没有参与该方法的开发。他说，虽然“它确实具有一些优势”，但在使用该工具从天文数据中提取新发现之前，还需要做很多工作。
例如，到目前为止，宇宙学家仅开发了暗物质演化的有效场论模型，暗物质是一种看不见的物质，约占宇宙物质的六分之七。可见物质略微复杂一些，研究人员说，它在短距离尺度上的行为可能更难以表示为流体的整体特性。“那是下一个挑战，”扎尔达里亚加说，他是2013 年 11 月一篇关于有效场论方法的论文的合著者。“我们一次做一件事。”
研究人员的最终目标是测量宇宙初始条件中所谓的“非高斯性”。如果暴胀理论是正确的，并且暴胀场短暂地过渡到不稳定状态，导致空间体积膨胀 1078 倍，那么被称为量子涨落的随机能量波纹就会在该场中出现，并随后成长为今天存在的大规模结构。预计这些波纹将遵循“高斯”分布，在该分布中，能量均匀地分布在钟形曲线的两侧。宇宙学家寻找非高斯性，或能量分布的细微偏差，作为暴胀期间其他更有意义的事件的迹象，例如多个暴胀场之间的相互作用。最近发布的普朗克卫星宇宙微波背景图像表明，早期宇宙中的能量波动遵循高斯曲线，至少达到十万分之一，这与宇宙起源于单暴胀场的慢滚模型兼容。但尚未排除会产生更小非高斯性的替代模型。
通过使用即将到来的天空调查（例如大型综合巡天望远镜项目和欧几里得任务）中的星系分布数据来调整有效场论模型，宇宙学家估计可以将非高斯性的检测能力提高 10 或 20 倍。如果在该灵敏度水平下未检测到任何非高斯性，“我们可以肯定它是标准的慢滚暴胀，”塞纳托雷说。“这非常令人兴奋。”
如果可以证明大爆炸始于慢滚暴胀，那么下一个任务将是探测“暴胀子”（与暴胀场相关的粒子，是包罗万象的自然理论的组成部分）的特性。在暴胀期间，暴胀子必须至少与自身和重力相互作用，并且这两种相互作用都会将暴胀场的能量分布非常轻微地推向一边。计划中的天空调查将不足以检测到如此细微的非高斯性，但研究人员预计它们会印在早期宇宙中氢气发出的信号上。“这是终极探测器，”帕耶说。
望远镜应该会在大约 30 或 40 年内检测到这种氢信号，称为 21 厘米线，并且将使用有效场论来尝试梳理出非高斯性。“虽然我们老了，”35 岁的塞纳托雷说，“我们肯定会检测到一些东西。”
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