大约138亿年前，我们所知的宇宙在被称为大爆炸的瞬间开始。在那一刻，极热和密集的能量和物质充斥着宇宙，推动了空间的膨胀。许多物理学家认为，在此后的第一瞬间，宇宙经历了一个极其快速的膨胀阶段：一个被称为暴胀的过程。这个理论最令人惊奇的预测之一是，整个宇宙中所有星系的排列——宇宙中所有“物质”在最大尺度上的位置——是由发生在最小可能测量水平上的事件决定的：量子领域。然而，这个想法的支持者长期以来面临一个棘手的问题：如果我们今天只能看到宏观的结果，我们还能证实这个微观起源的故事吗？
“宇宙结构的量子起源问题是所有科学中最有趣的方面之一，”普林斯顿高等研究院的弦理论家和宇宙学家胡安·马尔达西纳说。马尔达西纳和其他研究人员尚未找到确凿的答案。但新的研究工作为解决这个问题带来了希望，暗示星系分布中的某些蛛丝马迹的模式最终可以对暴胀进行测试。
暴胀预测，无论我们在天空中看向何处，都应该发现星系几乎是完全随机的空间分布。根据该理论，这种随机性是因为星系生长的温床本身具有纯粹的随机来源：所谓的量子真空的涨落。量子真空是充满宇宙的量子场的体现。它也违反直觉地不是完全空的。在其中，场的短暂激发不断出现然后消失，产生一种充满虚空的量子静态。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们今天世界的重要发现和想法的故事的未来。
如果没有宇宙膨胀，这种静态将不会表现出任何长期的结构。然而，根据暴胀，空间难以置信的膨胀应该将那些微观的量子脉冲放大到宏观尺寸。随着它们的增长，涨落失去了消失回到真空雾霾的能力，并“冻结”为永久存在。它们变成了物理学家所说的“经典”，这意味着它们不再遵循量子力学的定律，而是根据引力，以爱因斯坦广义相对论所阐明的方式以确定的方式演化。因此，在暴胀结束后，冻结的静态印记应该仍然存在——以高于或低于平均密度的模式出现在整个宇宙物质均匀分布中。这些模式帮助引导了星系的形成，随着物质在引力的吸引力下进一步聚集在一起，星系在高密度区域合并。
这个理论故事引导我们得出一个非常诗意的结论，即宇宙中最大、最不可改变的结构——星系和星系团——必须来自最小、最短暂的量子振荡。然而，这个美丽的故事是真的吗？当然，还有其他可能性：也许暴胀不是来自量子真空，而是由某种长寿命的量子粒子引发的。或者，甚至在暴胀之前的一些过程以某种方式在婴儿宇宙中放置了一个经典的模式，暴胀放大了它但没有创造它。任何一种情况都意味着对我们理解存在最早时刻发生的事情的彻底改变。
寻找信号
自从1980年代早期暴胀理论发展以来，宇宙学家一直在思考这个谜团——更重要的是，如何解决它。大部分工作都在试图确定量子真空起源的直接证据会是什么样子，以及它是否可以被测量。到目前为止，还没有人找到令人满意的答案。许多人怀疑这种方法是否可行。“这非常困难。这是一个非常小的影响，”美国宇航局喷气推进实验室的宇宙学家奥利维尔·多雷说，他仔细研究了这个问题。多雷和他的合作者认为，暴胀会将量子真空的任何蛛丝马迹的迹象压缩到远低于实际测量能够希望发现它们的水平。“很难想到可以测量的东西，”他说。
如果我们不能希望看到量子真空的直接证据，研究人员可以从另一个角度入手，寻找反对量子真空起源故事的证据。多雷和马尔达西纳，他也认为直接方法似乎没有希望，他们都指向了加州大学圣地亚哥分校的宇宙学家丹尼尔·格林和德国电子同步加速器（DESY）的拉斐尔·波尔图的一项新的预印本研究。这项工作现已被《物理评论快报》接受发表，表明可以通过仔细研究宇宙大尺度结构中的任何非随机特征来实现这种证据。
如果，事实上，我们生活在一个星系从量子混沌中生长出来的暴胀宇宙中，那么我们应该期望发现它们随机地散布在整个空间中。宇宙学家已经在大型结构中发现了一些非随机特征。但是 这些观测可以通过“暴胀后”过程来解释，例如引力对星系团生长的影响。挑战在于找到只能通过早期宇宙中的事件来解释的非随机性迹象。这种“原始”迹象可以揭示暴胀如何发生的细节，或者可以引导我们对该时期发生的事情有一个全新的认识。
绘制宇宙几何
例如，研究人员可以通过研究由一组星系形成的几何形状来测试随机性。任何三个可见的星系在天空中形成一个三角形，星系位于角上。问题是：其他三个随机选择的星系会形成多少次完全相同的三角形？一种有条不紊的搜索，试图解释每个三角形的形状并覆盖天空中的每个点，可能会揭示宇宙学家是否可以期望在任何特定的三点配置中更频繁地发现不同的星系。一个或多个“首选”三角形的存在——或者对任何其他几何形状的偏好，就此而言——将表明存在非随机模式。宇宙学家然后不得不问，“什么会导致这种情况？”
格林和波尔图认为，如果宇宙结构的温床不是来自量子真空——如果它反而来自非真空量子态或来自其起源早于暴胀的经典态——那么那些额外的成分将改变最初的星系温床的模式。这些新模式将以某些蛛丝马迹的首选形状出现在大尺度结构中。如果天文学家无法找到证据表明这些配置的出现频率高于随机机会所允许的频率，那么宇宙的大尺度结构就不可能来自其他起源。
至关重要的是，根据格林的说法，如果他描述的证据存在，那么天文学家就有真正的希望看到它。第一步是检测新的非随机性迹象，无论它们是由原始暴胀还是后来的过程引起的。格林估计，这样做可能需要将目前绘制星系位置的最新技术提高100倍。当然，这是一个崇高的目标，但它比测量多雷和其他人研究的潜在信号的微小尺寸要容易得多。
如果观察者成功检测到非随机性，接下来他们将寻找将其与暴胀联系起来的迹象，而不是随后的事件。格林说，这一步是主要困难。然而，即使在这里，也存在希望。由于宇宙时间后期发生的影响，他和波尔图研究的首选形状类型应该像其他形状一样引人注目。简单地说，它们相对容易看到，而不是像对较大值进行的一些小调整那样被隐藏起来。“你不必大海捞针，”波尔图说。在没有任何可检测到的原始非随机性迹象的情况下，理论家将很难提出可能掩盖明显信号的令人困惑的影响或实验缺陷。因此，缺乏任何格林和波尔图首选形状的迹象可能是支持暴胀和宇宙结构量子起源的证据。
多雷同意寻找非随机迹象提供了一个令人兴奋的前景，因为所需的测量虽然不能保证，但似乎是可行的。特别是在未来5到10年内，天文学家将通过几个下一代观测和望远镜（例如计划于2024年发射的NASA卫星任务SPHEREx）创建前所未有的高质量星系分布图。虽然这样的工作不能保证回答宇宙量子性的问题，多雷认为现在是思考这个问题的时候了。“很难预测，但我认为现在是这些问题非常活跃的时期。我认为有很多新想法出现，我希望会出现一些重要的东西。”
波尔图也同意。“有很多数据，”他说，“还有很多工作要做。”想要解开宇宙演化的研究人员现在可以从粒子物理学、数据科学和引力波搜索中引入工具。波尔图说，当把所有这些放在一起时，“现在是最激动人心的时刻。”