大爆炸已经成为科学界的常识，但在大爆炸之前最初的宇宙发生了什么还没有被确定。在两项研究中，物理学家发现最初的重粒子标准时钟可能对我有帮助。

“大爆炸之前”的原始宇宙

物理学家告诉我们，宇宙在亿年前爆发了大爆炸。“大爆炸”的说法众所周知，但在大爆炸之前？

这个问题一开始可能看起来很荒谬，但近年来物理学家们已经开始寻找答案的线索。他们发现下一代的宇宙学观测可能会给我们提供答案。

从上个世纪初到现在，观测和理论的积累使得物理学家们逐渐认识到宇宙不是一个静态的固定阶段，而是在不断的膨胀。漂浮在宇宙中的星系彼此相距甚远。

从今天的观测事实出发，通过物理定律的指导，我们可以沿着时间的长河走下去，了解宇宙的进化史。通过各种宇宙学的观察和理论，我们可以追溯到数百亿年前宇宙的“信仰历史”。那时，宇宙是稠密而炎热的，就像燃烧着的天空之火。时间越早，火焰的温度就越高。

直到亿年前的某个时候，这支上游探险队还会遇到无限高的温度和无限的密度。今天的物理定律在这一点上都失败了，物理学家称之为“大爆炸奇点”。当然，如果大爆炸被理解为大爆炸的奇点，那么“大爆炸之前”就没有任何物理意义可言。

但物理学家当然知道通过这种简单推断得到的结果并不完全正确。在早期的某个时刻，宇宙的演化可能会偏离这种简化的外推。在此之后，宇宙仍然根据标准热膨胀图像进化。物理学家将这种或多或少的观测验证的演化历史称为“热爆”阶段，在此之前，需要新的理论来解释宇宙偏离热爆的过程。在此期间，物理学家将其称为“原始宇宙”。因此，当我们提到“大爆炸之前”时，它就意味着原始的宇宙。

暴涨或许并非唯一可能

几十年来，物理学家们提出了许多理论来描述原始宇宙的演化，其中一些理论还可以解决大爆炸的一些理论问题，例如解释为什么我们的宇宙目前是非常平坦的。

然而，对于今天的物理学家来说，关于原始宇宙理论最吸引人的地方在于它们是解释我们自身存在的关键。我们知道物质在可见宇宙中的分布是相当均匀的，但不是完全均匀的。在宇宙历史的早期，时空的异质性相当弱。后来，在引力的影响下，异质性逐渐被放大，物质的分布逐渐聚集成块，星系和恒星逐渐出现。我们最终还是。

早期宇宙的微小不均匀性从何而来？这是原始宇宙理论需要回答的问题。在这些理论中，最为人所接受的就是通货膨胀理论。该理论认为，宇宙在大爆炸之前经历了一次极其短暂和疯狂的快速膨胀，在此期间，可能只有百万分之一秒，宇宙以指数方式膨胀了约十亿分之一秒。因为驱动这种快速膨胀的能量非常大，时空本身就会感受到明显的量子涨落。这些量子涨落通过快速膨胀迅速延伸到很大的距离，并最终成为宇宙大尺度不均匀性的种子。

通过测量宇宙微波背景或星系的分布，我们现在了解了许多原始宇宙的不均匀性(也称为主要扰动)，并通过它们来验证或证伪不同的膨胀理论。因此，宇宙大爆炸之前的讨论不是假的，而是一个真实的物理问题。

然而，膨胀理论不是一个固定的理论，而是一组理论模型的一般术语：宇宙扩张的扩展方式，每一种都可以预测原始扰动不均匀性的特定模式。此外，物理学家提出了各种非激增模型来解释大爆炸前宇宙的演化。在这些模型中，原始宇宙会缩小或反弹，并且有许多不同类型的东西。这些模型中的许多模型也可以大规模地解释宇宙的异质性和各向异性。虽然它们可能仍然存在许多理论上的困难，但这些尝试表明，暴涨可能不是原始宇宙的唯一可能性。

原则上，具体的膨胀模型可以通过仔细测量宇宙的大尺度不均匀性来确定。然而，在实践中，通货膨胀模型的构建是相当灵活的。看来，无论物理学家是否观察到任何不均匀的模式，理论家总是可以构造一个浪涌模型来解释这种模式。因此，有人怀疑，作为一种科学理论，通货膨胀能否被篡改？更清楚地说，原始宇宙的演化是飞涨的，还是反弹的，还是其他的模型？有没有一种方法可以洞察宇宙在大爆炸之前的演变？

揭秘宇宙的终极理论

原始标准时钟：不同原始宇宙模型的标准

不管它是膨胀还是收缩，这就是问题所在。但是作为一个物理问题，我们不能用冥想来决定，而需要用天文观测来回答。本文题目中的“原标准钟”是通过天文观测解决这一问题的利器。

“标准时钟”的工作原理与普通时钟没有什么不同。无论是哪种类型的时钟，它都是一台以固定节奏运行的机器。所谓计时，就是计算节拍的次数。在最初的时钟中，节奏的来源是简单的钟摆。在伽利略年轻的时候，他观察了教堂里摇动的灯台，并意识到了简单钟摆的固定节奏，这是一个众所周知的故事。石英钟，现在很常见，使用石英晶体把电流转换成周期性的振动。在任何情况下，只要有固定的频率，就有可能将其用于计时。

量子世界的波粒二象性告诉我们，一定质量的粒子对应于具有固定振动频率的物质波，并且可以用作具有固定节奏的时钟。在原始宇宙中，质量粒子可以以各种方式产生并以物质波的形式振动。这种振动以各种方式影响时间和空间本身的波动，从而在宇宙的大规模异质性上留下痕迹。在原始宇宙中，携带大量粒子的重粒子比比皆是。物理学家目前熟悉的基本粒子在原始宇宙中可能很重，并且可以用作原始标准时钟。[见中间新鲜：宇宙学对撞机：两个极端天平的混合]

物理学家最近发现，作为标准时钟的重粒子将在今天的宇宙大尺度不均匀性中留下痕迹。在发表于年的一篇文章中，哈佛大学的陈新刚、MohammadHosseinNamjoo，与香港科技大学的王一发明，原初宇宙中重粒子的量子涨落足以对时空本身的扰动发生影响。因此，今天宇宙的大规模不均匀性的三点相关函数（也称为非高斯）可能携带标准时钟的信息。

在陈新刚、哈佛大学的AbrahamLoeb与我比来的一篇文章中，咱们发明，重粒子还将经由过程一种分歧的体式格局影响大尺度不均匀性的两点关联函数（也称为功率谱）。对于试图寻找标准时钟信号的实验者来说，这是个好消息。因为在实际观测中，测量功率谱比不测量高斯要容易得多。

无论是功率谱还是非高斯，影响宇宙大规模异质性的标准时钟的具体机制都是一个相当技术性的问题。幸运的是，它的物理性质可以通过以下类比来理解。

在主宇宙中以固定频率振动的重粒子就像是以固定频率摆动的钟摆。我们在钟摆下面放一条带子，这样它就能垂直于钟摆运动，代表一个膨胀或收缩的宇宙。为了模拟重粒子与时空的相互作用，我们可以将墨水倒入钟摆中，这样我们就可以在移动的纸带上画出痕迹。现在，如果你将磁带拉向一端(图X中的蓝色箭头)，摆动的钟摆将绘制一条振荡的轨迹。不难理解的是，如果磁带向一边移动得越来越快，磁带上的时钟轨道就会变得越来越薄；反之，如果磁带慢下来移动，摆的痕迹就会变得越来越密。因此，从纸带上轨迹的形状可以推断纸带运动的速度。

这正是原来的标准时钟的工作原理：通过某种相互作用，重粒子在时间和空间本身的扰动中产生了规则的振荡。今天，大爆炸前的重粒子已经衰变，但大爆炸前的振动残余依然存在于时空背景的扰动中。通过寻找和鉴定这些遗迹的形状，可以推断原始宇宙是膨胀还是收缩。如前所述，这些扰动已经成为我们当前宇宙中大规模的异质性和各向异性的种子，并最终决定了当前宇宙中物质的分布。下一代的星系调查，如美国的lsst和spherex卫星，以及欧洲的uclid，将有机会显著改善大规模异质性的测量。这使我们有机会捕捉到今天宇宙物质分布中原标准时钟的脉动所留下的线索。