在實驗室模擬宇宙膨脹？這可不是邪惡天才的創世狂想

宇宙膨脹無法直接證明。為此，一些物理學家希望在實驗室模擬宇宙。希爾珂·維恩弗特納就是其中一位。

科學家試圖在實驗室模擬宇宙，揭開宇宙神秘面紗

模擬宇宙膨脹

作為一位物理學家，希爾珂·維恩弗特納試圖從無到有創造出一個宇宙。

在諾丁漢大學的物理學實驗室，她和同事將藉助一個1米寬的巨型超導線圈磁體，來開展這項研究。線圈內部有一小池液體，泛起的細微波紋用於模擬物質波動。正是這種波動賦予我們在宇宙中觀測到的各種結構。值得一提的是，諾丁漢大學附近便是英國民間傳說中的俠盜羅賓漢出沒的舍伍德森林。

維恩弗特納並不是一個邪惡的天才，不顧一切地創造一個由自己主宰的世界。她只是想進一步了解宇宙的起源。

大爆炸是迄今為止最流行的宇宙起源理論，但即便是該理論的粉絲，對大爆炸如何發生也持不同看法。

大爆炸理論立基於假設中存在的量子場，量子場以令人驚異的速度將宇宙朝各個方向拉伸，讓宇宙在不到一秒鐘內急劇擴張。這一過程也就是我們所說的「宇宙膨脹」。不過，無論是膨脹還是導致膨脹的量子場都無法直接證明。這也就是為什麼維恩弗特納希望在實驗室模擬這一過程。

如果大爆炸理論是對的，「嬰兒宇宙」應該由微小的漣漪創造，也就是所謂的「量子波動」。量子波動在宇宙膨脹過程中被拉伸，變成物質、輻射或者光線。這些波動擴展到整個宇宙，播撒星系、恆星和行星的種子。

科學家試圖在實驗室模擬宇宙，揭開宇宙神秘面紗

藉助巨型超導磁體

維恩弗特納希望藉助巨型超導磁體模擬這種漣漪。模擬中，她會在線圈內放置一個直徑約6厘米的圓形水槽，並注入水和丁醇。兩種液體密度不同，不會混合在一起。

隨後，研究人員會製造人工引力扭曲。研究論文合著者理查德·希爾表示：「磁場的強度會隨位置變化。通過將液體移動到磁場的不同區域，有效引力便可隨之增強或減弱，甚至發生顛倒。」

通過改變引力，研究小組希望能夠創造出漣漪。與池塘泛起的波紋不同，這種漣漪會出現在兩種液體之間。研究小組成員阿納斯塔西奧斯·阿弗古斯提蒂斯指出：「通過細微調整漣漪的速度，我們能夠模擬出一個膨脹的宇宙。」

膨脹過程中，宇宙體積迅速增大，物質漣漪恆速擴散。實驗中，液體體積保持不變，漣漪的傳播速度快速降低。阿弗古斯提蒂斯說：「描述兩種情況下漣漪傳播的方程式是一樣的。」

這一點很重要：如果這種波動觸發的結構與在宇宙中發現的結構類似，我們或許能夠一瞥宇宙的膨脹機制。

實際上，這並不是維恩弗特納或者其他任何人第一次嘗試在微小尺度下模擬宇宙現象。世界各地的天體物理學家都在實驗室進行這種嘗試。他們研發了更為精密複雜的裝置，利用聲波或者磁鐵在液體和氣體中觸發波動。在強引力場，聲波的傳播與光波類似。

藝術概念圖，黑洞正在享用藍星大餐

在實驗室里「再現」宇宙

2017年6月，維恩弗特納曾藉助一個中間有出水口的大水槽，模擬另一種難以觀測的現象——黑洞超輻射。1981年，溫哥華不列顛哥倫比亞大學的物理學家威廉·安魯（10年前做過維恩弗特納的導師）率先提出在實驗室中模擬引力的想法。安魯說：「我們無法讓宇宙『重播』，就算我們能做到，我們也活不到看到實驗結果的那一天。」

自安魯首次實驗以來，模擬引力實驗日趨複雜。實驗中，安魯使用液體模擬引力，試圖展示這種「聲學黑洞」對聲波的影響，就相當於真正的黑洞事件視界對光線的影響。換句話說，我們在實驗室進行的測量和再現可以用於探尋黑洞的特性。即便是對大名鼎鼎的霍金輻射，這種方式也行得通。霍金輻射理論認為，黑洞會不斷向外輻射熱量，最終徹底蒸發。幾年前，以色列海法理工學院的傑夫·施泰因豪爾發現了霍金輻射的聲學類似物。

科學家還可以通過模擬，研究膨脹的其它方面。

幾年前，法國國家科學研究中心的克里斯托弗·韋斯特布魯克率領的一支研究小組，通過「扭動」環狀玻色-愛因斯坦凝聚態，研究量子粒子的形成過程。玻色-愛因斯坦凝聚態是一種物質形態，原子被冷卻到接近絕對零度，導致其行為與一個單一的量子物體類似。膨脹過程中，宇宙溫度先是急劇下降，而後再度升溫，當時宇宙暴漲停止並伴隨所謂的「再加熱」過程，最終進入正常的大爆炸擴張期。

2017年10月，聯合量子研究所的物理學家史蒂芬·埃克爾領導了一項實驗。該研究所由美國國家標準技術研究所和馬里蘭大學共同創建。實驗中，研究人員同樣利用玻色-愛因斯坦凝聚態觀察聲波的拉伸。這種拉伸與宇宙膨脹時的光線紅移現象類似。此外，研究小組還觀察到一種類似「再加熱」過程的效應。

（本文首發於微信公眾號 漫步宇宙）

作者：卡蒂亞·莫斯科維奇譯者：牛樹軍

責編：Velvet

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