許多宇宙學(xué)家認(rèn)為，宇宙的結(jié)構(gòu)是早期膨脹過程中發(fā)生的量子漲落的結(jié)果。然而，到目前為止，證實(shí)這一假設(shè)已被證明極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵诜治霈F(xiàn)有宇宙學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)很難區(qū)分量子和經(jīng)典原始波動(dòng)。

加利福尼亞大學(xué)和德國Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY的兩名研究人員最近基于原始非高斯性的概念設(shè)計(jì)了一種測試，可以幫助確定宇宙結(jié)構(gòu)的起源。他們在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表的論文中指出，檢測原始的非高斯性可以幫助確定宇宙的模式是起源于量子漲落還是經(jīng)典漲落。

“在所有科學(xué)領(lǐng)域中，最美麗的想法之一是，我們在宇宙中觀察到的結(jié)構(gòu)是由早期宇宙中的量子波動(dòng)引起的，然后由快速加速的膨脹而擴(kuò)展，”研究人員之一拉斐爾·波爾圖(Rafael Porto)這項(xiàng)研究告訴Phys.org。“這種“通貨膨脹”范式做出了許多已被數(shù)據(jù)證實(shí)的預(yù)測，但是原始種子的量子性質(zhì)極其難以直接證明。”

證明宇宙結(jié)構(gòu)的量子起源之所以如此困難的主要原因是，通貨膨脹也可能會(huì)拉伸經(jīng)典的擾動(dòng)，從而產(chǎn)生非常相似的星系分布。波爾圖和他的同事丹尼爾·格林(Daniel Green)在他們的論文中提出了這樣一個(gè)想法，即盡管量子和經(jīng)典波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致相似的星系分布，但某些特定的模式在量子起源的結(jié)構(gòu)上會(huì)有所不同。因此，觀察這些模式可以使研究人員測試宇宙結(jié)構(gòu)的起源。

波爾圖解釋說：“我們用來研究天空中星系模式的許多形式主義類似于粒子物理學(xué)家研究對(duì)撞機(jī)散射過程的方式。” “在宇宙學(xué)中，我們談?wù)?#39;相關(guān)性'，而在粒子物理學(xué)中，我們談?wù)?#39;振幅'，但是兩者之間有很多共同點(diǎn)。使用一些基本的物理原理和對(duì)稱性，我們證明了經(jīng)典機(jī)理會(huì)產(chǎn)生大量的粒子，因此在星系模式中有非常特殊的特征，例如對(duì)撞機(jī)數(shù)據(jù)中的“凸點(diǎn)”。”

波爾圖和格林證明，類似于對(duì)撞機(jī)數(shù)據(jù)中“凸點(diǎn)”的存在的宇宙學(xué)特征可能表明宇宙的結(jié)構(gòu)起源于經(jīng)典的漲落。另一方面，沒有這些“碰撞”將表明零點(diǎn)量子漲落是形成宇宙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。

波爾圖補(bǔ)充說：“人們以前曾試圖為結(jié)構(gòu)的量子起源尋找一個(gè)特征，并發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)被抑制了115個(gè)數(shù)量級(jí)，即0 ...... 115倍……1的效應(yīng)。” “我們已經(jīng)表明，盡管由于結(jié)構(gòu)形成過程中來自其他來源的污染而很難觀察到這一點(diǎn)，但是，如果根本沒有原始信號(hào)，那么經(jīng)典擾動(dòng)的影響就是1階。這意味著我們已經(jīng)取得了進(jìn)步比以前的建議增加了115個(gè)數(shù)量級(jí)。”

近幾十年來，研究宇宙結(jié)構(gòu)起源的宇宙學(xué)家主要是在宇宙微波背景(CMB)中尋找所謂的``B模式''極化，因?yàn)檫@種極化可能是膨脹期間原始量子引力效應(yīng)的產(chǎn)物。波爾圖和格林沒有尋找“ B模式”極化作為量子引力效應(yīng)的指標(biāo)，而是扭轉(zhuǎn)了問題，發(fā)現(xiàn)另一種模式，即被稱為“相關(guān)函數(shù)的折疊結(jié)構(gòu)”，承載著經(jīng)典波動(dòng)的種子。

格林告訴Phys.org：“在實(shí)驗(yàn)室中人們使用貝爾的不等式測試量子力學(xué)的歷史悠久。” “基本思想是，如果您擁有量子系統(tǒng)，則可以執(zhí)行某些類型的測量，這些測量將揭示狀態(tài)的真正量子力學(xué)性質(zhì)。宇宙學(xué)面臨的挑戰(zhàn)是：(1)我們觀察到的宇宙基本上是經(jīng)典的和(2)我們無法執(zhí)行“實(shí)驗(yàn)”，因?yàn)槲覀儫o法操縱宇宙的狀態(tài)。我們工作的新穎之處在于我們證明了您仍然可以說它來自于量子力學(xué)狀態(tài)。盡管有這些巨大的障礙，但遙遠(yuǎn)的過去。”

波爾圖和格林最近的研究引入了一種新方法來檢驗(yàn)宇宙結(jié)構(gòu)具有量子性質(zhì)的假設(shè)。本質(zhì)上，研究人員得出的理論是，如果不能以所謂的非高斯相關(guān)函數(shù)的折疊結(jié)構(gòu)觀察到“碰撞”，那么宇宙的結(jié)構(gòu)將起源于量子零漲落，就像經(jīng)典物理學(xué)中那樣，真空是空的。

他們論文中引入的石蕊測試與先前提出的量子力學(xué)測試有很大不同，因此規(guī)避了與這些測試相關(guān)的許多問題。在未來的工作中，Porto和Green計(jì)劃調(diào)查他們的測試是否也可以應(yīng)用于基于量子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。

“ Dan和我現(xiàn)在也在思考量子信息思想如何進(jìn)一步查明原始種子的性質(zhì)，并且從更實(shí)際的意義上講，還可以幫助我們提供一種更快的算法來模擬宇宙的演化，也許就像量子計(jì)算機(jī)將在一天之內(nèi)完成一樣”，波爾圖說。