HomeThông cáo báo chí

Bản chất lượng tử làm cho các dao động không thời gian trong Vũ trụ sơ khai trở nên rất đối xứng

Bản chất lượng tử làm cho các dao động không thời gian trong Vũ trụ sơ khai trở nên rất đối xứng

Về mặt lý thuyết, chúng tôi đã chỉ ra rằng các dao động mật độ được tạo ra trong quá trình giãn nở lạm phát trong Vũ trụ sơ khai, cụ thể là vùng dày

Hiệp hội Khoa học Công bố Danh sách Cựu sinh viên Đáng chú ý từ Tìm kiếm Tài năng Khoa học, Hội chợ Khoa học và Kỹ thuật Quốc tế và Cuộc thi STEM dành cho Trung học cơ sở
Ngày thế giới phòng, chống lao 24/03/2022
Về mặt lý thuyết, chúng tôi đã chỉ ra rằng các dao động mật độ được tạo ra trong quá trình giãn nở lạm phát trong Vũ trụ sơ khai, cụ thể là vùng dày đặc và vùng thưa thớt, phải được phân bố rất đối xứng. Chúng tôi nhận thấy rằng biên độ dao động sẽ sai lệch đáng kể so với quan sát trừ khi vùng dày đặc và vùng thưa thớt rất đối xứng. Kết quả của chúng tôi cung cấp manh mối để xác định nguồn gốc của lạm phát.
Vũ trụ của chúng ta chứa đầy các thiên thể có kích thước khác nhau, vì chúng ta có thể nhìn thấy nhiều ngôi sao khi nhìn bầu trời đêm bằng mắt thường, và nhiều thiên hà và cụm thiên hà khi chúng ta nhìn qua kính viễn vọng. Mặt khác, khi nhìn vào Vũ trụ, chúng ta thấy một vùng không gian đồng nhất rộng lớn kéo dài qua hàng chục tỷ năm ánh sáng. Đặc tính này của Vũ trụ được giải thích là do Vũ trụ trải qua một quá trình giãn nở rất nhanh được gọi là lạm phát trước Vụ nổ lớn. Trong khi lạm phát mở rộng đáng kể Vũ trụ để tạo ra một không gian đồng nhất, vì điều này xảy ra khi Vũ trụ nhỏ hơn nhiều so với một nguyên tử hydro, nên các hiệu ứng lượng tử hoạt động trong thế giới vi mô đóng một vai trò quan trọng.

Người ta tin rằng sự lạm phát của vũ trụ là do trường gọi là “bơm hơi” lấp đầy không gian một cách đồng nhất. Mục tiêu cuối cùng của nghiên cứu vũ trụ học lạm phát là làm rõ bản chất của lĩnh vực này trong vật lý hạt. Thực tế vũ trụ phải ở trong trạng thái chân không, vì tất cả các vật chất khác sẽ hoàn toàn bị pha loãng bởi sự giãn nở nhanh chóng của vũ trụ trong thời kỳ lạm phát. Trong khuôn khổ của lý thuyết trường lượng tử trong một vũ trụ đang giãn nở nhanh chóng như vậy, chúng ta có thể thấy rằng khi vũ trụ giãn nở, các dao động được tạo ra lần lượt. Là một tính chất của dao động xung quanh chân không, các vùng dày đặc và thưa thớt với các độ cao (biên độ) khác nhau luôn xuất hiện với cùng tần số và phân bố của chúng tuân theo phân phối chuẩn (phân phối Gauss). Phân phối chuẩn là phân phối chuẩn được sử dụng trong các thử nghiệm thống kê, trong đó các khu vực cao hơn và thấp hơn giá trị trung bình xuất hiện với cùng tần suất. Tuy nhiên, các dao động có thể tương tác động lẫn nhau, dẫn đến sự khác biệt giữa số lượng của các vùng dày đặc và thưa thớt. Vì sự khác biệt được xác định bởi cường độ của các tương tác, nếu chúng ta có thể quan sát sự khác biệt về số lượng và độ cao (biên độ) giữa các vùng dày đặc và thưa thớt, chúng ta có thể hiểu sâu hơn về vật lý năng lượng cao mà các thí nghiệm máy gia tốc không thể có được. (Hình 1) dẫn đến sự khác biệt giữa số lượng của các vùng dày đặc và thưa thớt. Vì sự khác biệt được xác định bởi cường độ của các tương tác, nếu chúng ta có thể quan sát sự khác biệt về số lượng và độ cao (biên độ) giữa các vùng dày đặc và thưa thớt, chúng ta có thể hiểu sâu hơn về vật lý năng lượng cao mà các thí nghiệm máy gia tốc không thể có được. (Hình 1) dẫn đến sự khác biệt giữa số lượng của các vùng dày đặc và thưa thớt. Vì sự khác biệt được xác định bởi cường độ của các tương tác, nếu chúng ta có thể quan sát sự khác biệt về số lượng và độ cao (biên độ) giữa các vùng dày đặc và thưa thớt, chúng ta có thể hiểu sâu hơn về vật lý năng lượng cao mà các thí nghiệm máy gia tốc không thể có được. (Hình 1)

Hình 1:  Sơ đồ khái niệm về sự tạo ra dao động mật độ vốn là mầm mống của các thiên hà và các cụm thiên hà trong vũ trụ lạm phát. Các dao động lượng tử tạo ra một số lượng các vùng dày đặc và thưa thớt bằng nhau, nhưng các tương tác mạnh gây ra sự sai lệch giữa hai vùng. Tuy nhiên, hiện nay người ta đã phát hiện ra rằng các tương tác này cũng làm thay đổi đáng kể biên độ dao động, áp đặt giới hạn độ mạnh của các tương tác chặt chẽ hơn 10 lần so với trước đây.

Những biến động này sẽ bị kéo dài ra bởi lạm phát tiếp tục, do đó Vũ trụ cuối cùng sẽ chứa đầy những biến động ở nhiều kích cỡ khác nhau. Những dao động như vậy chỉ bằng khoảng 1 / 100.000 giá trị năng lượng trung bình, vì vậy những dao động nhẹ như một gợn sóng cao một milimet trong đại dương sâu 100 mét. Ngay cả với những không đồng nhất nhỏ như vậy, một vùng dày đặc có lực hấp dẫn mạnh hơn một vùng thưa thớt, và hiệu ứng này thu hút ngày càng nhiều vật chất từ ​​vùng xung quanh, cuối cùng dẫn đến sự phát triển của các cấu trúc vũ trụ như sao và thiên hà.

Dấu vết của những dao động nhỏ này được tạo ra trong quá trình lạm phát có thể được quan sát bằng cách đo nhiệt độ của nền vi sóng vũ trụ.Các quan sát toàn bầu trời của vệ tinh Planck đã chỉ ra rằng những dao động trên quy mô lớn hơn được tạo ra trước đó trong thời kỳ lạm phát có biên độ lớn hơn một chút so với những dao động ở quy mô nhỏ hơn. Họ cũng phát hiện ra rằng phân bố tần số dao động của các biên độ khác nhau hoàn toàn phù hợp với phân bố chuẩn (phân phối Gauss) ở mức tốt nhất về độ chính xác quan sát hiện tại. Nói cách khác, tương tác của các dao động thể hiện sự khác biệt giữa các vùng dày đặc và thưa thớt chỉ có giới hạn trên quan sát nhỏ. Jason Kristiano, một nghiên cứu sinh tại Trường Khoa học Sau đại học, Đại học Tokyo, và Giáo sư Jun’ichi Yokoyama đã phân tích cách những tương tác này ảnh hưởng đến sự phân bố của các dao động bằng cách áp dụng lý thuyết trường lượng tử, thường được sử dụng để nghiên cứu lý thuyết vật lý hạt,
“Trong các nghiên cứu trước đây, người ta cho rằng ảnh hưởng của các tương tác như vậy là hoàn toàn không đáng kể, vì sự khác biệt giữa vùng dày đặc và vùng thưa thớt gây ra bởi sự tương tác của các dao động sẽ chỉ thêm hiệu chỉnh 1 / 100.000 vào số lượng 1 / 100.000 tại điểm duy nhất nơi nó xảy ra. Trên thực tế, người ta cho rằng có thể hoàn toàn bỏ qua ảnh hưởng của các tương tác như vậy. Hơn nữa, các tính toán lý thuyết được thực hiện mà không tính đến các hiệu chỉnh này đã tái tạo rất tốt các dữ liệu quan sát được ”. Giáo sư Jun’ichi Yokoyama cho biết.
Mặt khác, các nghiên cứu trước đây đã cố gắng tính toán các hiệu chỉnh như vậy đã giả định rằng biên độ của bất kỳ thang dao động nào cũng được tạo ra như nhau, và do đó chỉ thu được các đại lượng vô hạn vô nghĩa về mặt vật lý, như thường xảy ra trong các phép tính của lý thuyết trường lượng tử. .


”Chúng tôi có thể lấy đúng giá trị này bằng cách thực hiện một phép tính kết hợp chính xác sự phụ thuộc tỷ lệ của biên độ dao động. Kết quả là, chúng tôi nhận thấy rằng ngay cả khi những hiệu chỉnh này là không đáng kể tại một điểm, chúng phải được cộng lại trên toàn bộ vũ trụ lạm phát lớn theo cấp số nhân, dẫn đến các hiệu chỉnh vượt quá một phần trong 100.000 trừ khi các tương tác đủ yếu và rằng các tính toán lý thuyết đã bỏ qua những hiệu chỉnh này, vốn đã được sử dụng trong quá khứ, đã bị phá vỡ . ” Jason Kristiano giải thích.
 

”Kết quả này có nghĩa là để các tính toán lý thuyết về lạm phát phù hợp với các quan sát, các tương tác phải là hệ số xa hơn 10 dưới giới hạn quan sát hiện tại và các sai lệch so với phân phối chuẩn sẽ không thể phát hiện được trong tương lai (Hình 2). Kết quả này cho chúng ta manh mối về lý thuyết vật lý năng lượng cao mô tả lạm phát. ”  Giáo sư Jun’ichi Yokoyama tiếp tục.

Hình 2 :  Sự phân bố độ lớn của dao động lượng tử trong chân không tuân theo phân bố chuẩn đối xứng (phân bố Gauss) xung quanh giá trị trung bình, như được thể hiện bằng đường màu xanh lam, nhưng khi tính đến ảnh hưởng của tương tác, phân bố trở nên không đối xứng như được hiển thị bằng đường màu đỏ. Nghiên cứu hiện tại cho thấy cường độ của tương tác phải nhỏ hơn 1/200 của đường màu đỏ trong hình. Sự phân bố như vậy không thể phân biệt được với đường màu xanh lam.

Nhóm nghiên cứu

Jason Kristiano (Nghiên cứu sinh, Khoa Vật lý, Trường Khoa học Sau đại học, Đại học Tokyo).

Jun’ichi Yokoyama (Giáo sư, Trung tâm Nghiên cứu Vũ trụ Sơ khai, Trường Khoa học Sau đại học, Đại học Tokyo).

Chi tiết xuất bản

Tạp chí
Thư đánh giá vật lý
Chức vụ
Tại sao Nhân loại Nguyên thủy Phải Rất Nhỏ?
Các tác giả
Jason Kristiano và Jun’ichi Yokoyama
DOI https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.061301

COMMENTS

WORDPRESS: 0
DISQUS: 1