三位研究宇宙大尺度结构的科学家获得10万美元的突破性物理学奖

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艺术家对宇宙网络的印象。它看起来像一个巨大的媒体一样的结构，或者主要是紫色和一些黑色背景上的橙色细丝。(图片来源:Volker Springel(马克斯·普朗克天体物理研究所)等)

（）据美国太空网（本·特纳）：三名科学家获得了10万美元的奖金，用于研究宇宙大规模结构的新方法——纵横交错的巨大物质卷须隐藏着我们宇宙基本力量的证据。

麻省理工学院的米哈伊尔·伊万诺夫(Mikhail Ivanov)、哥伦比亚大学和西蒙斯基金会的奥利弗·菲尔科克斯(Oliver Philcox)以及佛罗伦萨大学的马尔科·西蒙诺维奇(Marko Simonovi)获得了新视野物理学奖，“以表彰他们为我们理解宇宙的大尺度结构以及开发从星系巡天中提取基础物理学的新工具做出的贡献。”

新视野奖每年由突破奖基金会颁发给早期职业研究人员，奖金由科技亿万富翁谢尔盖·布林、陈慧娴和马克·扎克伯格、尤里和朱莉娅·米尔纳以及安妮·沃西基捐赠。今年的二等奖也授予了范德比尔特大学的亚历山德鲁·卢普斯卡和哈佛大学的迈克尔·约翰逊，以表彰他们追逐神秘黑洞光子球的工作。

在宇宙对撞机里

根据宇宙学的标准模型，宇宙在大爆炸后开始形成，当时年轻的宇宙充满了物质和反物质的粒子，它们在接触时只会相互湮灭。大多数宇宙的组成部分都是以这种方式自我毁灭的。如果他们完全做到了这一点，就不会有星系、恒星或行星形成。

然而，宇宙被迅速膨胀的时空结构中的微小扰动所拯救，这使得一些等离子体袋得以存活。当年轻宇宙翻滚的粒子-反粒子肉汤膨胀时，它的熔融细丝向外移动，形成一个相互连接的肥皂泡状薄膜结构，包围着无数大部分是空的空洞。

今天，宇宙是作为那些最早的粒子相互作用的地图而存在的，这些粒子沿着一个巨大的宇宙网络(今天是像我们这样的星系的发源地)的链和结构在时间上被冻结。这张网的形式暗示了塑造它的神秘的原始力量。

“如果你想象欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机，并将其放大一万亿或一万亿万亿倍，这就是你在早期宇宙中实际运行的那种粒子对撞机，”奥利弗·菲尔考克斯告诉《生活科学》。"任何奇怪的事情发生，都会影响物质的分布."

探测大爆炸后物质的位置可以揭示在随后的膨胀中发生的早期粒子相互作用，这是宇宙在短短几分之一秒内以指数速度膨胀的时刻。菲尔科克斯说，如果我们将星系视为这些早期时刻的石化遗迹，我们就可以在超早期宇宙中寻找粒子物理学的线索。

“所以它有时被称为‘宇宙对撞机’——就像整个宇宙规模的粒子对撞机，”菲尔考克斯补充道。

直到最近，由于理论和实验的限制，研究我们宇宙如何演化的物理学家主要关注宇宙微波背景(CMB)——大爆炸的残余辐射，作为2D图像燃烧到天空的每个角落。这可以用一个简单的定理来解释，只包括线性项，叫做宇宙微扰理论。

然而，绘制宇宙网络的能力越来越强，人们渴望了解暗物质和暗能量等神秘现象(目前的宇宙学无法解释这两种现象)，这促使物理学家直接关注网络的大尺度结构。

绘制宇宙飓风的点状图

然而对这些巨大的结构进行天文制图是很困难的。星系是由复杂的天体物理过程产生的，这些过程是由宇宙的膨胀和物质的坍缩塑造而成的。

例如，当大型结构相互靠近时，非线性效应，如男性化(当引力物体螺旋进入稳定轨道时)就会发生。当它们远离时，宇宙膨胀的相对论效应会扭曲时空，也会扰乱线性方程式。

“一个很好的类比可以是水波。如果我们的宇宙是一个海洋，CMB波动就是其表面的微小波纹。米哈伊尔·伊万诺夫在接受《现场科学》采访时表示:“一个星系可能会引发海啸或飓风。”。“水波纹可以很容易地用几个世纪前发展起来的基本流体动力学来描述。本质上，这就是宇宙微扰理论。一场飓风是不可能用笔和纸来描述的，我们可以对它进行一些昂贵的计算机模拟，但它们具有很大的不确定性。”

为了避开这些数学逆风，研究人员一直在为一种称为大规模结构有效场论(EFT)的理论做出贡献，并建立了几个统计工具来帮助他们分析星系如何相互作用。

由于描述早期宇宙的线性方程在宇宙尺度的两端都不成立，EFT通过将星系简化为点来平滑图像，并在恰到好处的距离上观察它们在宇宙中的位置，使我们对引力的两个最佳描述(牛顿力学和广义相对论)只需稍加调整即可适用。

研究EFT的理论家将这比作观看一幅点彩画:设定我们观看宇宙的数量级，我们可以清楚地看到它——不要太靠近它的小规模混沌，也不要太远以至于相对论扭曲。



《运河风景》( 1894)荷兰-印度尼西亚画家扬·图罗普的一幅庞提利斯绘画。(图片鸣谢:Alamy)

这给了物理学家一个观察宇宙的强有力的新工具，使他们能够对宇宙最早期的起源做出可检验的预测。

“这些新想法可以为未来的星系调查产生新的科学案例，”马尔科·西蒙诺维奇告诉《生活科学》。“随着新数据在未来几年开始到来，看到除了我们已经知道的以外，我们还能了解我们的宇宙，以及在这一过程中有什么惊喜在等待着我们，这肯定会非常令人兴奋。”